laporan akhir penelitian - sipeg.unj.ac.id
TRANSCRIPT
LAPORAN AKHIR PENELITIAN
MP3EI 2011-2025
PENERAPAN TEKNOLOGI PLASMA SEBAGAI CLEANING TECHNOLOGY
DALAM OPTIMASI REDUKSI EMISI GAS BUANG PADA PERSPEKTIF
PEMBANGUNAN TRANSPORTASI BEBAS POLUSI
Tahun ke-1 dari Rencana Dua Tahun
Ketua : Dr. Nanang Arif Guntoro, M.Si (NIDN: 0022066204)
Anggota : Lipur Sugiyanta, Ph.D (NIDN: 0029127601)
Anggota : Drs. Jusuf Bintoro, MT (NIDN: 0008016106)
Universitas Negeri Jakarta
Desember 2015
hal. iii
Penelitian ini dimaksudkan untuk mengoptimalisasi reduksi polutan emisi NOx
untuk mewujudkan moda transportasi bebas polusi pada perspektif pembangunan
transportasi berkelanjutan (sustainable transportation development) melalui
rekayasa teknologi plasma sebagai cleaning technology.
Campuran gas adalah udara terdiri dari 80% N2 dan 20% O2 dengan kandungan
400ppm oksida toksik NOx pada tekanan atmosfir dan temperatur ruang. Aliran
udara memperhitungkan 16 partikel netral dengan melibatkan 110 reaksi kimia
yang dominan dalam penghancuran polutan emisi gas buang. Penelitian dilakukan
di Laboratorium Fisika Terapan, Jurusan Teknik Elektro, FT, UNJ, yang
dirancang selama dua tahun dari 2015 sampai 2016. Metode penelitian tahun
pertama ini dilakukan dengan metode simulasi dengan menerapkan MUSCL
(Monotonic Upstream-centred Scheme for Conservation Law) melalui kriteria
evolusi CFL untuk memperoleh optimalisasi penghancuran oksida-oksida toksik.
Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan, kesimpulan penelitian tahun pertama
adalah sebagai berikut: (1) proses penghancuran NOx dilakukan melalui reaksi
dengan radikal-radikal N, O, OH, dan O3 pada fase setelah lucutan listrik yang
berlangsung hanya dalam waktu satu milisekon; (2) besarnya medan listrik yang
berada di dekat anoda sesuai dengan kondisi simulasi yaitu sekitar 3.103V/m
memungkinkan elektron memperoleh energi yang cukup untuk mengionisasi
molekul-molekul gas dalam mereduksi NOx di ruang antar elektroda; (3) waktu
untuk menghancurkan polutan akibat bereaksi dengan berbagai radikal lebih lama
dibandingkan dengan waktu difusi antar unsur-unsur partikel kimia, sehingga
dinamika gas di ruang antar elektroda berpengaruh signifikan terhadap kinetika
kimia; (4) deskripsi kinetika kimia diperlukan untuk optimalisasi penghancuran
NOx sebab efisiensi reduksi tergantung pada banyaknya radikal yang tercipta; dan
(5) kerapatan NO mencapai nilai maksimum pada 1,125ppm ketika efek dinamika
diperhitungkan dan 0,595ppm ketika kinetika kimia diperhitungkan. Evolusi
populasi kimia selalu diimbangi oleh transport difusif dari daerah dengan
konsentrasi lebih kuat menuju daerah yang konsentrasinya lebih lemah.
Hasil penelitian tahun pertama ini diharapkan mampu memberikan pemahaman
yang jelas dan rinci tentang optimalisasi penghancuran NOx pada reaktor plasma,
sehingga tercipta sarana transportasi bebas polusi.
Kata Kunci: Teknologi plasma; polutan gas buang; transportasi bebas polusi
hal. iv
Rasa syukur dipanjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya,
sehingga Laporan Akhir Penelitian MP3EI pada tahun ke-1 ini dapat diselesaikan
sesuai dengan rencana. Laporan ini merupakan hasil penelitian untuk memberikan
salah satu solusi inovatif dalam usaha mereduksi emisi gas buang oksida-oksida
nitrogen melalui rekayasa teknologi plasma sebagai cleaning technology pada
perspektif pembangunan transportasi bebas polusi.
Laporan akhir penelitian ini dapat berjalan lancar dan selesai tepat pada waktunya
berkat bantuan dari berbagai pihak terkait baik secara institusional maupun
personal. Sehubungan dengan itu, ungkapan terima kasih khususnya disampaikan
kepada yang terhormat para Pimpinan pada Direktorat Penelitian dan Pengabdian
Masyarakat (Ditlitabmas), Kementerian Riset Teknologi dan Pendidikan Tinggi
yang telah menyetujui untuk membiayai penelitian MP3EI ini.
Harapan besar tim peneliti semoga hasil penelitian yang diperoleh dapat
memberikan kontribusi bagi kemajuan iptek dan bermanfaat untuk masyarakat
luas baik di kalangan akademisi maupun dunia industri dalam mengoptimalisasi
reduksi polutan oksida-oksida nitrogen dalam mewujudkan sarana transportasi
bebas polusi. Ibarat tiada gading yang tak retak, selanjutnya kami nantikan
masukan, kritik, dan saran dari para pembaca sekalian.
Jakarta, 20 Desember 2015
Ketua Peneliti
ttd
Dr. Nanang Arif Guntoro, M.Si
hal. v
hal.
HALAMAN SAMPUL ......................................................................................... i
HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................... ii
RINGKASAN ....................................................................................................... iii
PRAKATA ............................................................................................................ iv
DAFTAR ISI ......................................................................................................... v
DAFTAR TABEL ................................................................................................. viii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ ix
BAB 1 : PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Masalah ................................................................. 1
B. Pembatasan Masalah ...................................................................... 3
C. Perumusan Masalah ........................................................................ 4
D. Tujuan Khusus dan Luaran Penelitian ........................................... 4
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA
A. Emisi Gas Buang Sektor Transportasi ......................................... 6
1. Komposisi dan Perilaku Gas Buang ........................................ 7
2. Dampak Pencemaran terhadap Kesehatan Manusia .............. 8
B. Rekayasa Teknologi Plasma sebagai Pereduksi Polutan
Transportasi .................................................................................. 13
1. Pengertian Plasma ................................................................. 13
2. Jenis-jenis Plasma ................................................................. 14
3. Lucutan Listrik dalam Gas .................................................... 15
4. Jenis-jenis Lucutan Listrik dalam Gas .................................. 18
C. Medan Listrik dan Proses terjadinya Plasma................................ 20
1. Medan Listrik pada Elektroda Titik-Bidang ......................... 20
2. Proses terjadinya Plasma ....................................................... 21
hal. vi
D. Pemodelan Dinamika Gas ............................................................ 23
1. Persamaan Evolusi Kerapatan ............................................... 23
2. Persamaan Temperatur Gas ................................................... 23
E. Pemodelan Kinetik Kimiawi ......................................................... 24
1. Transport Massa Difusif ........................................................ 24
2. Koefisien Difusi Unsur j dalam Campuran ............................. 25
3. Koefisien Difusi Binair ......................................................... 26
4. Reaktivitas Campuran Gas .................................................... 28
4. Konduktivitas Thermik Gas .................................................. 29
BAB 3 : TUJUAN DAN MANFAAT HASIL PENELITIAN
A. Tujuan Penelitian ............................................................................ 30
B. Manfaat Hasil Penelitian ................................................................. 31
BAB 4 : METODE PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu Penelitian ......................................................... 32
B. Peralatan dan Bahan Penelitian ...................................................... 32
C. Diskretisasi Persamaan Transport .................................................. 33
D. Diskretisasi dengan Metode Numerik Volume Terbatas ............... 34
1. Integrasi Pertama Persamaan Transport .................................... 34
2. Integrasi Kedua Persamaan Transport ...................................... 35
3. Integrasi Term Sumber Persamaan Transport ........................... 35
4. Diskretisasi Persamaan Transport ............................................. 35
E. Metode M.U.S.C.L .......................................................................... 37
1. Profil Alur Metode M.U.S.C.L ................................................. 37
2. Kriteria Stabilitas Pada Fluks ................................................... 39
3. Metode Validasi ........................................................................ 40
F. Kondisi Simulasi ............................................................................. 43
BAB 5 : HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. Proses Terciptanya Lucutan Listrik Korona .................................. 44
B. Analisis Kinetika Kimia Penghancuran Oksida-Oksida Nitrogen
pada Fase Setelah Lucutan Listrik ................................................ 46
hal. vii
1. Analisis Kajian Proses Pembentukan Radikal-radikal Primer
dan Sekunder ......................................................................... 46
2. Analisis Kajian Proses Pembentukan Oksida-oksida Nitrogen 48
3. Analisis Pengaruh Dinamika Gas terhadap Optimalisasi
Penghancuran Oksida ............................................................... 49
C. Analisis Dinamika Campuran Gas pada Fase Setelah Lucutan
Listrik .......................................................................................... 51
1. Profil Variasi Temperatur, Kerapatan, Tekanan, dan
Kecepatan Gas ......................................................................... 51
2. Profil Variasi Temperatur dan Kerapatan di Sekitar Anoda ..... 54
D. Optimalisasi Penghancuran NOx melalui Analisis Kinetika Kimia
dan Dinamika Gas ......................................................................... 59
1. Reduksi NOx melalui Analisis Kinetika Kimia ...................... 60
2. Reduksi NOx melalui Analisis Dinamika Gas ........................ 61
BAB 6 : RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
BAB 7 : KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ..................................................................................... 64
B. Saran ................................................................................................ 65
DAFTAR PUSTAKA
hal. viii
hal.
Tabel 1.1: Perbandingan jumlah beberapa infrastruktur di kota-kota besar
Indonesia pada tahun 2014 .......................................................... 2
Tabel 1.2: Emisi gas polutan dari moda transportasi jalan di wilayah
Jabodetabek ................................................................................. 2
Tabel 2.1: Sumber dan standar kesehatan emisi gas buang ......................... 8
Tabel 5.1: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses pembentukan
radikal primer dan sekunder dalam reaktor plasma .................... 47
Tabel 5.2: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses pembentukan
oksida-oksida nitrogen dalam reaktor plasma ............................. 48
Tabel 5.3: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses penghancuran
oksida-oksida nitrogen dalam reaktor plasma ............................. 49
hal. ix
hal.
Gambar 2.1: Polusi udara emisi gas buang sektor transportasi .......................... 6
Gambar 2.2: Pengaruh polusi udara terhadap kesehatan manusia .................... 12
Gambar 2.3: Alam semesta yang hampir 99 persennya terdiri fase plasma ...... 13
Gambar 2.4: Proses perubahan empat wujud benda padat, cair, gas, dan
plasma ........................................................................................... 14
Gambar 2.5: Kilat merupakan proses lucutan listrik pada gas yang terjadi karena
fenomena alam ............................................................................. 15
Gambar 2.6: Tabung lucutan gas ...................................................................... 16
Gambar 2.7: Daerah ionisasi dan aliran plasma pada lucutan korona ............... 19
Gambar 2.8: Kuat medan listrik E(x) sebagai fungsi jarak ............................... 20
Gambar 3.1: Alur kajian manfaat hasil penelitian .............................................. 31
Gambar 4.1: Profil alur metode M.U.S.C.L ........................................................ 37
Gambar 4.2: Representasi pertukaran selama selang waktu t ........................... 39
Gambar 4.3: Solusi numerik yang diberikan oleh metode M.U.S.C.L
dan solusi analitik pada penguatan sinyal dari dua waktu
yang berlainan pada uji Davies ...................................................... 41
Gambar 4.4: Solusi numerik yang diberikan oleh metode M.U.S.C.L
dan solusi analitik pada penguatan sinyal dari dua waktu
yang berlainan pada uji validasi transport difusif .......................... 42
Gambar 5.1: Skema geometris proses terciptanya lucutan listrik pada
konfigurasi sistem titik bidang (point-to-plane) ............................ 44
Gambar 5.2: Profil kontur gradasi potensial listrik pada ruang antar elektroda . 45
Gambar 5.3: Fotografi lucutan listrik selama selang waktu 1 sekon ................ 45
hal. x
Gambar 5.4: Timeline penghancuran oksida polutan NOx melalui rekayasa
teknologi plasma ............................................................................ 46
Gambar 5.5: Interaksi radikal primer N dan O serta radikal sekunder O3 pada
proses penghancuran oksida-oksida nitrogen melalui berbagai
reaksi kimia ................................................................................. 50
Gambar 5.6: Profil variasi temperatur molekul gas (°K) dari selang waktu antara
0,1μs sampai 1,5μs ....................................................................... 51
Gambar 5.7: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) dari selang waktu antara 0,1μs
sampai 1,5μs ................................................................................. 52
Gambar 5.8: Profil variasi tekanan gas (Pa) dari selang waktu antara 0,1μs
sampai 1,5μs ................................................................................. 52
Gambar 5.9: Profil variasi kecepatan gas (ms-1
) dari selang waktu antara 0,1μs
sampai 1,5μs ................................................................................. 53
Gambar 5.10: Profil temperatur gas (°K) di sekitar anoda dari selang waktu antara
0,1μs sampai 1,5μs ...................................................................... 54
Gambar 5.11: Profil variasi tekanan gas (Pa) di sekitar anoda dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 1,5μs ............................................................ 55
Gambar 5.12: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) di sekitar anoda dari selang
waktu antara 0,1μs sampai 1,5μs ................................................. 55
Gambar 5.13: Penguatan gelombang tekanan (Pa) dari selang waktu antara
0,1μs sampai 1,5μs ...................................................................... 57
Gambar 5.14: Penguatan gelombang tekanan (Pa) dari selang waktu antara
0,1μs sampai 1,5μs ...................................................................... 57
Gambar 5.15: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) dari selang waktu antara
0,1μs sampai 1,5μs ...................................................................... 58
Gambar 5.16: Evolusi kerapatan NO dalam persentase dari nilai
maksimumnya .............................................................................. 59
hal. 1 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
A. LATAR BELAKANG MASALAH
Arah pembangunan transportasi masa depan adalah pembangunan transportasi
berkelanjutan (sustainable transportation development) baik di bidang ekonomi,
sosial, dan lingkungan. Pembangunan transportasi berwawasan lingkungan harus
mampu meminimalisasi dampak pengoperasian sistem transportasi terhadap
lingkungan. Dampak aktivitas transportasi pada lingkungan di antaranya adalah
polutan emisi gas buang yang terdiri dari unsur oksida nitrogen (NOx), oksida
karbon (COx), dan oksida sulfur (SOx) serta berbagai zat berbahaya lainnya bagi
kesehatan dan lingkungan.
Moda transportasi jalan khususnya di daerah perkotaan merupakan sumber emisi
polutan yang buruk, baik akibat perawatan yang kurang memadai maupun
pemakaian bahan bakar dengan kualitas kurang baik. Keadaan ini diperparah
dengan tidak imbangnya pertumbuhan jumlah moda transportasi dan pertambahan
jalan raya. Pertumbuhan jumlah moda transportasi jalan berkisar antara 8-13 %
per tahun, sedang pertambahan jalan hanya sekitar 3-5 % saja. Kondisi demikian
mengakibatkan kemacetan di jalan-jalan sehingga menyebabkan polusi udara juga
semakin meningkat, apalagi emisi gas polutan transportasi jalan pada saat macet
bertambah 12 kalinya dibandingkan saat kendaraan berjalan normal atau lancar.
Pada Tabel 1.1 ditunjukkan bahwa pada tahun 2014, terjadi kecenderungan
semakin tidak berimbangnya antara jumlah kendaraan dengan ruang terbuka hijau
(RTH) dan infrastruktur jalan khususnya di kota-kota besar di Indonesia [Kompas,
16 April 2014]. Keadaan ini mengindikasikan bahwa sektor transportasi jalan
memberikan dampak polusi yang terus meningkat dari tahun ke tahun terutama di
daerah perkotaan.
hal. 2 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Tabel 1.1: Perbandingan jumlah beberapa infrastruktur di kota-kota besar
Indonesia pada tahun 2014
Kota Jml Penduduk
(jiwa)
Jml Kendaraan
(unit)
Panjang
Jalan (km)
RTH (persen
dari luas kota)
Jakarta 9.607.787 15 juta 7.650 10%
Surabaya 2.765.487 4,2 juta 2.102 4,2%
Semarang 1.555.984 1,3 juta 2.786 7,5%
Bandung 3.178.543 1,3 juta 1,236 8,8%
Makassar 1.338.663 2,4 juta 1.593 6,5%
Sumber: Litbang Kompas dan BPS, 2014
Hasil penelitian di beberapa kota besar seperti Jakarta, Bandung, Semarang, dan
Surabaya menunjukkan sekitar 70% sumber pencemar berasal dari polutan emisi
gas buang transportasi jalan [Schwela, 2006]. Tabel 1.2 memperlihatkan perkiraan
emisi polutan dari berbagai moda transportasi jalan di wilayah Jabodetabek
[Bapedal, 2006].
Tabel 1.2: Emisi gas polutan dari moda transportasi jalan di wilayah Jabodetabek
Jenis
Kendaraan
Emisi Gas Buang (ton/tahun) Jarak Tempuh
(10 km/th) NOx SOx CO HC PM
Sepeda motor 971 101 120.002 38,302 101 10.000
Kendaraan pnp 29.832 1.433 197.005 26.492 2.134 13.040
Taksi 3.879 353 21.295 2.892 425 193
Bus sedang 17.699 1.402 68.429 8.500 2.232 2.899
Bus besar 8.799 1.507 12.105 2.682 1.156 826
Van 19.488 4.479 106.330 12.340 1.005 6.183
Truk kecil 6.693 436 34.161 3.997 603 2.233
Truk 2 as 6.304 1.322 2.736 1.538 1.390 993
Truk 3 as 5.074 1.109 2.180 1.227 517 369
Total 98.738 8.142 564.292 97.971 9.563 38.577
Sumber: Badan Pengendalian Dampak Lingkungan (Bapedal), 2006
Menurut hasil penelitian JICA dibandingkan dengan tahun 2006, unsur pencemar
udara khususnya NOx diperkirakan akan meningkat lebih dari tiga kali lipat pada
tahun 2015. Seperti diketahui bahwa oksida ini merupakan gas polutan yang
hal. 3 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
memberikan dampak negatif bagi kesehatan masyarakat maupun lingkungan.
Laporan penelitian WHO menunjukkan bahwa polusi udara terbuka menempati
peringkat ke-10 penyebab kematian dini. Kerugian ekonomis akibat buruknya
kualitas udara lebih dirasakan penduduk miskin. Tingkat gizi buruk membuat
mereka lebih rentan menghadapi tingginya konsentrasi polutan udara. Dari sisi
ekonomi pembiayaan kesehatan (health cost) akibat polusi udara di Jakarta,
diperkirakan mencapai hampir 220 juta dolar [Napitupulu, 2004].
Berbagai cara dilakukan untuk mereduksi polutan baik secara fisik, biologis, dan
kimia, atau kombinasi dari ketiganya. Salah satu cara yang telah dilakukan adalah
penghijauan kota. Meski demikian, cara ini belum solutif sebab tidak imbangnya
kuantitas emisi polutan yang dikeluarkan dengan proses fotosintesis pohon yang
ditanam di tengah-tengah kota. Dibutuhkan teknologi yang mampu mengurangi
emisi gas polutan transportasi jalan untuk mengendalikan dampak lingkungan.
Teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan salah satu upaya
inovatif yang mampu mengoptimasi penghancuran polutan emisi gas buang
sehingga diharapkan tercipta sarana transportasi jalan bebas polusi dalam
perspektif pembangunan transportasi berkelanjutan.
B. PEMBATASAN MASALAH
Kajian penelitian ini akan dibatasi pada pembahasan sebagai berikut.
1. Emisi polutan transportasi jalan di daerah perkotaan adalah gas toksik NOx
yang berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan.
2. Gas pembakaran adalah aliran udara terdiri dari 80% N2 dan 20% O2 dengan
kandungan 400ppm NOx pada tekanan atmosfir dan temperatur ruang yang
tidak memiliki pergerakan konvektif dan tanpa gradien tekanan.
3. Penyebaran gas netral reaktif berada pada arah tegak lurus sumbu propagasi
discharge dan berjarak 1mm dari anoda.
4. Analisis pengendalian emisi NOx lebih terfokus pada pengaruh reaktivitas
campuran dan dinamika gas.
hal. 4 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
C. PERUMUSAN MASALAH
Dari latar belakang dan pembatasan penelitian dapat dirumuskan permasalahan
sebagai berikut.
1. Bagaimanakah kajian ilmiah teknologi plasma sebagai cleaning technology
mampu memecahkan masalah polutan emisi gas buang sebagai dampak
buruk mode transportasi jalan.
2. Bagaimanakah pembuatan simulasi pemodelan kinetik kimiawi dan
dinamika gas dalam mereduksi polutan NOx.
3. Bagaimanakah analisis hasil pengaruh kinetika kimia dan dinamika gas pada
penghancuran oksida-oksida NOx melalui model simulasi spasial dan
temporal.
4. Bagaimanakah analisis sistem CC (catalytic converter), AFR (air flue
rasio), dan EGR (exhaust gas recirculation) pada reduksi NOx.
5. Bagaimanakah cara mengoptimalisasi sistem pengendalian polutan emisi gas
buang yang meliputi analisis pengaruh dinamika gas dan kinetik kimiawi
serta analisis CC, AFR, dan EGR.
6. Bagaimanakah cara merancang prototipe CC pereduksi polutan NOx dalam
mewujudkan moda transportasi bebas polusi.
D. TUJUAN KHUSUS DAN LUARAN PENELITIAN
Tujuan jangka panjang dari penelitian ini adalah terciptanya moda transportasi
jalan bebas polusi. Pelaksanaan penelitian secara keseluruhan dirancang selama
dua tahun masing-masing dengan tujuan khusus sebagai berikut.
Tujuan khusus yang ingin dicapai pada tahun pertama adalah:
1. mengkaji secara ilmiah bagaimana teknologi plasma mampu memecahkan
masalah polutan emisi gas buang sebagai dampak negatif sarana transportasi
jalan;
2. membuat simulasi pemodelan kinetik kimiawi dan dinamika gas dalam
mereduksi polutan NOx; dan
hal. 5 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
3. menganalisis hasil pengaruh kinetik kimiawi dan dinamika gas pada
penghancuran oksida NOx melalui pemodelan simulasi.
Tujuan khusus yang ingin dicapai pada tahun kedua adalah:
1. menganalisis sistem CC, AFR, dan EGR pada reduksi NOx;
2. mengoptimasi sistem pengendalian polutan emisi gas buang yang meliputi
analisis pengaruh dinamika gas dan kinetik kimiawi serta analisis CC, AFR,
dan EGR; serta
3. merancang prototipe CC pereduksi polutan NOx dalam mewujudkan moda
transportasi bebas polusi.
Luaran penelitian yang diperoleh akan dipublikasikan melalui jurnal ilmiah
nasional atau internasional terakreditasi dan acuan dalam pembuatan bahan ajar
berbagai mata kuliah tentang sains dan teknologi.
hal. 6 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
A. EMISI GAS BUANG SEKTOR TRANSPORTASI
Sektor transportasi mempunyai ketergantungan yang tinggi terhadap sumber
energi. Seperti diketahui penggunaan energi inilah yang terutama menimbulkan
dampak terhadap lingkungan. Hampir semua produk energi konvensional dan
rancangan motor bakar yang digunakan dalam sektor transportasi masih
menyebabkan dikeluarkannya emisi pencemar ke udara. Penggunaan bahan bakar
minyak bensin dalam motor bakar akan selalu mengeluarkan senyawa-senyawa
seperti CO (karbon monoksida), hidrokarbon (HC), NOx (oksida-oksida nitrogen)
SOx (oksida-oksida sulfur), partikulat debu termasuk timbal (Pb), THC (total
hidro karbon), dan TSP (debu).
Gambar 2.1: Polusi udara emisi gas buang sektor transportasi
Premium yang dibubuhi TEL, akan mengeluarkan timbal. Solar dalam motor
diesel akan mengeluarkan beberapa senyawa tambahan di samping senyawa
tersebut di atas, yang terutama adalah fraksi-fraksi organik seperti aldehida, PAH
(poli alifatik hidrokarbon), yang mempunyai dampak kesehatan yang lebih besar
(karsinogenik), dibandingkan dengan senyawa-senyawa lainnya.
hal. 7 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
1. Komposisi dan Perilaku Gas Buang
Emisi kendaraan bermotor mengandung berbagai senyawa kimia. Komposisi
kandungan senyawa kimianya tergantung dari kondisi mengemudi, jenis mesin,
alat pengendali emisi bahan bakar, suhu operasi dan berbagai faktor lainnya yang
membuat pola emisi menjadi rumit. Jenis bahan bakar pencemar yang dikeluarkan
oleh mesin dengan bahan bakar bensin maupun bahan bakar solar sebenarnya
sama saja, hanya berbeda proporsinya karena perbedaan cara operasi mesin.
Secara visual selalu terlihat asap dari knalpot kendaraan bermotor dengan bahan
bakar solar, yang umumnya tidak terlihat pada kendaraan bermotor dengan bahan
bakar bensin. Walaupun gas buang kendaraan bermotor terutama terdiri dari
senyawa yang tidak berbahaya seperti nitrogen, karbon dioksida dan uap air, tetapi
di dalamnya terkandung juga senyawa gas buang lain dengan jumlah yang cukup
besar yang dapat membahayakan kesehatan maupun lingkungan.
Bahan pencemar gas buang buang kendaraan bermotor dilepaskan ke udara karena
adanya penguapan dari sistem bahan bakar. Lalu lintas kendaraan bermotor, juga
dapat meningkatkan kadar partikular debu yang berasal dari permukaan jalan,
komponen ban dan rem. Setelah berada di udara, beberapa senyawa yang
terkandung dalam gas buang kendaraan bermotor dapat berubah karena terjadinya
suatu reaksi, misalnya dengan sinar matahari dan uap air, atau juga
antara senyawa-senyawa tersebut satu sama lain. Proses reaksi tersebut ada yang
berlangsung cepat dan terjadi saat itu juga di lingkungan jalan raya, dan ada pula
yang berlangsung dengan lambat. Reaksi kimia di atmosfer kadangkala
berlangsung dalam suatu rantai reaksi yang panjang dan rumit, dan menghasilkan
produk akhir yang dapat lebih aktif atau lebih lemah dibandingkan senyawa
aslinya. Sebagai contoh, adanya reaksi di udara yang mengubah nitrogen
monoksida (NO) yang terkandung di dalam gas buang kendaraan bermotor
menjadi nitrogen dioksida (NO2) yang lebih reaktif, dan reaksi kimia antara
berbagai oksida nitrogen dengan senyawa hidrokarbon yang menghasilkan ozon
dan oksida lain, yang dapat menyebabkan asap awan fotokimia (photochemical
smog).
hal. 8 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Pembentukan smog ini kadang tidak terjadi di tempat asal sumber atau pusat kota,
tetapi dapat terbentuk di pinggiran kota. Jarak pembentukan smog ini tergantung
pada kondisi reaksi dan kecepatan angin. Untuk bahan pencemar yang sifatnya
lebih stabil seperti limbah (Pb), beberapa hidrokarbon-halogen dan hidrokarbon
poliaromatik, dapat jatuh ke tanah bersama air hujan atau mengendap bersama
debu, dan mengkontaminasi tanah dan air. Senyawa tersebut selanjutnya juga
dapat masuk ke dalam rantai makanan yang selanjutnya masuk ke dalam tubuh
manusia melalui sayuran, susu ternak, dan produk lainnya dari ternak hewan.
Karena banyak industri makanan saat ini akan dapat memberikan dampak yang
tidak diinginkan pada masyarakat kota maupun desa. Emisi gas buang kendaraan
bermotor juga cenderung membuat kondisi tanah dan air menjadi asam.
Pengalaman di negara maju membuktikan bahwa kondisi seperti ini dapat
menyebabkan terlepasnya ikatan tanah atau sedimen dengan beberapa mineral
atau logam, sehingga logam tersebut dapat mencemari lingkungan.
2. Dampak Pencemaran terhadap Kesehatan Manusia
Pemakaian bahan bakar kendaraan bermotor dapat mengemisikan polutan yang
dapat menyebabkan gangguan kesehatan yang berbeda tingkatan dan jenisnya,
tergantung dari macam, ukuran dan komposisi kimiawinya. Gangguan tersebut
terutama terjadi pada fungsi faal dari organ tubuh seperti paru-paru dan pembuluh
darah, atau menyebabkan iritasi mata dan kulit. Tabel 2.1 berikut menunjukkan
sumber dan standar kesehatan emisi gas buang.
Tabel 2.1: Sumber dan standar kesehatan emisi gas buang [Tugaswati, 2007]
Pencemar Sumber Keterangan
Karbon
monoksida (CO)
Buangan kendaraan
bermotor; proses industri
Standar kesehatan: 10
mg/m3 (9 ppm)
Sulfurdioksida
(SO2)
Panas dan fasilitas
pembangkit listrik
Standar kesehatan: 80
ug/m3 (0.03 ppm)
Partikulat Matter Buangan kendaraan
bermotor; proses industri
Standar kesehatan: 50
ug/m3 selama 1 tahun; 150
ug/m3
hal. 9 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Pencemar Sumber Keterangan
Nitrogen dioksida
(NO2)
Buangan kendaraan
bermotor
Standar kesehatan: 100
pg/m3 (0.05 ppm) selama 1
jam
Ozon (O3) Terbentuk di atmosfir Standar kesehatan: 235
ug/m3 (0.12 ppm) selama 1
jam
Karbon Monooksida (CO)
Gas ini sangat berbahaya, tidak berwama dan tidak berbau, berat jenis sedikit
lebih ringan dari udara (menguap secara perlahan ke udara), CO tidak stabil
dan membentuk CO2 untuk mencapai kestabilan fase gasnya. CO berbahaya
karena bereaksi dengan hemoglobin darah membentuk carboxy haemoglobin
(CO-Hb). Akibatnya fungsi Hb membawa oksigen ke sel-sel tubuh terhalangi,
sehingga menyebabkan gejala keracunan, sesak nafas, dan penderita pucat.
Terjadinya penurunan kesadaran mengakibatkan banyak kecelakaan, fungsi sistem
kontrol syaraf turun serta fungsi jantung dan paru-paru menurun bahkan dapat
menyebabkan kematian. Waktu tinggal CO dalam atmosfer lebih kurang 4 bulan.
CO dapat dioksidasi menjadi CO2 dalam atmosfer menjadi HO dan radikal HO2,
atau oksigen, dan ozon. Mikroorganisme tanah merupakan bahan yang dapat
menghilangkan CO dari atmosfer. Dari penelitian diketahui bahwa udara yang
mengandung CO sebesar 120 ppm dapat dihilangkan selama 3 jam dengan cara
mengontakkan dengan 2,8 kg tanah, dengan demikian mikroorganisme dapat pula
menghilangkan senyawa CO dari lingkungan, sejauh ini yang berperan aktif
adalah jamur penicillium dan aspergillus.
Didrokarbon (DC).
Sebagai zat pencemar, kehadiran hidrokarbon di atmosfer dapat menghasilkan
pembentukan kabut (smog). Jika terjadi pembakaran tidak sempurna maka
hidrokarbon semakin banyak terbentuk, dengan sifat gas ini adalah bau yang
tajam dan mudah mengikat NO2 di udara menjadi komponen smog, yaitu
komponen sekunder photo-chemical oxydant. Hidrokarbon dapat mengganggu
hal. 10 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
kesehatan manusia khususnya iritasi pada kulit, mata, hidung, dan tenggorokkan
akibat atom karbon yang diikatnya. Kematian dapat terjadi dari benzene jika
kadarnya melebihi 20.000 ppm setelah 5-10 menit.
Nitrogen Oksida (NOx).
Nitrogen dioksida merupakan polutan udara yang dihasilkan proses pembakaran.
Ketika nitrogen dioksida hadir, nitrogen oksida juga ditemukan, gabungan dari
NO dan NO2 secara kolektif mengacu kepada nitrogen oksida (NOx). Udara yang
mengandung gas NO dalam batas normal relatif aman dan tidak berbahaya,
kecuali bila gas NO berada dalam konsentrasi tinggi. Sifat gas NO2 adalah
berwarna dan berbau, sedangakn gas NO tidak berwarna dan tidak berbau. Warna
gas NO2 adalah merah kecoklatan dan berbau tajam menyengat hidung.
Kadar NOx di udara dearah perkotaan yang berpenduduk padat akan lebih tinggi
dari daerah pedesaan yang berpenduduk sedikit. Hal ini disebabkan karena
berbagai macam kegiatan yang menunjang kehidupan manusia akan menambah
kadar NOx di udara, seperti transportasi, generator pembangkit listrik,
pembuangan sampah dan lain-lain. Pencemaran gas NOx di udara terutama
berasal dari gas buangan hasil pembakaran yang keluar dari sektor transportasi.
Keberadaan NOx di udara dapat dipengaruhi oleh sinar matahari yang mengikuti
daur reaksi fotolitik NO2 sebagai berikut:
NO2 + sinar matahari → NO + O
O + O2 → O3 (ozon)
O3 + NO → NO2 + O2
Sifat toksisitas gas NO2 empat kali lebih kuat daripada toksisitas gas NO. Organ
tubuh yang paling peka terhadap pencemaran gas NO2 adalah paru-paru. Paru-
paru yang terkontaminasi oleh gas NO2 akan membengkak sehingga penderita
sulit bernafas yang dapat mengakibatkan kematian. NO2 pada manusia dapat
meracuni paru-paru, pada kadar 100 ppm dapat menimbulkan kematian, dan pada
kadar 5 ppm setelah 5 menit dapat menimbulkan sesak nafas. Pencemaran NOx
hal. 11 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
juga dapat menyebabkan timbulnya PAN (peroxy acetil nitrates). PAN ini
menyebabkan iritasi pada mata yang menyebabkan mata terasa pedih dan berair.
Campuran PAN dan senyawa kimia lainnya yang ada di udara dapat menyebabkan
terjadinya kanut foto kimia atau photo chemistry smog yang sangat mengganggu
lingkungan.
Pada sangat konsentrasi tinggi, dimana mungkin hanya dialami pada kecelakaan
industri yang fatal, paparan NO2 dapat mengakibatkan kerusakan paru-paru yang
berat dan cepat. Pengaruh kesehatan mungkin juga terjadi pada konsentrasi
ambient yang jauh lebih rendah seperti pada pengamatan selama peristiwa polusi
di perkotaan. Bukti yang didapatkan menyarankan bahwa penyebaran ambient
kemungkinan akibat dari pengaruh kronik dan akut, khususnya pada sub-grup
populasi orang yang terkena asma. Ada dua cara untuk menghindari pembakaran
tidak sempurna, maka dilakukan 2 proses pembakaran yaitu: (1) Bahan bakar
dibakar pada temperatur tinggi dengan sejumlah udara sesuai dengan persamaan
stoikiometri, misalnya dengan 90-95% udara. Pembakaran NO dibatasi tidak
dengan adanya kelebihan udara; (2) Bahan bakar dibakar sempurna pada suhu
relatif rendah dengan udara berlebih. Suhu rendah menghindarkan pembentukan
NO. Kedua proses ini menurunkan pembentukan NO sarnpai 90%.
Sulfur Dioksida (SOx)
SOx mempunyai ciri bau yang tajam, bersifat korosif (penyebab karat), beracun
sebab selalu mengikat oksigen untuk mencapai kestabilan fase gasnya. SOx
menimbulkan gangguan sistem pernafasan, jika kadarnya berada pada kisaran
400-500 ppm akan sangat berbahaya, 8-12 ppm menimbulkan iritasi mata, 3-5
ppm menimbulkan bau.
Partikulat Matter (PM)
Partikel asap atau jelaga hidrokarbon (policyclic aromatic hydrokarbon) selalu
mengganggu pandangan karena kehitaman dan kepekatan, asapnya juga bersifat
karsinogenis (penyebab kanker).
hal. 12 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Timah Hitam (Pb)
Timah hitam dalam bentuk senyawa TEL (Tetra Etthyl Lend - C5HI2O) digunakan
sebagai bahan tambahan untuk meningkatkan angka oktan dari bahan bakar
sehingga dapat meningkatkan daya bakarnya. Timah hitam di udara akan terhirup
oleh manusia sehingga akan terpapar setiap harinya, yang mengakibatkan
konsentrasi akan semakin meningkat sehingga lambat laun timah hitam ini akan
dapat mempengaruhi fungsi tubuh karena menumpuk pada hampir setiap organ
tubuh manusia seperti ginjal, hati, paru, darah dan juga menimbulkan kanker atau
karsinogenik.
Gambar 2.2: Pengaruh polusi udara terhadap kesehatan manusia
hal. 13 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
B. REKAYASA TEKNOLOGI PLASMA SEBAGAI PEREDUKSI
POLUTAN
1. Pengertian Plasma
Konsep tentang plasma pertama kali dikemukakan oleh Langmuir dan Tonks pada
tahun 1928. Mereka mendefinisikan plasma sebagai gas yang terionisasi dalam
lucutan listrik, jadi plasma dapat juga didefinisikan sebagai percampuran
kuasinetral dari elektron, radikal, ion positif dan negatif. Percampuran antara ion-
ion yang bermuatan positif dengan elektron-elektron yang bermuatan negatif
memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dengan gas pada umumnya dan materi
pada fase ini disebut fase plasma.
Plasma dapat ditemukan pada ruang antar bintang, pada atmosfer bintang
(termasuk matahari), pada tabung lucutan dan pada reaktor termonuklir
eksperimen. Yang lebih menarik lagi adalah sebagian besar bahkan hampir 99
persen alam semesta merupakan fase plasma. Gambar 2.3 menunjukkan alam
semesta yang sebagian besar terbentuk dari plasma.
Gambar 2.3: Alam semesta yang hampir 99 persennya terdiri dari fase plasma
Secara sederhana plasma didefinisikan sebagai gas terionisasi dan dikenal sebagai
fase materi ke empat setelah fase padat, cair, dan gas. Proses perubahan antar
keempat materi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.4 berikut.
hal. 14 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Gambar 2.4: Proses perubahan empat wujud benda padat, cair, gas, dan plasma
Plasma merupakan daerah yang sangat signifikan terjadinya reaksi tumbukan
elektron. Plasma terjadi ketika suhu atau energi suatu gas dinaikkan sehingga
memungkinkan atom-atom gas terionisasi akan membuat gas tersebut melepaskan
elektron-elektronnya yang pada keadaan normal mengelilingi inti [Chen, 2002].
2. Jenis-jenis Plasma
Berdasarkan temperaturnya plasma dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis
[Held, 1994] yaitu:
a. Plasma Dingin
Plasma yang terjadi dalam keadaan ketidaksetimbangan termal (non–thermal
equilibrium) antara temperatur elektron dan gas. Temperatur elektron tinggi tetapi
temperatur partikel gas relatif rendah karena tumbukan elektron dan partikel gas
sangat kecil. Pada plasma dingin ion-ion, atom–atom, dan molekul–molekul netral
tetap berada dalam suhu sekitar 10000K. elektron–elektron dalam plasma jenis ini
mempunyai temperatur cukup tinggi sekitar 50.0000K. Aplikasi plasma dingin
sering digunakan dalam bidang mikroelektronik, pembentukan materi baru, dan
pembersihan polutan.
hal. 15 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
b. Plasma Termik
Plasma jenis ini tergolong plasma dalam keadaan ketidaksetimbangan termal (non
– thermal equilibrium). Partikel–partikel berat di dalam plasma bersuhu lebih
tinggi dari 3.0000K. Elektron dalam plasma termik ini mempunyai 5 temperatur
cukup tinggi lebih besar dari 100K. Plasma jenis ini sering digunakan untuk
pengelasan, pemotongan logam, pembersihan polutan dan lain-lain.
c. Plasma Panas
Plasma panas terjadi dalam keadaan kesetimbangan termal (thermal equilibrium).
Pada pembangkitan plasma panas distribusi energi elektron dan molekul gas
mendekati sama, karena frekuensi tumbukan antara elektron dan molekul gas
lebih besar. Plasma panas adalah plasma yang tersusun dari molekul 6 gas yang
bertemperatur tinggi. Plasma jenis ini memiliki temperatur di atas 100K. Plasma
panas digunakan untuk memproduksi energi listrik. Untuk memberikan gambaran
sebaran plasma yang terkait dengan temperatur dan densitasnya.
3. Lucutan Listrik dalam Gas
Salah satu fenomena alam tentang proses terciptanya lucutan listrik pada gas dapat
terjadi pada petir, seperti dapat dilihat pada Gambar 2.5 berikut.
Gambar 2.5: Kilat merupakan proses lucutan listrik pada gas yang
terjadi karena fenomena alam
hal. 16 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Dalam laboratorium lucutan listrik dapat dilakukan dalam tabung berisi gas.
Apabila dua buah elektroda yang berupa plat sejajar diletakkan di dalam tabung
yang berisi gas dengan tekanan tertentu dan kedua elektroda dihubungkan dengan
sumber tegangan tinggi DC, maka akan terjadi lucutan listrik di antara elektroda-
elektrodanya. Elektron dari katoda akan bergerak menuju anoda dan selama
perjalanannya elektron-elektron tersebut akan menumbuk molekul-molekul
dan/atau atom-atom gas di antara kedua elektroda. Untuk terjadinya ionisasi
berantai, tahapan pertama yang harus dilalui adalah terjadinya ionisasi yang
menghasilkan elektron. Elektron pertama ini dipercepat oleh beda potensial antara
dua elektroda plat dalam tabung lucutan tersebut. Dalam perjalannya elektron ini
akan menumbuk dan mengionisasi atom atau molekul gas lain, demikian
seterusnya. Proses tumbukan beruntun tersebut akan menghasilkan guguran
elektronik dan dapat mengakibatkan terjadinya ionisasi berantai. Ilustrasi tabung
lucutan gas dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut.
Gambar 2.6: Tabung lucutan gas [Guntoro, 2013]
Pada tegangan rendah elektron-elektron tidak banyak berpengaruh pada atom-
atom gas, karena hanya sedikit terjadi ionisasi dan elektron-elektron yang
dihasilkan tidak banyak menambah arus. Dengan menaikkan tegangan maka
partikel gas, elektron dan ion yang telah terjadi mendapat tambahan energi, dan
melipat gandakan peristiwa ionisasi, sehingga arus listrik naik terhadap tegangan,
daerah ini disebut lucutan Townsend (Townsend discharge).
katoda (-) anoda (+)
sumber tegangan tinggi
hal. 17 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Dengan menaikan tegangan terus-menerus, elektron-elektron yang bergerak
menuju anoda memiliki energi yang cukup untuk mengionisasi partikel gas yang
ditumbuknya. Proses ionisasi semakin sering dan banyak terjadi, sehingga terjadi
pelipatan elektronik. Ion-ion yang dihasilkan akan dipercepat oleh medan listrik
dan pada akhirnya akan menumbuk katoda. Tumbukan ion tersebut menghasilkan
elektron yang dipancarkan oleh katoda melalui efek fotolistrik, elektron hasil
tumbukan itu disebut elektron sekunder. Penyebab munculnya elektron berbeda
dari elektron hasil ionisasi yang disebut elektron primer.
Pada suatu nilai tegangan tertentu akan terlihat adanya pancaran (emission)
cahaya pada katoda. Pancaran yang terjadi pada katoda akibat rekombinansi
antara ion gas dan elektron sekunder dan akibat panas bramstrahlung ion pada
katoda. Dalam gas sendiri terjadi perubahan yang menyebabkan gas
berangsurangsur menjadi penghantar, keadaan ini disebut dadal (breakdown).
Setelah keadaan dadal pijaran katoda yang disebabkan oleh tumbukan-tumbukan
ion dan emisi elektron sekunder akan menimbulkan kenaikan arus, kondisi ini
disebut lucutan normal (normal discharge). Pada keadaan ini proses ionisasi akan
terjadi secara berantai dan tidak lagi memerlukan penambahan tegangan dari luar
untuk terjadinya ionisasi. Setelah permukaan katoda seluruhnya berpijar, tegangan
dan arus listrik akan naik secara simultan dan keadaan ini disebut lucutan
abnormal (abnormal discharge). Apabila tegangan terus dinaikkan maka katoda
akan semakin panas yang disebabkan tumbukan ion berenergi tinggi dan proses
ini menjadi dominan untuk memproduksi elektron. Dalam hal ini tegangan
lucutan menjadi menurun dan arus listrik meningkat, kondisi ini disebut lucutan
arc (arc discharge). Lucutan arc tidak memerlukan lagi penambahan tegangan
untuk mendukung lucutan, karena pada katoda akan terpancar elektron-elektron
sekunder terus-menerus yang disebabkan proses thermionik.
hal. 18 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
4. Jenis-jenis Lucutan Listrik dalam Gas
Lucutan listrik gas dapat diklasifikasikan menjadi dua, yaitu :
a. Lucutan tak mandiri (non-self-sustained)
proses terjadinya ionisasi masih memerlukan energi eksternal dari sistem. Lucutan
yang termasuk lucutan tak mandiri adalah lucutan Townsend.
b. Lucutan mandiri (self-sustained)
proses lucutan tanpa memerlukan tegangan atau energi dari luar, misalnya lucutan
mandiri adalah lucutan pijar normal, lucutan pijar abnormal dan lucutan arc.
Lucutan korona termasuk lucutan mandiri (self-sustained) yang merupakan suatu
kasus khusus. Lucutan korona terbentuk pada medan listrik tak seragam (non
uniform) yang kuat antar elektroda. Lucutan korona dipertahankan pada kuat
medan tertentu, sehingga kuat medan tersebut belum cukup kuat untuk terjadi
lucutan arc. Medan listrik tidak seragam dapat dibentuk dengan membuat
konfigurasi geometri elektroda yang berbeda misal: titik-bidang, kawat-bidang
dan pisau silinder. Dalam lucutan korona sering juga disebut plasma lucutan pijar
korona, antara dua elektroda terdapat dua daerah yaitu: daerah ionisasi (ionization
region) dan daerah aliran (drift region). Daerah ionisasi terletak disekitar
elektroda aktif sedangkan daerah aliran merupakan daerah selain daerah ionisasi
yang berada di antara kedua elektroda. Elektroda aktif adalah elektroda yang
mempunyai intensitas medan listrik yang tinggi. Untuk konfigurasi elektroda titik
bidang (point-to-plane) plasma lucutan pijar korona terjadi pada elektroda aktif
yaitu pada elektroda titik (point). Plasma lucutan pijar korona yang terjadi dapat
disebut korona positif atau korona negatif. Jenis lucutan korona ini ditentukan
oleh polaritas tegangan yang diberikan pada elektroda aktif.
Plasma lucutan pijar korona positif dapat dibentuk dengan memberikan polaritas
positif pada elektroda titik. Elektron-elektron yang bergerak dari katoda menuju
anoda akan dapat mengionisasi atom-atom atau molekul gas di antara elektroda.
Ionisasi terjadi di sekitar elektroda titik, karena pengaruh medan listrik ion-ion
hal. 19 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
hasil ionisasi akan mengalir atau bergerak menuju katoda melalui daerah aliran
(drift region). Aliran ion-ion ini akan menimbulkan arus ion yang disebut arus
saturasi unipolar. Daerah ionisasi dan daerah aliran plasma lucutan listrik korona
[Nur, 2011] seperti ditunjukan pada Gambar 2.7 berikut.
Gambar 2.7: Daerah ionisasi dan aliran plasma pada lucutan korona
Untuk konfigurasi sistem elektroda hiperbolik-bidang (hiperbolid-plane) yang
merupakan pendekatan untuk konfigurasi titik-bidang (point-to-plane) arus
saturasi unipolar diberikan persamaan (2.1) berikut.
d
VI o
s
22 (2.1)
Dengan Is adalah arus saturasi unipolar ion; V adalah tegangan korona; μ adalah
mobilitas ion unipolar; εo permitivitas ruang hampa dan d adalah jarak antar
elektroda. Arus ion-ion pada korona positif adalah ion yang bermuatan positif.
Plasma lucutan korona negatif dapat dibentuk dengan memberi polaritas negatif
pada elektroda titik. Hal yang membedakan dengan korona positif adalah ion yang
mengalir melalui daerah aliran merupakan ion-ion yang bermuatan negatif. Ion-
ion bermuatan negatif terbentuk karena di dalam udara terdapat molekul
elektronegatif, yaitu atom oksigen, yang mempunyai sifat sangat mudah 2
menangkap elektron.
hal. 20 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
C. MEDAN LISTRIK DAN PROSES TERJADINYA PLASMA
1. Medan Listrik pada Elektroda Titik-Bidang
Medan listrik yang tak seragam (non uniform) karena adanya perbedaan geometri
antara elektroda (titik-bidang) menimbulkan medan listrik yang kuat di sekitar
ujung elektroda titik. Kuat medan listrik antar elektroda merupakan fungsi dari
jarak (x) antar elektroda. Besar kuat medan listrik ditunjukan dalam persamaan
(2.2) berikut.
r
d
d
xxr
VxE
21ln2
22
(2.2)
Dengan V adalah tegangan pada elektroda, r adalah jari-jari ujung elektroda titik,
d adalah jarak antar elektroda dan x jarak ujung elektroda titik dengan sebuah titik
yang berjarak x tertentu diantara kedua elektroda. Dengan demikian apabila x = 0
(di ujung elektroda titik) medan listriknya diberikan oleh persamaan (2.3) berikut.
r
dr
VxE
21ln
2 (2.3)
Dari persamaan-persamaan (2.2) dan (2.3) di atas dapat dideskripsikan grafik kuat
medan listrik sebagai fungsi jarak seperti diperlihatkan pada Gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8: Kuat medan listrik E(x) sebagai fungsi jarak
E(x)
katoda (-)
anoda (+)
x
x
hal. 21 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
2. Proses terjadinya Plasma
Plasma merupakan gas yang terionisasi, peristiwa ionisasi selalu ada pada proses
terjadinya plasma. Ionisasi didefinisikan sebagai proses terlepasnya elektron suatu
atom atau molekul dari ikatannya. Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan satu
atau lebih elektron dari orbitnya pada atom atau molekul dapat didefinisikan
sebagai energi ionisasi E. Besarnya energi ionisasi dinyatakan i dalam satuan
elektron-volt (eV). Dalam keadaan stabil ionisasi dapat terjadi apabila energi
elektron yang menumbuk lebih besar atau sama dengan energi ionisasi atom atau
molekul tertumbuk dapat ditulis dalam persamaan (2.4) berikut.
221 eVvm ee (2.4)
dengan m adalah massa elekton, v adalah kecepatan electron, e adalah muatan
elektron, dan V adalah potensial listrik ionisasi atom atau molekul. Pada proses
tumbukan antara elektron dengan partikel-partikel gas tidak hanya proses ionisasi
yang terjadi tetapi juga menyebabkan peristiwa-peristiwa yang lainnya. Kebalikan
dari proses ionisasi adalah proses rekombinasi. Rekombinasi terjadi dengan cara
pengikatan elektron oleh ion dan pengikatan antar atom menjadi molekul sehingga
menjadi spesies netral atau ion negatif yang disertai pemancaran foton.
Derajat ionisasi adalah suatu parameter penting sebagai acuan dalam
pengklasifikasian plasma. Apapun cara untuk memproduksi plasma, yang sangat
menentukan karakter plasma yang terbentuk adalah derajat ionisasinya, seperti
dinyatakan dalam persamaan (2.5) berikut.
nnn oi (2.5)
dengan n adalah densitas partikel bermuatan, no merupakan densitas partikel
netral. Untuk derajat ionisasi yang lebih kecil dari 10-4
, diklasifikasikan sebagai
gas terionisasi rendah. Di atas harga batas ini, gas dapat dianggap sebagai gas
terionisasi tinggi. Dalam gas terionisasi rendah, interaksi antara partikel adalah
interaksi binaire. Kadang-kadang karena rendahnya densitas partikel-partikel
bermuatan dibandingkan partikel-partikel netral, tumbukan antar partikel
bermuatan sering dapat diabaikan. Dinamika partikel-partikel bermuatan
hal. 22 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
ditentukan oleh tumbukan antara elektron-partikel netral dan ion-partikel netral.
Selain itu, akibat dari perbedaan massa antara sebuah elektron dan partikel netral,
tumbukan antara elektron dengan sebuah partikel netral tanpa pertukaran energi
yang cukup berarti sebagai hasilnya hanya arah gerak elektron saja yang berubah.
Jadi, dapat disebutkan bahwa elektron-elektron mempunyai suatu temperatur
kesetimbangan antar sesamanya yakni temperatur elektronik Te, yang lainnya ion-
ion dan partikel-partikel netral dengan massa yang hampir sama mempunyai suatu
temperatur kesetimbangan yang lain pula To=T. Dalam gas yang terionisasi tinggi
interaksi-interaksi antara partikel-partikel memegang peranan sangat penting.
Gerakan-gerakan elektron-elektron dan ionion terkendali dengan gaya coulomb
menimbulkan efek-efek kolektif.
Prinsip teknologi plasma sebagai pereduksi polutan (cleaning technology) dalam
menghancurkan kandungan oksida polutan relatif mudah dipahami. Plasma yang
terbentuk dari kumpulan elektron bebas, ion, dan atom bebas bersifat konduktor
sehingga terjadi lucutan listrik. Mengalirnya arus listrik tersebut menunjukkan
akan adanya ionisasi yang mengakibatkan terbentuknya ion serta elektron di
antara dua elektroda tersebut. Semakin besar tegangan listrik yang diberikan pada
elektroda, akan semakin banyak pula jumlah ion dan elektron yang terbentuk.
Aksi reaksi pada ion dan elektron dalam plasma seperti reaksi ionisasi, eksitasi,
dan disosiasi dengan udara bebas di sekitarnya menyebabkan terbentuknya unsur
aktif seperti radikal primer yaitu: nitrogen (N), oksigen (O), hidroksil (OH), dan
hidrogen (H) maupun radikal sekunder seperti: ozon (O3), dan hidrogen dioksida
(HO2) yang mempunyai sifat sangat mudah bereaksi dengan senyawa-senyawa
yang ada di sekitarnya [Eichwald, 2000]. Partikel-partikel aktif yang terbentuk ini
selanjutnya bereaksi dengan gas-gas toksik seperti oksida-oksida karbon, sulfur,
dan nitrogen maupun mikropartikel lainnya seperti virus, bakteri, jamur, dan bau
asap rokok, yang kemudian mengubah serta menguraikannya [Penetrante, 2002].
hal. 23 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
D. PEMODELAN DINAMIKA GAS
1. Persamaan Evolusi Kerapatan
Evolusi kerapatan campuran gas reaktif netral, tanpa transport konventif, dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut.
n
t
j + div n Tj jV ( ) = Sj(T) (2-6)
dengan nj merupakan kerapatan unsur j, nj/t adalah nilai variasi waktu, T adalah
temperatur gas, div{njVj(T)}adalah transport difusif pada kecepatan Vj(T) unsur j;
njVj merupakan fluks difusif spesies kimiawi dalam campuran gas dan Sj(T)
adalah nilai variasi dari nj yang disebabkan oleh kinetik kimiawi.
Evolusi gas reaktif dilakukan melalui resolusi (np-1) dari persamaan (2-6) di mana
np adalah jumlah unsur kimia yang menyusun campuran gas. Kerapatan total n
dari gas diberikan oleh formulasi klasik dari gas ideal pada persamaan berikut.
P = nkBT (2-7)
dengan:
n = n j
j
np
1
(2-8)
P merupakan tekanan yang dinyatakan dalam Pascal, sedangkan kB konstanta
Boltzmann dan T adalah temperatur mutlak yang dinyatakan dalam Kelvin.
2. Persamaan Temperatur Gas
Variasi temperatur gas merupakan hasil transfer energi thermik dari partikel-
partikel bermuatan menuju partikel-partikel netral. Transfer ini dapat dilakukan
dengan dua cara. Tumbukan elastis antara partikel-partikel bermuatan dan
partikel-partikel netral secara langsung memanaskan gas, sementara itu tumbukan
tidak elastis mengubah energi internal atom-atom dan molekul-molekul netral.
Energi eksitasi elektronik dan energi eksitasi vibrasionel berada di bawah bentuk
energi thermik dengan jangka waktu tertentu. Dalam kaitan ini hipotesis yang
hal. 24 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
dapat diterima adalah relaksasi berbagai unsur tereksitasi elektronik pada keadaan
radiatif seketika. Sebaliknya dalam memperhitungkan panas terlambat, yang
disebabkan oleh relaksasi pada keadaan tereksitasi vibrasionel dalam energi
thermik harus memasangkan persamaan evolusi temperatur gas dengan persamaan
evolusi kerapatan energi rata-rata v dari atom dan molekul pada keadaan
tereksitasi vibrasionel. Dengan demikian, dapat diperoleh sistem persamaan
[Creyghton, 1994] berikut.
C T
tf f div T T
p
ex tv
v
J.E grad (2-9)
vv
v
vtf J.E (2-10)
adalah kerapatan massa gas, Cp kapasitas kalor pada tekanan tetap, J rapat arus,
E medan listrik, koefisien konduktivitas thermik dari campuran, dan v waktu
rata-rata relaksasi dari energi eksitasi vibrasionel dalam gas sebagai energi
thermik. ft merupakan fraksi kerapatan daya total J.E yang dikonsumsi oleh
tumbukan elastis, fex fraksi energi yang digunakan oleh proses eksitasi elektronik,
dan fv adalah fraksi energi yang dipakai oleh proses eksitasi vibrasionel.
E. Pemodelan Kinetik Kimiawi
1. Transport Massa Difusif
Transport massa difusif dari setiap unsur kimia memiliki efek penting pada
reaktivitas gas yang terlokalisasi pada suatu ruang. Sebaliknya kinetik kimiawi
yang mengubah konsentrasi unsur dalam campuran, arus imbas difusif bergerak
dari daerah yang kuat konsentrasinya menuju daerah yang lebih lemah
konsentrasinya. Hubungan dari fenomena-fenomena ini menambah kuatnya
pasangan antar persamaan konservasi kerapatan setiap unsur sehingga
menunjukkan pentingnya modelisasi dari massa difusif njVj(T).
hal. 25 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Teori kinetik gas menunjukkan bahwa fluks massa difusif dari suatu unsur dalam
campuran gas adalah proses dari tiga mekanisme berikut ini. Mekanisme pertama,
berhubungan dengan keberadaan gradien konsentrasi. Kedua, menunjukkan
bahwa pergerakan difusif dapat terjadi pada campuran gas yang disebabkan oleh
gradien tekanan (kekuatan tekanan tidak memengaruhi massa dan konsentrasi
molekul). Sedangkan mekanisme ketiga, berhubungan dengan keberadaan gradien
temperatur (efek Soret).
Dalam kaitan ini, difusi massa berasal dari gradien konsentrasi yang akan
memperhitungkan dua mekanisme lainnya yang efeknya tidak dapat diabaikan
sebab hanya terjadi pada kasus-kasus yang sangat spesifik seperti gelombang
tumbukan. Paragraf selanjutnya akan menjelaskan tentang linearisasi fenomena
transport yang mengendalikan kecepatan difusi unsur-unsur yang proporsional
pada gradien konsentrasi unsur tersebut. Koefisien proporsional dinamakan
koefisien difusi unsur dalam campuran. Koefisien ini khususnya tergantung pada
temperatur, tekanan, dan kerapatan gas.
2. Koefisien Difusi Unsur j dalam Campuran Gas
Fluks difusi massa dari unsur j dalam campuran gas dinyatakan dengan persamaan
[Hirschfelder, 1954] berikut.
jk
jkk
jk
jkkk
j
jk
jkk
jjj
TDn
TDTn
nTDnn
rnTn
V
V
(2-11)
nj dan nk masing-masing merupakan kerapatan dari unsur-unsur j dan k, r adalah
arah ruang yang membawa gradien konsentrasi dari unsur j dan Sj(T) adalah
koefisien difusi j dalam campuran binair j, k. Bobot dari term kedua persamaan
(2-11) tidak dapat diabaikan jika konsentrasi unsur j dalam campuran relatif
lemah. Dalam hal ini, fluks difusi proporsional pada gradien kerapatan dinyatakan
oleh hubungan berikut.
hal. 26 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
jk
jkk
jjj
TDnn
rnTn
V (2-12)
Koefisien proporsional dinamakan koefisien difusi Dj(T) dari unsur j dalam
campuran. Pernyataannya diberikan oleh hukum Blanc berikut ini:
1
jkjk
kj
TD
nnTD (2-13)
Penerapan persamaan (2-11) cukup kompleks sebab persamaan ini diperlukan
setiap saat pada perhitungan logaritma dengan acuan dua dimensi np (np adalah
jumlah unsur dalam campuran gas). Oleh karena itu persamaan (2-13) dipilih
untuk setiap unsur dengan konsentrasi campuran yang relatif lemah dan
digunakannya hukum gas ideal untuk menghitung konsentrasi sebagian besar
unsur.
Dari persamaan (2-12) dapat diperoleh besarnya kecepatan difusi dari unsur j
dalam campuran sebagai berikut.
rn
TDn
Tj
jj
j
)(1V (2-14)
Penting diperhatikan bahwa untuk koefisien Dj(T) dan gradien konsentrasi nj/t
hampir identik, serta kecepatan difusi dari suatu unsur dalam campuran gas lebih
lemah daripada kerapatan nj yang relatif tinggi.
3. Koefisien Difusi Binair
Hukum Blanc diperlukan untuk menghitung koefisien-koefisien difusi binair
Djk(T). Koefisien-koefisien difusi ini diberikan oleh teori kinetik gas dengan
mengandaikan bahwa potensial interaksi antara dua partikel j dan k dalam
campuran binair merupakan tipe Lennard-Jones 12-6. Dalam hal ini, Djk(T)
diberikan oleh hubungan [Hirschfelder, 1954] berikut.
hal. 27 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
)(
2/)(0026280.0
**2
3
jkjkjka
kjkjjk
TP
MMMMTTD
(2-15)
Pa adalah tekanan total gas yang dinyatakan dalam atmosfir, Mj dan Mk massa
molar dari unsur j dan k, jk*(Tjk
*) integral kecil dari tumbukan sebagai fungsi
temperatur rendah Tjk*
= kBT/jk. jk dan jk adalah parameter-parameter (energi
dan diameter tumbukan) dari potensial interaksi partikel j dan k dalam campuran
binair j dan k.
Nilai-nilai jk dan jk dihitung dengan menggunakan hukum empiris sebagai
fungsi parameter-parameter j, k dan j, k dari potensial interaksi partikel dalam
campuran gas murni respektif. Hukum-hukum empiris ini memberikan hubungan
[Hirschfelder, 1954] berikut.
jk = j k (2-16)
jk = 1
2(j+k) (2-17)
Formula-formula yang memberikan jk dan jk berlaku untuk interaksi antara dua
molekul yang tidak mempresentasikan momen dipolair permanen (interaksi antara
non polaire-non polaire). Formula tersebut harus dikalikan dengan faktor koreksi
pada interaksi polaire-non polaire atau polaire-polaire. Perkiraan faktor koreksi
tersebut memberikan nilai yang sangat mendekati nilai tunggal.
Potensial Lennard-Jones bukan hanya digunakan untuk pendekatan potensial real
interaksi antara dua partikel. Dari keadaan ini, pasangan nilai dan tidak cukup
untuk memperhitungkan variasi koefisien transport makroskopik dari gas murni
pada interval temperatur yang relatif tinggi. Pilihan pasangan nilai dan harus
dilakukan di sekitar temperatur rata-rata mendekati kondisi yang digunakan pada
kajian ini.
hal. 28 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
4. Reaktivitas Campuran Gas
Reaktivitas gas diperhitungkan pada term sumber Sj(T) dari persamaan konservasi
kerapatan (2-6). Model kinetik kimiawi ini dibatasi oleh skema reaksionel yang
mengendalikan fase kedua, yang terjadi setelah melalui lintasan discharge dan
sebelum penambahan basa.
Dalam hal di mana reaksi kimia merupakan reaksi-reaksi dua unsur, Sj(T)
diberikan pada saat t oleh hubungan:
Sj(T) = k T n nq p
( ) (2-18)
k(T) adalah koefisien reaksi dari reaksi kimia nomor dan (nqnp) merupakan
hasil kerapatan dari unsur-unsur q dan p yang bereaksi dalam reaksi . Tanda
positif dan negatif pada persamaan reaksi (2-18) bersesuaian dengan pembentukan
atau penghancuran unsur j. Reaksi tiga utama diperoleh dari hasil tiga kerapatan
unsur-unsur dalam reaksi tersebut. Koefisien reaksi dapat ditulis dalam bentuk
hubungan Arrhenius berikut.
k T KT T exp / (2-19)
K, , dan masing-masing merupakan koefisien penyesuaian ( adalah energi
aktivasi reaksi). T adalah temperatur absolut dari unsur paling “panas” yang
berasal dari sebelah kiri reaksi kimia . Dalam kaitan ini yang dimaksud dengan
temperatur adalah temperatur gas.
Persamaan (2-19) menunjukkan bahwa koefisien-koefisien tertentu dari suatu
reaksi tergantung secara eksponensial pada temperatur gas. Dalam keadaan ini,
term sumber Sj(T) sangat sensitif terhadap setiap perubahan temperatur yang
mengakibatkan kuatnya variasi nilai produksi dan disparisi dari unsur j. Hal ini
akan memengaruhi secara langsung dinamika gas yang disebabkan oleh sangat
kuatnya hubungan antara persamaan-persamaan konservasi dari ruang reaktif
seperti ditunjukkan pada persamaan (2-6) sampai dengan persamaan (2-10).
Kompleksitas model kinetik kimiawi berasal juga dari karakteristik skala waktu
hal. 29 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
yang berbeda pada setiap reaksi kimia. Dari keadaan ini, evolusi koheren dari
sistem persamaan harus didasarkan pada skala waktu paling kecil untuk
memadukan cepatnya variasi dari unsur-unsur tertentu.
5. Konduktivitas Thermik Gas
Temperatur pada setiap unsur dimisalkan identik dengan temperatur gas
pembakaran yang diamati. Karakteristik thermik baik konduktivitas thermik
maupun kapasitas kalor pada molekul mayoritas gas rata-rata relatif stabil. Secara
sederhana dapat dikatakan bahwa udara hanya terpolusi oleh oksida NO dengan
konsentrasi awal yang relatif rendah. Variasi konduktivitas thermik gas sebagai
fungsi temperatur mutlak (T) diberikan oleh hubungan [Plooster, 1971] berikut.
(T) = 2.6405 10-4
T - 5.6216 10-2
(2-20)
dengan: (T) dinyatakan dalam Wm-1
K-1
Sedangkan variasi kapasitas kalor pada tekanan konstan sebagai fungsi temperatur
absolut Cp(T) diberikan oleh hubungan [Sacadura, 1978] berikut.
Cp(T) = 1059.23621 - 0.43698 T + 0.00101 T2 - 5.08677 10
-7 T
3 (2-21)
dengan: Cp(T) dinyatakan dalam JKg-1
K-1
hal. 30 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
A. TUJUAN DAN KONTRIBUSI PENELITIAN
Penelitian ini sangat penting dan urgen dilakukan dalam mengatasi permasalahan
isu lingkungan hidup yang disebabkan oleh moda transportasi jalan. Penelitian ini
dimaksudkan untuk memberikan pemahaman yang jelas tentang pentingnya
proses evolusi penghancuran NOx. Pengembangan model simulasi dua dimensi
akan menjelaskan dengan lebih tepat bagaimana radikal dan oksida diciptakan
atau dihancurkan pada kanal ionisasi. Model simulasi yang memadukan dinamika
gas dan reaktivitas campuran akan dapat memberikan pemahaman menyeluruh
antar hubungan tersebut sehingga memungkinkan dilakukannya optimasi
penghancuran oksida NOx pada suatu reaktor melalui rekayasa plasma guna
mewujudkan moda transportasi jalan bebas polusi dalam sudut pandang
pembangunan transportasi berkelanjutan.
Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi di berbagai bidang
kehidupan di antaranya adalah sebagai berikut.
1. Bidang transportasi: hasil penelitian diharapkan dapat menciptakan moda
transportasi rendah polusi dalam perspektif pembangunan transportasi
berkelanjutan.
2. Bidang lingkungan hidup: memberikan solusi tentang bagaimana mengelola
lingkungan udara yang bersih dalam upaya menjaga kelestarian alam.
3. Bidang iptek: memberikan sumbangan penting dalam memperkaya khasanah
iptek untuk meningkatkan daya saing bangsa; dan
4. Bidang kesehatan masyarakat: menanggulangi berbagai penyakit yang
disebabkan pencemaran udara seperti paru-paru, bronkhitis, infeksi saluran
pernafasan dan sebagainya.
hal. 31 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
B. MANFAAT HASIL PENELITIAN
Kajian manfaat hasil penelitian ini dapat dideskripsikan dengan pola pikir seperti
ditunjukkan pada Gambar 3.1 berikut.
PEMANFAATAN TEKNOLOGI PLASMA
MASUKAN LUARAN DAMPAK
Teknologi plasma sebagai cleaning
technology pereduksi polutan
Kondisi polutan Terciptanya sarana transportasi Kondisi polutan Pembangunan
emisi gas buang rendah polusi emisi gas buang sarana
transportasi transportasi transportasi
jalan saat jalan yang jalan rendah
ini Tuntutan masyarakat pada diharapkan polusi
lingkungan udara bersih dan sehat
Kemauan politik pemerintah dalam
mengurangi dampak polutan
TANTANGAN DAN PELUANG
Gambar 3.1. Alur kajian manfaat hasil penelitian
Polutan emisi gas buang sarana transportasi jalan, khususnya yang berada di kota-
kota besar di Indonesia, saat ini memberikan dampak negatif bagi kesehatan dan
lingkungan. Teknologi plasma sebagai cleaning technology merupakan solusi
inovatif untuk mengurangi polutan gas buang sehingga diharapkan tercipta sarana
transportasi jalan rendah polusi. Tantangan ke depan terkait dengan emisi polutan
transportasi jalan di antaranya adalah tuntutan masyarakat terhadap kualitas hidup
bersih dan sehat yang semakin tinggi termasuk tingkat kesehatan dan kebersihan
lingkungan. Salah satu peluang yang dapat digunakan untuk mereduksi emisi gas
buang adalah kemauan politik pemerintah untuk terus berupaya mengurangi
dampak lingkungan termasuk emisi polutan akibat transportasi jalan. Dengan
mensinergikan kekuatan teknologi, tantangan maupun peluang yang ada dalam
mereduksi emisi polutan, diharapkan terwujud sistem transportasi bebas polusi
guna mempercepat dan memperkuat pembangunan ekonomi berkelanjutan.
hal. 32 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
A. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan di Lab Fisika Terapan, Jurusan Teknik Elektro, FT, UNJ.
Penelitian ini bekerja sama dengan Dinas Perhubungan dan Dinas Lingkungan
Hidup Provinsi DKI Jakarta. Kerjasama ini dimaksudkan agar hasil penelitian
yang diperoleh sinergi dengan kebijakan dan kondisi di lapangan. Penelitian tahap
pertama direncanakan berlangsung antara bulan Januari sampai November 2015,
penelitian tahap kedua akan dilakukan di bulan yang sama pada tahun 2016.
B. Peralatan dan Bahan Penelitian
1. Perangkat keras komputer.
2. Beberapa program perangkat lunak yang terdiri dari:
MUSCL,
Superbee, CFL, dan
Advance, FCT.
3. Bahan prototipe CC (Catalytic Converter) pereduksi polutan yaitu:
Palladium (Pd), Aluminium (Al),
Platinum (Pt), Silica (Si), dan
Rhadium (Rh), Keramik.
Metode penelitian yang diterapkan pada tahun pertama ini adalah metode simulasi
dengan menerapkan MUSCL untuk memperoleh optimalisasi penghancuran
oksida-oksida nitrogen. Penerapan metode ini dilakukan sebab proses reduksi
oksida-oksida toksik ini hanya memerlukan waktu yang sangat singkat, yaitu
sekitar 1 milisekon. Sedang pada tahun kedua, metode penelitian yang dilakukan
adalah metode eksperimen dengan merancang prototipe CC pereduksi emisi gas
buang. Optimalisasi penghancuran oksida-oksida nitrogen dalam reaktor plasma
hal. 33 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
memperhitungkan 16 partikel kimia baik netral maupun tereksitasi yaitu N, O, N2,
O2, NO, O3, NO2, NO3, N2O, N2O5, N2(A3S u
+), N2(a’
1S u
-), O2(a
1D g), N(
2D),
N(2P), dan O(
1D), dengan melibatkan 110 (seratus sepuluh) reaksi-reaksi kimia
terpilih dalam campuran gas melalui MUSCL dengan kriteria kestabilan evolusi
CFL.
C. DISKRETISASI PERSAMAAN TRANSPORT
Persamaan-persamaan transport yang menyusun model kajian penelitian ini dapat
dituliskan dalam formulasi umum berikut ini.
tdiv v S (4-1)
Di mana adalah kerapatan pada transporter dan v kecepatan transport. S adalah
term sumber dari kerapatan . Penelitian ini dibatasi hanya pada kajian fenomena
pada arah ruang dengan perhitungan numerik 1D.
Perlakuan numerik dari persamaan (4-1) diselesaikan melalui diskretisasi ruang
dan waktu. Diskretisasi dilakukan dari waktu t ke t+t dengan mengandaikan
evolusi linear dari fenomena transport antara selang waktu tersebut. Diskretisasi
ruang dilakukan dengan memotong ruang elemen terbatas dan dengan
memadukan persamaan (4-1) dalam elemen-elemen volume tersebut.
Diskretisasi dari persamaan tersebut tidak dapat menghindarkan sejumlah
hipotesis tertentu sehingga menghilangkan beberapa informasi. Informasi ini di
antaranya adalah orisinalisasi fluktuasi numerik (disipasi, osilasi, dan difusi
numerik). Untuk itu diperlukan sejumlah metode numerik yang membatasi
fluktuasi-fluktuasi tersebut. Dua metode yang membedakannya adalah metode
implisit dan metode eksplisit. Metode implisit kurang memperhitungkan skala
waktu tetapi lebih mudah dilakukan pada difusi numerik. Metode eksplisit
memberikan fluktuasi yang lebih baik tetapi stabilitas kriterianya dapat
mengendalikan pengurangan skala waktu evolusi.
hal. 34 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Pada penelitian ini akan digunakan metode eksplisit yang cenderung lebih presisi
dibandingkan dengan metode implisit. Metode ini dinamakan metode Monotonic
Upstream-centred Scheme for Conservation Law disingkat M.U.S.C.L [Van Leer,
2000] yang relatif lebih efisien dan lebih sederhana dibandingkan dengan metode
lainnya seperti metode FCT [Boris, 1999].
D. DISKRETISASI METODE NUMERIK
Perhatian akan difokuskan di arah sumbu x pada tinjauan ruang. Arah ini terbelah-
belah dengan elemen volume (yang selanjutnya dinamakan maile) dari volume
dan pusatnya pada simpul ikatan i. Permukaan yang membatasi maile i pada arah
x disebut Si-1/2 dan Si+1/2.
Catatan:
Secara implisit kita akan menggunakan sistem koordinat kartesisus untuk kajian
diskretisasi 1D dari persamaan (4-1). Meski demikian, persamaan diskretisasi
akan dapat diperoleh pada akhir paragraf dan berlaku juga pada koordinat
silindris.
1. Integrasi Pertama Persamaan Transport
t t ti
t t
i
td d
(4-2)
Setelah mengintegrasikan, kita hanya akan memasukkan nilai rata-rata kerapatan
pada maile i. Kita akan kehilangan informasi pada profil kerapatan yang lebih
kecil dari volume dan terutama pada ujung-ujungnya. Hal ini akan terlihat pada
kurangnya informasi pada penentuan pertukaran fluks antar maile yang
bersebelahan.
hal. 35 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
2. Integrasi Kedua Persamaan Transport
Integrasi term div(v) pada arah x dari tinjauan ruang dapat dituliskan dengan:
v x
tx
dtd i
tS
xi i
tS
xidtdS dtdS 1 2 1 2 1 2 1 2v v
i
t
xi i i
t
xi iS dt S dt1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2v v
it
xit
i it
xit
iS t S t1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2v v (4-3)
Integrasi waktu dapat dimungkinkan dengan memisalkan bahwa kerapatan i-1/2
dan i+1/2 terjaga nilainya pada waktu t selama selang waktu t. Selama integrasi
spasial tak satupun hipotesis fluks dilakukan pada profil dalam arah
x.Meskipun demikian perhitungan kerapatan pada ujung i+1/2 dan i-1/2 dari
tiap volume hanya dilakukan dengan bantuan nilai rata-rata i ketika melakukan
integrasi term pertama. Hal ini merupakan pertentangan pada awal fluktuasi
numerik dan harus dilakukan koreksi atas metode-metode numerik tersebut.
3. Integrasi Term Sumber Persamaan Transport
Dengan mengandaikan bahwa term sumber adalah homogen pada setiap volume
dan nilainya pada waktu t selama t, diperoleh:
S S
dtd tt (4-4)
4. Diskretisasi Persamaan Transport
Akhirnya, evolusi kerapatan rata-rata i pada maile i antara waktu t dan t+t
dapat diberikan oleh persamaan berikut.
i
t t
i
tit
xit i
it
xit iS
tS
t t
1 2 1 2
1 2
1 2 1 2
1 2v v S
t (4-5)
hal. 36 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Dalam model ini, bersesuaian pada kerapatan nj dari setiap unsur dan vx pada
kecepatan difusi Vj dari setiap unsur dalam campuran gas yang telah didefinisikan
pada persamaan (4-1). Kecepatan ini pada batas xi+1/2 dari maile i diberikan oleh
persamaan:
v xit
it i
t i
t
i
t
D Tx
1 2
1 21 2
11
(4-6)
di mana D adalah koefisien difusi unsur dalam campuran dan T adalah temperatur
gas.
Catatan 1:
Seperti telah dikemukakan sebelumnya bahwa persamaan (4-5) dapat digeneralisir
pada sistem koordinat yang lain dengan permukaan S dan volume bersesuaian
pada bentuk-bentuk maile dasar geometri.
Catatan 2:
Persamaan (4-5) diaplikasikan pada persamaan sehingga dengan mengganti fluks
kerapatan div(v) dengan fluks panas div(Q), diperoleh persamaan berikut ini:
i
t t
i
tit i
it iS
tS
t t
Q Q1 2
1 2
1 2
1 2S
t (4-7)
dengan
Q it
it i
tit
TT T
x
1 2 1 2
1
et i
t
it
p it
itC T T
, , dan Cp masing-masing adalah koefisien konduktivitas thermik, kerapatan
massa, dan kapasitas kalor pada tekanan tetap.
hal. 37 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
E. METODE M.U.S.C.L
1. Profil Alur Metode M.U.S.C.L
Metode M.U.S.C.L. ini dikembangkan oleh Van Leer [Van Leer, 2000]. Untuk
membatasi perbedaan perhitungan fluks yang dituliskan pada bab sebelumnya,
metode M.U.S.C.L memisalkan variasi linear dari kerapatan dalam maile
(perhatikan Gambar 4.1 di bawah). Dengan cara demikian hipotesis ini sesuai
dengan konservasi kerapatan total dalam maile i profil i(x).
i
xi
xi
ix dx x
1 2
1 2
(4-8)
dengan i(xi)= i. Hubungan ini mengakibatkan profil linear simetris
dibandingkan dengan posisi xi dari simpul ikatan maile.
xx i
i
i
x
x i1 2 x i1 2
i1 2
i1 2
x
xi1 x i1
Gambar 4.1: Profil alur metode M.U.S.C.L
hal. 38 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Kemiringan bagian kanan i(x) dihitung dengan membatasi nilai-nilai i-1/2 dan
i+1/2 pada interval respektif i i1 , dan i i,
1 . Untuk itu, terlebih dulu perlu
menghitung dua gradien berikut.
ax
ii i
1
dan b
xi
i i
1
(4-9)
Kemiringan pi diperoleh dengan mendefinisikan profil dalam maile i melalui
hubungan:
ia,ikb,minmodi,bikaminmodmaximumiatandaip (4-10)
di mana, fungsi minmod(u,w) mengambil nilai minimum dari dua variabel u dan
w jika memiliki tanda sama dan memberikan nilai nol jika mempunyai tanda
berlawanan. Untuk maile dengan selang konstan, nilai-nilai koefisien k
mengambil nilai 1 dan 2. Roe dan Baines [Roe, 2002] menjelaskan bahwa nilai
k=2 akan memberikan hasil maile yang paling baik dan dinamakan dengan
metode M.U.S.C.L "Superbee". Dalam hal ini, profil memiliki kemiringan
maksimum di mana satu dari dua nilai kerapatan pada batas maile i sama dengan
kerapatan rata-rata dari maile yang bersebelahan.
Hasil akhir dari metode M.U.S.C.L ini dapat membangun suatu profil linear
pada interval x xi i 1 2 1 2, yang diberikan oleh pernyataan:
i i i ix p x x (4-11)
Catatan:
Untuk menghitung pertukaran fluks pada batas xi1 2 , kerapatan i1 2/ dapat
mengambil, misalnya nilai i ix 1 2/ , dan nilai i ix 1 1 2/ . Pemilihan satu atau
lainnya dari dua kerapatan ini dilakukan dengan alasan yang didasarkan pada tipe
Upwind, yang merupakan fungsi orientasi medan kecepatan pada sekeliling
hal. 39 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
daerah pertukaran. Jika vxi+1/2 adalah positif maka i+1/2= i ix 1 2/ dan jika tidak,
maka i+1/2= i ix 1 1 2/ . Demikian juga hal tersebut berlaku identik pada batas
xi-1/2.
2. Kriteria Stabilitas pada Fluks
Untuk menjamin solusi positif dan untuk membatasi munculnya osilasi numerik,
harus diambil evolusi pertukaran fluks selama t pada batas maile i di mana
partikel-partikel tersebut tidak berpindah ke tempat yang lebih tinggi yang berada
dalam maile. Hal ini seperti diperlihatkan pada Gambar 4.2 di mana kuantitas
partikel-partikel pertukaran pada batas xi+1/2 selama t diwakili oleh permukaan
yang diarsir.
x
x i1 2 x i1 2
i1 2
i1 2
v xi1 2
v xi t1 2
i
xx i
Gambar 4.2: Representasi pertukaran selama selang waktu t
Perlu diperhatikan juga bahwa kecepatan vxi+1/2 (misalnya) diperkirakan pada
batas xi+1/2. Jadi nilainya hanya dapat diterima di dekat perbatasan dan tidak dapat
diperluas pada jarak yang terlalu jauh.
hal. 40 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Dua penjelasan sebelumnya membatasi selang waktu evolusi t. Selang waktu ini
diberikan oleh Friedrich-Levy (CFL), yaitu kriteria yang memverifikasi setiap
sistem maile di setiap saat. Secara eksplisit kriteria tersebut dapat dinyatakan
dengan formulasi berikut.
v xi t
x
1 2 1
2
(4-12)
3. Metode Validasi
a. Uji Davies
Metode uji validasi pertama dilakukan dengan bantuan uji matematika Davies
[Davies, 1992] yang berupa penguatan sinyal persegi kerapatan dalam sebuah
medan kecepatan stasioner yang menunjukkan kuatnya osilasi. Uji ini
memberikan dua hal. Di satu sisi, kuatnya gradien kerapatan seperti pentingnya
osilasi medan kecepatan, harus memvalidasi metode numerik. Di sisi lain, uji ini
digunakan untuk memvalidasi sejumlah metode guna membandingkan tampilan
hasil yang diperoleh. Penjelasan uji Davies ini dapat diberikan sebagai berikut.
Persamaan konservasi (4-1) didiskretisasi tanpa term sumber dalam ruang pada
keadaan standart (x[0,1]) dari 100 maile dengan jarak yang sama dari satu titik
ke titik yang lain. Medan kecepatan bervariasi terhadap x dengan hubungan
sebagai berikut:
vx(x) = 1 + 9 {sin(x)}8 (4-13)
dan ditampilkan pada puncak maksimum x=0.5. Penyebaran awal dari kerapatan
diberikan oleh:
n(x,t=0) = 10 untuk 0.05 x 0.25
0 di tempat lain (4-14)
hal. 41 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Batas penting pada arah secara periodik, di mana setiap partikel terabsorbsi pada
batas kanan x=1, dibatasi sebelumnya oleh batas kiri x=0. Jadi, setelah satu
periode tertentu Tp diberikan oleh persamaan:
Tdx
v xp
x
0
1
(4-15)
solusi n(x,Tp) berasal dari evolusi lintasan yang secara normal berbeda dengan
penyebaran awal.
Hasil penguatan sinyal oleh metode M.U.S.C.L berorde 2 terhadap waktu dan
ruang seperti diperlihatkan pada Gambar 4.4 pada interval waktu yang berbeda.
Evolusi dilakukan dengan CFL dari 0,1. Perbandingan dengan solusi eksak
menunjukkan bahwa kekuatan gradien menyebar secara semestinya, demikian
juga difusi numerik dan disipasi numerik. Metode M.U.S.C.L ini merupakan salah
satu metode yang memberikan hasil terbaik.
x0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
5
10
15
t = T
t = 0,4 T
Gambar 4.4: Solusi numerik ( ___ ) diberikan oleh metode M.U.S.C.L
dan solusi analitik ( . . . . ) pada penguatan sinyal dari dua
waktu yang berlainan pada uji Davies
n
t = Tp
t = 0.4 Tp
hal. 42 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
b. Validasi Transport Difusif
Uji validasi transport difusif menyajikan tampilan model numerik pada situasi
yang mendekati keadaan penelitian. Pada uji ini, medan kecepatan tidak lagi
ditetapkan tetapi dihitung pada setiap saat melalui persamaan (4-6). Gambaran
dari uji validasi transport difusif seperti dijelaskan berikut ini.
Ruang ukuran standart (x[0,1]) didiskretisasi oleh 1000 maile yang sama
jaraknya dari satu titik ke titik yang lain. Penyebaran awal dari kerapatan adalah
sebagai berikut.
n(x=0,t=0) = 1
n(x,t=0) = 0 di tempat lainnya (4-16)
Dimisalkan tidak ada term sumber dari penciptaan kerapatan n selama evolusi.
Kerapatan n(x=0,t) dan n(x=1,t) masing-masing diletakkan pada 1 dan 0.
Transport difusif dari kerapatan x=0 pada x=1 ditentukan oleh persamaan (4-5)
dan koefisien difusi D pada persamaan (4-6) suatu nilai konstan 10-2
m2s
-1. Kriteria
evolusi CFL diletakkan pada 0,1.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
x
Gambar 4.5: Solusi numerik ( ___ ) diberikan oleh metode M.U.S.C.L
dan solusi analitik ( ) pada penguatan sinyal dari dua
waktu yang berlainan pada uji validasi transport difusif
n
t = 250ms
t = 50ms
t = 150ms
hal. 43 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Gambar 4.5 memperlihatkan hasil perbandingan antara solusi analitik dan solusi
numerik yang diberikan oleh metode M.U.S.C.L berorde 2 terhadap waktu dan
ruang. Perbandingan tersebut dilakukan pada berbagai waktu evolusi. Hasil yang
diperoleh ini menunjukkan keunggulan metode numerik dalam menyelesaikan
persamaan-persamaan transport difusif. Hasil terbaik dari model diperoleh jika
dilakukan pada lebih dari 100.000 iterasi waktu [Guntoro, 2012].
F. KONDISI SIMULASI
Gas pembakaran adalah udara terdiri dari 80% N2 dan 20% O2, yang mula-mula
terpolusi oleh 400ppm oksida NO. Gas tersebut berada pada tekanan atmosfir dan
temperatur ruang. Reaksi kimia dari campuran gas memperhitungkan 16 unsur-
unsur netral (atom-atom N dan O, molekul-molekul pada keadaan fundamental
N2, O2, NO, O3, NO2, NO3, N2O, N2O5, serta atom-atom dan molekul-molekul
yang tereksitasi pada keadaan metastabil N2(A3u
+), N2(a'
1u
-), O2(a
1g), N(
2D),
N(2P), O(
1D)) yang saling bereaksi antara satu dengan yang lain sehingga
melibatkan sebanyak 110 reaksi kimia terpilih. Enambelas unsur netral dan seratus
sepuluh reaksi-reaksi kimia tersebut dipilih mengingat pentingnya keterlibatan
unsur-unsur tersebut terutama yang terkait dengan penghancuran oksida-oksida
NOx. Lucutan listrik yang digunakan adalah lucutan titik-bidang (titik pada anoda
dan bidang pada katoda) dengan jarak antar elektroda sebesar 1cm.
hal. 44 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
A. PROSES TERCIPTANYA LUCUTAN LISTRIK KORONA
Untuk menjelaskan hasil penelitian yang diperoleh secara lebih rinci, berikut ini
dideskripsikan skema geometri terciptanya lucutan listrik korona dalam ruang
inter-elektroda seperti ditunjukkan pada Gambar 5.1. Pengamatan difokuskan
pada penyebaran gas netral reaktif arah tegak lurus (sumbu-r pada Gambar 5.1)
pada sumbu lucutan listrik (sumbu-z), yang berjarak 1mm dari anoda (warna
merah) dan jari-jari radial sebesar 1,5mm (warna biru muda). Daerah ini cukup
jauh dari anoda untuk mengasumsikan tidak ada tumbukan thermik yang
berpengaruh terhadap pergerakan konvektif gas.
Gambar 5.1: Skema geometris proses terciptanya lucutan listrik korona pada
konfigurasi sistem titik bidang (point-to-plane)
Sesuai dengan kondisi simulasi yang diberikan potensial pada anoda sebesar 3kV.
Ketika kondisi potensial listrik ini terpenuhi, muatan pada ruang antar elektroda
memiliki medan listrik (E) awal yang bernilai maksimum pada anoda. Medan
anoda
ruang antar elektroda tersebarnya lucutan
listrik
katoda
sumbu-r
sumbu-z
E
zona ionisasi
zona kritis
anoda
katoda zona pelemahan
hal. 45 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
listrik ini bergerak menuju katoda sehingga mampu menciptakan lucutan listrik
yang tersebar merata di sepanjang ruang yang berada di antara anoda dan katoda.
Gambar 5.2: Profil kontur gradasi potensial listrik pada ruang antar elektroda
Seperti nampak pada Gambar 5.2 dapat dianalisis bahwa magnitudo potensial
listrik berada di sekitar sumbu-z di sepanjang ruang antar elektroda yang berjarak
1mm dari anoda dengan radius 0,5mm dari sumbu-r. Besarnya potensial listrik
yang berada di dekat anoda sesuai dengan kondisi simulasi yaitu sekitar 3.000V
(3kV). Potensial ini secara perlahan-lahan mengalami penurunan pada ruang antar
elektroda dan hampir mencapai 0V pada katoda.
Gambar 5.3: Fotografi lucutan listrik selama selang waktu 1 sekon
Anoda
sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 46 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Pengembangan dan penyebaran lucutan korona hampir seluruhnya terlokalisir di
sekitar anoda. Suatu lingkaran cahaya dapat diamati di sekitar anoda seperti
terekam dalam foto yang ditunjukkan pada Gambar 5.3.
B. ANALISIS KINETIKA KIMIA PENGHANCURAN OKSIDA-OKSIDA
NITROGEN PADA FASE SETELAH LUCUTAN LISTRIK
1. Analisis Kajian Proses Pembentukan Radikal Primer dan Sekunder
Pembentukan radikal baik radikal primer maupun sekunder berperan penting pada
proses penghancuran oksida polutan NOx melalui rekayasa teknologi plasma.
Pada prinsipnya reduksi NOx pada reaktor plasma melalui tiga fase tahapan.
Timeline penghancuran NOx melalui teknologi plasma dapat dilihat pada Gambar
5.4 berikut.
Gambar 5.4: Timeline penghancuran oksida polutan NOx melalui
rekayasa teknologi plasma
Fase ke-1:
Fase Lucutan Listrik: Pembentukan radikal-radikal primer dan sekunder (O, OH, N, H, HO2, dan O3)
Fase ke-2:
Fase Setelah Lucutan Listrik: Penghancuran oksida NOx, SOx; dan penciptaan asam (H2SO4 dan HNO3)
Fase ke-3:
Penginjeksian basa untuk pembentukan garam
0-10-8
s 10-8
-10-3
s 10-3
-1s
udara bersih
waktu
hal. 47 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Fase ke-1 yang sering dikenal dengan fase lucutan listrik (discharge phase)
merupakan proses pembentukan radikal-radikal primer dan sekunder yaitu N, O,
OH, H, HO2 dan O3 yang diakibatkan oleh dampak ionik dan elektronik pada
molekul-molekul mayoritas gas nitrogen (N2) dan oksigen (O2). Fase
pembentukan radikal ini berlangsung sangat singkat sampai 10-8
sekon (sepuluh
nanosekon). Berbagai reaksi kimia dominan yang terlibat dalam pembentukan
radikal-radikal ini dapat dilihat pada Tabel 5.1 berikut.
Tabel 5.1: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses pembentukan
radikal primer dan sekunder dalam reaktor plasma
spesies muka ionisasi kanal ionisasi
N
e + N2 → e + N + N
e + N2 → 2e + N+ + N
-
O
O+
O−
e + O2 → O− + O
e + O2 → O + O + e
e + O2 → 2e + O+ + O
e + O2 → e + O + O(1D)
e + CO2 → e + CO + O
e + CO2 → 2e + CO+ + O
e + H2O → 2e + H+2 + O
e + CO2 → 2e + CO + O+
e + H2O → 2e + H2 + O+
e + CO2 → O− + CO
e + H2O → 2e + O− + H2
-
OH
OH+
e + H2O → 2e + H− + OH
e + H2O → e + OH + H
e + H2O → 2e + OH + H+
e + H2O → e + OH + H
e + H2O → e + OH + H
e + H2O → 2e + OH + H+
e + H2O → 2e + H− + OH
e + H2O → 2e + OH+ + H
e + H2O → H- + OH+
e + H2O → 2e + OH+ + H
-
O3 - O + 2O2 → O2 + O3
O + O2 + N2 → N2 + O3
hal. 48 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Pembentukan berbagai radikal primer dan sekunder pada lucutan listrik sesuai
dengan kondisi simulasi yang diberikan. Terciptanya radikal N dan O berlangsung
pada muka ionisasi yang terjadi melalui hasil reaksi antara elektron dan N2
sedangkan radikal O terbentuk melalui hasil reaksi dengan O2. Radikal O3 terjadi
pada kanal ionisasi melalui reaksi-reaksi kimia dengan N2 dan O2. Deskripsi
kinetika kimia selama fase lucutan listrik ini menjelaskan tentang bagaimana
terciptanya unsur-unsur radikal primer maupun sekunder. Informasi ini sangat
penting untuk optimalisasi proses penghancuran oksida sebab efisiensinya secara
langsung sangat tergantung pada banyaknya radikal yang tercipta.
2. Analisis Kajian Proses Pembentukan Oksida-oksida Nitrogen
Pada fase lucutan listrik ini juga terbentuk oksida-oksida polutan NOx seperti NO,
NO2, NO3, dan N2O pada kanal ionisasi yang berasal dari berbagai hasil reaksi
kimia dalam campuran gas seperti ditunjukkan pada Tabel 5.2 berikut.
Tabel 5.2: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses pembentukan
oksida-oksida nitrogen dalam reaktor plasma
spesies muka ionisasi kanal ionisasi
NO - N + O2 → NO + O
O + N + O2 → NO + O2
O + N + N2 → NO + N2
O + NO2 → NO + O2
O3 + N → NO + O2
O + N2 → NO + N
N + 2O → NO + O
2N + O → NO + N
N + O + NO → NO + NO
O3 + NO2 → NO + 2O2
N + NO2 → 2NO
NO + NO3 → 2NO + O2
N2 + NO → 2N + NO
O2 + NO → 2O + NO
2NO → N + O + NO
2N + NO → N2 + NO
O + O + NO → O2 + NO
NO2 + NO3 → NO2 + NO + O2
hal. 49 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
spesies muka ionisasi kanal ionisasi
NO2 - O + N2 + NO → NO2 + N2
O + O2 + NO → NO2 + O2
O + NO + O2 → NO2 + O2
O + NO + N2 → NO2 + N2
NO2 + NO3 → NO2 + NO + O2
O + NO3 → O2 + NO2
O3 + NO → O2 + NO2
2NO + O2 → 2NO2
NO + NO3 → 2NO2
2NO3 → 2NO2 + O2
NO3 - O + N2 + NO2 → NO3 + N2
O + O2 + NO2 → NO3 + O2
O + NO2 + O2 → NO3 + O2
O + NO2 + N2 → NO3 + N2
NO2 + O3 → NO3 + O2
N2O - N + NO2 → N2O + O
3. Kajian Proses Penghancuran Oksida-oksida Nitrogen
Fase ke-2 adalah fase setelah lucutan listrik (post-discharge phase), berlangsung
sampai 10-3
sekon (satu millisecond). Pada fase inilah terjadi penghancuran
oksida-oksida polutan NOx pada kanal ionisasi melalui berbagai reaksi kimia
seperti ditunjukkan pada Tabel 5.3 berikut.
Tabel 5.3: Berbagai reaksi kimia yang dominan pada proses penghancuran
oksida-oksida nitrogen dalam reaktor plasma
spesies muka ionisasi kanal ionisasi
NO - O + O + NO → O2 + NO
O + NO + O2 → NO2 + O2
O + NO + N2 → NO2 + N2
N + NO → N2 + O
2N + NO → N2 + NO
NO + O → O2 + N
NO + O → N + 2O
NO + N → O + 2N
N + O + NO → NO + NO
O3 + NO → O2 + NO2
NO2 - N + NO2 → N2 + O + O
N + NO2 → 2NO
hal. 50 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
spesies muka ionisasi kanal ionisasi
O + NO2 → NO + O2
O + NO2 + O2 → NO3 + O2
O + NO2 + N2 → NO3 + N2
N + NO2 → N2 + O2
O3 + NO2 → NO + 2O2
NO2 + O3 → NO3 + O2
NO3 - O + NO3 → O2 + NO2
Selama berlangsungnya proses evolusi, kerapatan radikal mencapai maksimum
bersesuaian dengan konsentrasi oksida toksik adalah minimum. Oleh sebab itu
betapa pentingnya kinetika kimia berbagai radikal pada evolusi oksida-oksida
beracun. Interaksi berbagai radikal pada proses penghancuran oksida-oksida
nitrogen melalui berbagai reaksi kimia dapat dilihat pada Gambar 5.5 berikut.
Keterangan:
1. O+NO+O2 → NO2+O2 6. O+NO2+O2 → NO3+O2 2. O+NO+N2 → NO2+N2 7. O+NO2+N2 → NO3+N2 3. O3+NO → O2+NO2 8. NO2+O3 → NO3+O2
4. N + NO2 → N2O + O 9. N+O2 → NO+O 5. O+NO2 → NO+O2 10. N+NO → N2+O
Gambar 5.5: Interaksi radikal primer N dan O serta radikal sekunder O3
pada proses penghancuran oksida-oksida nitrogen melalui berbagai reaksi kimia
O+M
O+M O
N N
N
O3
O3
NO
NO2
NO3
N2O
1 2
3
4
5 6 7
8
9
10
N2 ; O2
hal. 51 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Pada proses penghancuran oksida-oksida nitrogen ini, waktu yang diperlukan
untuk menghancurkan polutan akibat bereaksi dengan radikal aktif lebih lama
dibandingkan dengan waktu difusi antar unsur-unsur partikel kimia. Oleh sebab
itu, pengembangan radial campuran gas pada kanal lucutan listrik berpengaruh
secara signifikan terhadap kinetika kimia.
C. ANALISIS DINAMIKA CAMPURAN GAS PADA FASE SETELAH
LUCUTAN LISTRIK
1. Profil Variasi Temperatur, Kerapatan, Tekanan, dan Kecepatan Gas
Oksida polutan direduksi melalui reaksi dengan radikal-radikal aktif baik primer
maupun sekunder pada fase setelah lucutan listrik yang berlangsung antara 10ns
sampai 1ms. Pada fase ini sebagian besar energi terkonsentrasi pada sumbu-z di
sepanjang ruang antar elektroda yang berjarak 1mm dari katoda dengan radius
radial 0,5mm dari sumbu-r sesuai kondisi simulasi. Gambar (5-6, 5-7, 5-8, dan 5-
9) masing-masing merupakan profil temperatur, kerapatan, tekanan, dan
kecepatan gas untuk beberapa selang waktu dari 0,1μs sampai 1,5μs.
Figure 3-2 : Profil de la température du gaz (°K) (de 0,1 à 1,5μs)
Gambar 3.2: Profil temperatur molekul gas (°K) dari 0,1μs sampai 1,5μs
Gambar 5.6: Profil variasi temperatur molekul gas (°K) dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 1,5μs
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
0,1s 0,5s
1,5s 1,0s
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 52 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Figure 3-3 : Profil de la densité massique du gaz (kg.m-3) (de 0,1 à 1,5μs)
Gambar 3.3: Profil kerapatan gas (kg.m-3
) dari 0,1μs sampai 1,5μs
Gambar 5.7: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 1,5μs
Figure 3-4 : Profil de la pression du gaz (Pa) (de 0,1 à 1,5μs)
Gambar 5.8: Profil variasi tekanan gas (Pa) dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 1,5μs
0,1s 0,5s
1,5s 1,0s
sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
1,5s 1,0s
0,5s 0,1s
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
) su
mb
u-z
(m
m)
sum
bu
-z (
mm
) su
mb
u-z
(m
m)
hal. 53 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Figure 3-5 : Profil de la vitesse du gaz (m.s-1) (de 0,1 à 1,5μs)
Gambar 3.5: Profil kecepatan gas (ms-1
) dari 0,1μs sampai 1,5μs
Gambar 5.9: Profil variasi kecepatan gas (ms-1
) dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 1,5μs
Kondisi ini berhubungan erat dengan ekspansi gas yang datang dari anoda
melintas di sepanjang ruang antar elektroda menuju katoda dalam selang waktu
1.5μs. Tumbukan thermal yang dihasilkan dari injeksi energi menyebabkan
peningkatan suhu yang mencapai nilai maksimum sekitar 500°K di tengah sumbu
radial (lihat Gambar 5-6 pada 0,1μs). Pada awal injeksi, tumbukan thermal
dilakukan pada kerapatan gas konstan dan menimbulkan gradien tekanan yang
sangat kuat (lihat Gambar 5-8 pada 0,1μs), sehingga mampu menggerakkan
molekul-molekul gas (lihat Gambar 5-9 pada waktu yang sama). Selanjutnya
dalam waktu yang singkat terjadilah kelembaman sesuai dengan pergerakan gas,
sehingga kerapatan gas menurun menuju titik yang suhunya lebih tinggi (lihat
Gambar 5-7 pada 0,1μs). Oleh sebab itu, gelombang tekanan yang dihasilkan
berjalan merambat dan menyebar dari pusat sumbu radial ke seluruh ruang antar
elektroda menuju anoda dan katoda (lihat Gambar 5-8). Dalam pergerakannya,
gelombang ini membawa sebagian pertikel netral ke luar dari zona injeksi.
Selanjutnya, pada zona injeksi, molekul-molekul gas menyebar secara meluas
yang disebabkan oleh kenaikan temperatur. Dapat diamati juga pada Gambar 5-6
1,0s
0,1s
1,5s
0,5s
sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
) su
mb
u-z
(m
m)
sum
bu
-z (
mm
) su
mb
u-z
(m
m)
hal. 54 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
bahwa gelombang molekul gas mengalami pemanasan lokal akibat naiknya
tekanan. Di sekitar 1μs, tekanan di zona injeksi kembali homogen dan nilainya
menjadi seperti keadaan awalnya (lihat Gambar 5-8 1μs). Mulai dari 1μs,
keseimbangan suhu dan kerapatan gas di zona injeksi hanya bergantung pada
difusi thermal gas. Kecepatan dari partikel netral pada gelombang tekanan
mencapai 35ms-1
pada 0,1μs dan menurun secara bertahap menjadi 5ms-1
pada
2,5μs menjauh dari daerah zona injeksi.
2. Profil Variasi Temperatur dan Kerapatan Gas di Sekitar Anoda
Gambar 5-10 sampai 5-12 berikut ini masing-masing menunjukkan profil variasi
temperatur, tekanan, dan kerapatan gas di sekitar anoda selama selang waktu
simulasi kurang dari 1μs.
Gambar 5.10: Profil temperatur gas (°K) di sekitar anoda dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 0,6μs
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 55 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Gambar 5.11: Profil variasi tekanan gas (Pa) di sekitar anoda dari selang waktu
antara 0,1μs sampai 0,6μs
Gambar 5.12: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) di sekitar anoda dari selang
waktu antara 0,1μs sampai 0,6μs
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 56 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Dengan menginjeksikan energi pada lucutan listrik selama selang waktu 150ns
(atau 0,15μs) temperatur gas akan meningkat di sekitar anoda. Dapat dijelaskan
bahwa selang waktu penginjeksian energi tersebut mendekati waktu kelembaman
partikel netral. Oleh sebab itu, pada Gambar 5-12 untuk 0.1μs, dapat diamati di
sekitar anoda terjadi sedikit penurunan kerapatan dari 1,2 menjadi 0,9 sementara
pada saat yang sama temperatur gas mengalami peningkatan dari 300° K menjadi
lebih dari 600°K di sekitar anoda (lihat Gambar 5-10 pada waktu 0,1μs). Selama
fase pertama ini, energi yang diinjeksikan terakumulasi pada daerah di mana
pemanasan spesies netral disimpan di sekitar anoda, sehingga temperatur gas di
sekitar anoda mencapai lebih dari 800°K.
Untuk mendorong gerak molekul-molekul gas, gradien energi yang diperlukan
harus cukup tinggi untuk mengatasi kelembaman dari gas tersebut. Mulai dari
selang waktu 0,1μs, gradien tekanan (lihat Gambar 5-11 pada 0,1μs) dan gaya
terbentuk untuk mendorong aliran gas netral sehingga mampu bergerak secara
dinamis. Pada selang waktu 0,1μs dapat dilihat bahwa profil tekanan mirip dengan
temperatur gas. Fase pengembangan molekul gas dapat diamati mulai dari awal
sampai akhir lucutan listrik di atas selang waktu 0,1μs. Dapat dijelaskan bahwa
molekul gas dipanaskan oleh kompresi pada gelombang tekanan (lihat Gambar 5-
10 pada 0,6 μs dan 0,8μs). Transportasi radial maupun aksial partikel dan
kenaikan temperatur molekul gas menyebabkan penurunan kerapatan di zona
injeksi (lihat Gambar 5-12 antara 0,2 μs dan 0,8μs). Kecepatan partikel netral
dalam gelombang tekanan mencapai 20ms-1
. Penurunan kerapatan gas di zona
injeksi mampu mengkompensasi kenaikan suhu gas dan menghasilkan fenomena
depresi di sekitar sekitar anoda (lihat Gambar 5-11 pada 0,2μs).
hal. 57 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Gambar 5.13: Penguatan gelombang tekanan (Pa) antara selang waktu dari
antara 1μs sampai 4μs
Gambar 5.14: Profil variasi temperatur gas (°K) dari selang waktu
antara 1μs sampai 4μs
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 58 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
Gambar 5.15: Profil variasi kerapatan gas (kg.m-3
) dari selang waktu
antara 1μs sampai 4μs
Gambar 5-13 sampai 5-15 memberikan gambaran yang lebih menyeluruh dari
dinamika gas antara 1μs sampai 4μs. Gambar 5-14 menunjukkan profil energi
yang diinjeksikan di sepanjang kanal ionisasi. Energi ini terakumulasi di sekitar
sumbu dalam bentuk gelombang yang nampak seperti silinder yang dibentuk oleh
dua garis vertikal di kedua sisi sumbu dalam peta tekanan (Gambar 5-13) dan
suhu (Gambar 5-14). Struktur gradien tekanan yang berada di dekat anoda
menginduksi penyebaran gelombang tekanan bola yang ditumpangkan pada
tekanan silinder (lihat Gambar 5-13 sampai 5-15). Dari gambar-gambar yang telah
ditampilkan, dapat disimpulkan bahwa gelombang tekanan bola menyebar ke
seluruh ruang antar elektroda dengan sebaran rata-rata 0,36 mm per mikrosekon
dan kecepatan rata-rata sekitar 360ms-1
, yang berarti mendekati kecepatan suara di
udara pada kondisi yang sama (346ms-1
di udara pada suhu 25° C).
sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm) sumbu-r (mm)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
sum
bu
-z (
mm
)
hal. 59 Penelitian Strategis Nasional/ nAg/ FT-UNJ/ 2010
D. OPTIMALISASI PENGHANCURAN NOx MELALUI ANALISIS
KINETIKA KIMIA DAN DINAMIKA GAS
Untuk menganalisis optimalisasi reduksi oksida NOx berikut dipresentasikan hasil
simulasi spasial temporal pengaruh kinetika kimia dan dinamika gas pada
penghancuran NO. Gambar 5.16 menunjukkan evolusi radial kerapatan NO yang
berada pada jarak 1mm dari anoda. Gambar 5.16 (a) memperhitungkan kinetika
kimia, dan Gambar 5.16 (b) memperhitungkan dinamika gas yang merupakan
paduan simulasi antara kinetika kimia, fenomena difusi, dan variasi temperatur
gas. Sumbu mendatar adalah jarak radial dari sumbu discharge, dan sumbu
vertikal merupakan skala logaritma waktu mulai yang dari 10ns sampai dengan
1ms. Grafik warna bertingkat bersesuaian dengan skala linear dari nilai kerapatan,
yang dinyatakan dalam persentase nilai maksimum selama berlangsungnya proses
evolusi. Nilai kerapatan maksimum dan minimum dinyatakan dalam ppm.
0 100 200 300 400 500-8
-7
-6
-5
-4
-3
010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.0
r [µm]
log(t
), t
[s]
0 100 200 300 400 500-8
-7
-6
-5
-4
-3
010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00100.0
r [µm]
log(t
), t
[s]
Gambar 5.16: Evolusi kerapatan NO dalam persentase dari nilai maksimumnya
(a). tanpa memperhitungkan dinamika gas (nmax=400ppm ; nmin=0,595ppm)
(b). dengan memperhitungkan dinamika gas (nmax=400ppm ; nmin=1,125ppm)
(a) (b)
hal. 60 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
1. Reduksi NOx melalui Analisis Kinetika Kimia setelah Discharge
Bagian ini akan menganalisis model simulasi hasil penelitian, yang mengacu pada
Gambar 5.16 (a) di mana hanya memperhitungkan kinetik kimiawi dalam evolusi
berbagai unsur. Penjelasan hasil penelitian optimalisasi penghancuran NOx
melalui analisis kinetika kimia memberikan beberapa hal penting berikut.
Pencapaian nilai maksimum kerapatan radikal N, O3, dan O lebih besar
daripada kerapatan maksimal NO (400ppm). Hal ini memungkinkan reduksi
oksida nitrogen secara optimal melalui reaksi dengan radikal-radikal aktif.
Selama berlangsungnya evolusi, daerah di mana kerapatan berbagai radikal
mencapai maksimum bersesuaian dengan daerah di mana konsentrasi oksida-
oksida polutan adalah minimum. Beberapa radikal terkonsentrasi pada kanal
ionisasi tidak jauh dari sumbu discharge. Kerapatannya berkurang sepanjang
sumbu discharge dan mencapai nilai yang lebih rendah 10% dari nilai
maksimalnya untuk jarak radial sekitar 150µm.
Kuatnya konsentrasi radikal N berperan sangat penting terhadap kinetika
kimia, terutama melalui reaksi N+NON2+O. Reaksi kimia ini bertanggung
jawab terhadap penghancuran NO selama selang waktu simulasi.
Bobot reaksi kimia sangat berperan dalam evolusi setiap unsur gas ketika
pengaruh kinetika kimia diperhitungkan. Bobot reaksi N+NON2+O dapat
menghancurkan NO hingga mencapai 100% selama selang waktu 20ns
sampai 1µs sehingga hanya tersisa sekitar 50% pada 1ms. Dengan demikian,
kerapatan NO pada sumbu discharge turun secara drastis dari 400ppm
menjadi 0,6ppm dari interval waktu 10ns sampai 1ms.
Penghancuran oksida NO ini melebar melampaui sumbu discharge. Setelah
1µs, daerah penghancuran NO lebih kecil 10% dari nilai maksimalnya dan
melebar pada jari-jari sampai sejauh 150µm. Dapat dicatat juga pentingnya
reaksi N+NON2+O pada kanal ionisasi, dalam menghindari masuk ke
dalam suatu siklus pengurangan oksida dengan NO. Siklus yang sama dapat
membatasi penghancuran NO sebab memungkinkan untuk menjaga kerapatan
populasi oksida tersebut. Dapat dijelaskan bahwa siklus penghancuran oksida
hal. 61 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
muncul juga pada ujung kanal ionisasi. Setelah 1µs, daerah di mana kerapatan
NO kurang dari 10% dari nilai maksimumnya melebar di sepanjang jari-jari
sampai sejauh 150µm.
Kontribusi NO pada reaksi N+NON2+O mengakibatkan berkurangnya
kerapatan atom N pada kanal ionisasi selama selang waktu simulasi dari 10ns
sampai 1µs. Reaksi kimia tersebut juga memberikan sumbangan pada
penciptaan kerapatan radikal O pada kanal ionsasi dari selang waktu 10ns
sampai 1µs. Pada jarak radial kurang dari 150µm, kerapatan NO terlalu lemah
untuk mempengaruhi secara signifikan pembentukan NO2 melalui reaksi
O3+NOO2+NO2.
2. Reduksi NOx melalui Analisis Pengaruh Dinamika Gas
Dinamika gas merupakan paduan fenomena difusi berbagai unsur dan variasi
temperatur gas dengan mengandaikan tekanan tetap selama berlangsungnya
proses evolusi. Penjelasan hasil penelitian optimalisasi penghancuran NOx
melalui analisis dinamika gas memberikan beberapa hal penting berikut.
Difusi massa merupakan proses perpindahan atom dan molekul dari daerah
yang konsentrasinya lebih kuat menuju daerah yang konsentrasi lebih lemah.
Perpindahan ini dapat menjelaskan suatu reaktivitas kimia di daerah lembam
ketika pengaruh kinetika kimia diperhitungkan.
Variasi temperatur gas memiliki tiga konsekuensi. Pertama, mengubah daya
guna atau efikasitas koefisien reaksi kimia sebagai fungsi temperatur. Kedua,
menyebabkan penurunan kerapatan gas, pengurangan efikasitas reaksi kimia
utama, dan mempengaruhi setiap reaksi yang melibatkan molekul-molekul
mayoritas gas (N2 dan O2). Ketiga, variasi temperatur dapat mengubah
koefisien difusi berbagai unsur dalam campuran gas. Dalam kondisi simulasi
ini, setiap kenaikan temperatur gas sebesar 30°K mengakibatkan pertambahan
koefisien difusi sekitar 10%.
hal. 62 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Reduksi oksida NO dimulai sebelum 1µs melalui reaksi nomor N+NON2+O
yang secara prinsip bertanggung jawab terhadap proses evolusi NO dan N.
Sehingga, efek dinamika gas dapat terasakan pengaruhnya pada 1µs. Kelembaman
ini berasal dari pengaruh reaksi yang sensitif terhadap dinamika gas antara
interval waktu 1µs sampai 10µs. Hal ini terjadi pada reaksi-reaksi O+N+M
NO+M untuk oksida nitrogen NO.
Kerapatan oksida NO mencapai nilai maksimum pada 1,125ppm ketika efek
dinamika gas diperhitungkan dan 0,595ppm pada waktu fenomena kinetika kimia
diperhitungkan. Dalam semua hal, penciptaan dan penghancuran suatu populasi
kimia selalu diimbangi oleh transport difusif dari daerah yang konsentrasinya
lebih kuat menuju daerah yang konsentrasinya lebih lemah. Saat mendekati
500µs, difusi monoksida NO dari volume gas menuju arah pusat kanal ionisasi,
memberikan pengaruh pada penciptaan NO2. Oksida NO bergerak ke arah sumbu
discharge menuju ke tengah-tengah ozon O3 di mana kerapatan pada sumbu
tersebut kira-kira 440ppm.
hal. 63 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Hasil penelitian tahun pertama ini diharapkan mampu memberikan arah dan
pemahaman yang lebih rinci dan jelas tentang optimalisasi penghancuran NOx
pada reaktor plasma yang akan dilanjutkan pada tahun kedua, sehingga tercipta
sarana transportasi rendah polusi.
Rencana tahapan penelitian tahun kedua yang akan dilakukan adalah sebagai
berikut.
1. Bagaimanakah analisis sistem CC (catalytic converter), AFR (air flue rasio),
dan EGR (exhaust gas recirculation) pada reduksi NOx.
2. Bagaimanakah cara mengoptimalisasi sistem pengendalian polutan emisi gas
buang yang meliputi analisis pengaruh dinamika gas dan kinetik kimiawi
serta analisis CC, AFR, dan EGR.
3. Bagaimanakah cara merancang prototipe CC pereduksi polutan NOx dalam
mewujudkan moda transportasi bebas polusi.
hal. 64 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
A. KESIMPULAN
Mengacu pada analisis hasil penelitian yang telah dikemukakan sebelumnya dapat
diambil beberapa kesimpulan berikut.
1. Proses pengubahan campuran gas yang mengandung oksida-oksida toksik
menjadi udara bersih berlangsung dalam waktu sangat singkat, sekitar satu
sekon, melalui tiga tahapan fase yaitu fase lucutan listrik (discharge phase),
fase setelah lucutan listrik (post-discharge phase), dan fase penginjeksian
basa untuk membentuk garam. Oksida-oksida NOx direduksi melalui reaksi
dengan radikal-radikal aktif (N, O, OH, dan O3) pada fase setelah lucutan
listrik dan berlangsung hanya dalam waktu satu milisekon.
2. Pada fase setelah lucutan listrik sebagian besar medan listrik terkonsentrasi di
sepanjang ruang antar elektroda. Besarnya intensitas listrik yang berada di
dekat anoda sesuai dengan kondisi simulasi yaitu sekitar 3.103V/m
memungkinkan elektron memperoleh energi yang cukup besar untuk
mengionisasi molekul-molekul gas dalam mereduksi NOx di ruang antar
elektroda.
3. Pada proses penghancuran oksida-oksida NOx, waktu yang diperlukan untuk
menghancurkan polutan akibat bereaksi dengan radikal-radikal aktif lebih
lama dibandingkan dengan waktu difusi antar unsur-unsur partikel kimia.
Oleh sebab itu, pengembangan radial campuran gas di ruang antar elektroda
berpengaruh signifikan terhadap kinetika kimia; dan
4. Deskripsi kinetika kimia ini menjelaskan tentang terciptanya unsur-unsur
radikal aktif primer maupun sekunder. Informasi ini sangat diperlukan untuk
optimalisasi proses penghancuran oksida sebab efisiensinya secara langsung
sangat tergantung pada banyaknya radikal yang tercipta.
hal. 65 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
5. Kerapatan oksida NO mencapai nilai maksimum pada 1,125ppm ketika efek
dinamika gas diperhitungkan dan 0,595ppm pada waktu fenomena kinetika
kimia diperhitungkan. Penciptaan dan penghancuran suatu populasi kimia
selalu diimbangi oleh transport difusif dari daerah yang konsentrasinya lebih
kuat menuju daerah yang konsentrasinya lebih lemah.
Hasil penelitian tahun pertama ini diharapkan mampu memberikan pemahaman
secara jelas dan rinci tentang optimalisasi penghancuran NOx pada reaktor plasma
(dilanjutkan pada tahun kedua), sehingga tercipta sarana transportasi bebas polusi.
B. SARAN
Kinetika kimia campuran gas melibatkan sangat banyak interaksi antar unsur-
unsur kimia yang mencapai ratusan bahkan ribuan reaksi kimia di mana setiap
reaksi memiliki bobot masing-masing dalam pembentukan radikal primer dan
sekunder serta penghancuran oksida-oksida toksik. Oleh sebab itu, penelitian
selanjutnya perlu memperbanyak jumlah reaksi kimia agar hasil penelitian
mendekati keadaan yang sebenarnya.
hal. 66 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Chen, J., dan Davidson, J.H., 2002, Electron Density and Energy Distributions in
the Positive DC Corona: Interpretation for Corona-Enhanced
Chemical Reactions, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol.
22, pp 199-224
Creyghton, Y.L.M. 1994. Thesis Eindhoven, Nugi 812
Davies, A.J., 1992. Workshop on Plasma chauds et modélisation des décharge.
GRD SPARCH, Marseille, p.45
Badan Pengendalian Dampak Lingkungan (Bapedal). 9 Oktober 2006. Pengaruh
Bahan Bakar Transportasi terhadap Pencemaran Udara dan solusinya.
Makalah Seminar: Hotel Panghegar, Bandung
Boris, JP. and Book, DL. 1999. Journal of Computational Physics. 11, pp.38-69
Eichwald, O. Guntoro, NA. Yousfi M. and Benhenni, M. 2000. Proceedings XIII
International Conference on Gas Discharge and their Application,
Glasgow, UK, Vol.2, pp.732-735
Guntoro, N.A. 2012. Pemanfaatan Teknologi Plasma dalam Pengendalian
Dampak Lingkungan Udara dari Emisi Polutan NOx pada Perspektif
Pembangunan Transportasi Berkelanjutan. Laporan Penelitian Strategis
Nasional, Lembaga Penelitian, Universitas Negeri Jakarta
Guntoro, N.A. 2013. Fisika Terapan. Penerbit Remaja Rosdakarya, Bandung,
ISBN 978-979-692-129-4
Held, Bernard. 1994. Physique des Plasmas Froids, Paris: Mason
Hirschfelder, JO. Curtiss, FE. Bird, RB. 1954. Molecular Theory of Gases and
Liquid. New York: John Wiley. London: Chapman et Hall
Kompas, Harian. 16 April 2014. Pembangunan Kota tak Berkelanjutan
Napitupulu L., Resosudarmo, BP. 2004. Health and Economic: Impact of Air
Pollution in Jakarta. Economic Record, pp.65-75
Nur M., 2011, Fisika Plasma dan Aplikasinya, Penerbit Universitas Diponegoro,
Semarang
hal. 67 Laporan Penelitian MP3EI/nAg/FT-UNJ/2015
Penetrante, BM., and Schultheis, SE. 2002. Non Thermal Plasma Techniques for
Pollution Control. New York: Springer, Part A & B
Roe P.L., dan Baines, M.J. 2002. "Proceedings of the 4th
GAMM Conference on
Numerical Methods in Fluid Mechanics", H. Viviand, ed., Vieweg,
Braunscheig-Wiesbaden, p.281
Sacadura, J. 1978. Initiation aux Transferts Thermiques, Technique et
Documentation
Schwela, Dieter. 2006. Urban Air Pollution in Asia Cities: Status, Challenges,
and Management. Penerbit: Earthscan
Tugaswati TA., Suzuki S., Kiryu Y., Kawada T. 2007 Automotive Air Pollution in
Jakarta with Special emphasis on lead, Particulate, and nitrogen oxide.
Jpn J of Health and human Ecology 61, pp.261-75
Van Leer, B., 2000. Computational Journal Physics 32, pp.101-136