BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Filtrasi atau penyaringan (septum) adalah pemisahan partikel zat padat dari

fluida dengan jalan melewatkan fluida itu melalui suatu medium penyaring atau

septum. Dalam industri kimia, proses filtrasi memiliki peranan penting untuk

memisahkan bahan-bahan sehingga dihasilkan suatu produk yang diinginkan yaitu

padatan atau cairannya dan bahkan kedua-duanya. Agar proses filtrasi berjalan

cepat biasanya dapat dimodifikasi umpan dengan cara pemanasan, rekistralisasi,

atau dengan penambahan filter aid yaitu suatu senyawa yang dapat mengurangi

kompresibililitas cake, mengurangi penetrasi partikel kecil lain yang tidak

diharapkan yang dapat menutupi pori-pori membran sehingga mengurangi laju

filtrasi.

Oleh karena banyaknya ragam bahan yang difiltrasi dan bermacam kondisi

operasi, jenis filter pun dapat dimodifikasi. Filtrasi sering diterapkan pada proses-

proses biologis seperti memisahkan ekstrak juice atau memisahkan

mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan yang

sulit, proses filtrasi konvesional harus didukung dengan teknologi lain agar filtrasi

lebih praktis, cepat, dan kualitas produk tidak terdegradasi.

Kebanyakan filter industri merupakan filter tekanan atau filter vakum. Alat

tersebut dapat dijalankan secara batch atau kontinu, bergantung pada cara

mengeluarkan zat padatnya. Jika filtrasi dijalankan secara batch alat harus

dibongkar untuk pengambilan cake kemudian dipasang kembali, sehingga

diperlukan waktu untuk bongkar pasang sedangkan pada proses kontinu

pengambilan cake dilakukan secara terus menerus dan memerlukan waktu operasi

yang lebih cepat.

Pada praktikum ini digunakan press filter berupa plate and frame filter

press. Filter terdiri atas plate and frame yang tersusun secara selang-seling. Plate

terpisah dari frame dengan suatu filter cloth. Pressing dilakukan untuk

mendapatkan posisi plate dan frame yang sesuai dan dikerjakan dengan putaran

manual dan putaran hidrolik. Slurry dimasukkan melalui lubang-lubang frame dan

filtrat mengalir melalui cloth ditiap sisi sehingga 2 produk (slurry dan cake)

terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.

1.2 Tujuan Perobaan

Menentukan ∆tf /∆V dengan menggunakan persamaan non compressibte

cake

Menentukan s dan Rm pada tekanan dan konsentrasi larutan CaCO,

Menentukan hubungan Cw dan V pada proses pencucian filter

1.3 Landasan Teori

Filtrasi atau penyaringan merupakan metode pemisahan untuk

memisahkan zat padat dari cairannya dengan menggunakan alat berpori

(penyaring). Dasar pemisahan metode ini karena adanya perbedaan ukuran

partikel antara pelarut dan zat terlarutnya. Penyaring akan menahan zat padat yang

mempunyai ukuran partikel lebih besar dari pori saringan dan meneruskan pelarut.

Operasi filtrasi tersebut dilakukan untuk memisahkan bahan-bahan sehingga dapat

diperoleh bahan yang diinginkan yaitu padatan maupun cairannya dan bahkan

kedua-duanya. Hasil dari filtrasi disebut filtrat sedangkan sisa yang tertinggal

dipenyaring disebut residu (ampas). . Contoh-contoh operasi filtrasi di pabrik-

pabrik antara lain :

Pabrik gula menjalankan operasi filtrasi untuk memisahkan larutan gula

dengan padatan-padatan pengotor.

Pemisahan senyawa garam dari suspensinya.

Industri pemurnian air, dll.

Operasi filtrasi dapat dilakukan secara batch dan kontinu. Proses secara

batch memerlukan waktu yang lebih lama dan memerlukan biaya yang lebih

mahal sedangkan proses filtrasi secara kontinu banyak diterapkan pada industri

kimia. Analisis operasi filtrasi ini dibagi dalam 3 tahap, yaitu :

1. Pembentukan cake.

2. Pencucian cake untuk membuang larutan.

3. Pelepasan cake dari filter.

Berdasarkan gaya pendorong yang digunakan, dikenal bermacam-macam

filter yaitu gravity filters, plate and frame filter press dan continous rotary

vacuum filters (Brown, 1950). Tipe plate and frame filter press yang paling umum

digunakan. Plate and frame filter press merupakan jenis yang paling banyak

diaplikasikan di industri umumnya terdiri atas tujuh bagian medium filter dari

logam yang saling menutupi secara renggang dan tempat yang cukup untuk

menampung cake sampai filtrasi selesai.

Gambar 1.1. Plate and Frame Filter Press

Jenis lain adalah rotary vacuum filter. Filter jenis ini banyak digunakan

pada industri skala besar dikarenakan dapat menangani padatan yang sulit difilter,

dan banyak dilengkapi sarana otomatis sehingga tenaga manual yang dibutuhkan

tidak terlalu banyak.

Gambar 1.2. Rotary Vacuum Filter

Berdasarkan prinsip kerjanya, filtrasi dapat dibedakan menjadi:

1. Pressure Filtration

Yaitu filtrasi yang dilakukan dengan penekanan.

Gambar 1.2. Pressure Filtration

2. Gravity Filtration

Yaitu filtrasi yang menggunakan gaya gravitasi untuk mengalirkan cairan.

Gambar 1.3. Gravity Filtration

3. Vacuum Filtration

Yaitu filtrasi yang dilakukan dengan prinsip hampa udara untuk

mengalirkan cairan. Alat filtrasi dengan prinsip hampa udara dapat dilihat pada

Gambar 1.4. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan di luar drum

adalah tekanan atmosferik, tetapi di dalam drum mendekati vakum. Drum ini

dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi padatan yang akan

difilter, lalu drum diputar dengan kecepatan rendah selama operasi. Cairan tertarik

melewati filter cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan akan tertinggal di

permukaan luar drum membentuk cake pada proses.

Gambar 1.4. Drum vacuum filter

Jika cake akan diambil dari drum, putaran drum dihentikan, drum dikeluarkan dari

fasa cair, cake dicuci, dikeringkan, dan kemudian diambil. Pengambilan padatan

dari drum dilakukan dengan sejenis pisau yang juga bermacam-macam jenis dan

disainnya bergantung jenis cake.

Operasi filtrasi yang dilakukan dalam laboratorium adalah batch filtration

dan pada percobaan ini termasuk Pressure Filtration, yang dilakukan dengan alat

Plate and Frame Filter Press. Keuntungan filter jenis ini adalah:

1. Biaya relatif murah

2. Perawatan mudah

3. Sangat fleksibel

Pada filtrasi dikenal dua media filter, yaitu :

1. Media primer

Yaitu filter pembantu dapat berupa kain, kanvas, kertas saring (dalam hal ini

dipakai kain).

2. Media sekunder

Yaitu medium filter yang sesungguhnya, yang terbentuk karena adanya

padatan-padatan yang tertahan oleh medium filter primer.

Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi syarat-

syarat sebagai berikut :

1. Harus dapat menahan zat padat yang akan disaring dan menghasilkan filtrat

yang cukup jernih.

2. Tidak mudah tersumbat

3. Harus tahan secara kimia kuat secara fisik dalam kondisi proses.

4. Harus memungkinkan penumpukan ampas dan pengeluaran ampas secara

total dan bersih

5. Tidak boleh terlalu mahal. 1

Berdasarkan kompresibilitasnya, cake dapat dibedakan menjadi :

1. Compressible cake

Compressible cake adalah cake yang mengalami perubahan struktur karena

adanya tekanan, sehingga ruang kosong dalam cake semakin kecil, akibatnya

penahanan semakin besar dan filtrasi semakin sulit dilakukan. Nilai koefisien

kompresibilitas (s) untuk cake jenis ini adalah 0,1 < s < 0,8. Untuk mengestimasi

efek faktor kompresibilitas, diasumsikan resistansi spesifik adalah fungsi dari

AP menurut hubungan:

α=α ' ( Δ P )S

(1)

Nilai ' dan s mudah ditentukan dengan memplot log terhadap log P. Jika nilai

s besar umpan harus dipretreatment dengan penambahan filter aid.

2. Non compressible cake

Non compressible cake adalah cake yang tidak mengalami perubahan

struktur karena adanya penekanan. Sebenarnya cake seperti ini tidak ada tetapi

pada percobaan ini cake dianggap non compressible karena perbedaan tekanan

sangat kecil. Koefisien kompressibilitasnya adalah nol.

Aliran fluida dalam media porous berbeda dengan aliran fluida melalui pipa

biasa. Dalam media porous, fluida akan mengalir melalui rongga-rongga diantara

partikel padatan sehingga perlu faktor koreksi untuk faktor friksi untuk aliran

fluida dalam media porous.

1. Bilangan Reynolds

Dihitung berdasarkan diameter partikel ditambah faktor FRe

Re=ρ . v . DP

μ. FRe

(2)

2. Faktor Friksi

Faktor Friksi dalam perhitungan ditambah faktor Ff sehingga persamaan :

Lwf=v2 . L . f . Ff

2. gc . Dp (3)

f =2 . gc . Dp . Lwf

L . v2 . Ff

f =2 . gc . Dp . (−ΔP ) . fL . v2 . Ff . P (4)

Hubungan antara L dan V diperoleh dari neracaa massa padatan :

Massa padatan dalam cake = Massa padatan dalam slurry

(1−X ) L . A . ρ s =

( v + L . A . X ) ρ . x(1 -x ) (5)

L=v . ρ . x

A [ ρs (1−x ) (1−X )−ρ . X . x ] (6)

Dengan menganggap aliran laminer :

f =64Re

(−Δp ) f =32 . L . v .μ . Ff

gc . Dp2 . FRe

(−Δp ) f =ρ . Lwf

V=[[ gc . Dp2 . FRe

32 . Ff] ][ [ ρ . Lwf

L . μ ] ]V=

K (−Δpc )L .μ

1A

dVdt

=K (−Δpc )L . μ (7)

Substitusikan persamaan (6) ke persamaan (7) :

1A

dVdt

=K . A[ ps (1-x ) . (1-X ) - ρ . X . x ] (- Δpc )

μ . V . ρ . x

dVdt

=K . A2 [ ps (1-x ) . (1-X ) - ρ . X . x ]( - Δpc )

μ. V . ρ . x

Didefinisikan besaran baru : Cv

CV=

μ . ρ . x 2K [ ps (1-x ) . (1-X ) - ρ . X . x ] (8)

Sehingga diperoleh persamaan :

dVdt

=A2 . (−ΔpC )2. CV . V (9)

Pada persamaan (8), (−Δpc)adalah tekanan sisi masuk cake dikurangi

tekanan sisi keluar cake. Pada kenyataannya, tekanan pada titik-titik tersebut tidak

dapat diukur. Yang dapat diukur adalah selisih tekanan slurry saat akan masuk

dan saat akan keluar dari filter. Jadi, tahanannya bukan dari cake saja, tetapi juga

tahanan yang ditimbulkan oleh saluran-saluran dalam filter dan media penyaring

primer. Jika tahanan tambahan ini dinyatakan dalam volume equivalent (Ve),

maka besarnya adalah = (2 . CV . Ve)/ A2, sehingga persamaan (9) menjadi :

dVdt

=A2 . (−ΔpC )

2. CV . (V + Ve ) (10)

Persamaan ini juga dapat dituliskan menjadi :

dtfdV

=2. CV . (V + Ve )

A2 .(−ΔpC )

dtfdV

=2 . CV

A2 .(−ΔpC ). V +

2. CV

A2 .(−ΔpC ). Ve

(11)

Untuk keperluan percobaan, persamaan (11) dapat diubah menjadi finite

difference sebagai berikut :

ΔtfΔV

=2. CV

A2. (−ΔpC ). V +

2 . CV

A2 .(−ΔpC ). Ve

(12)

dengan anggapan pressure drop cukup rendah dan harganya konstan maka Cv

konstan, Ve konstan dan persamaan berupa garis lurus. Dengan mencatat waktu

filtrasi pada setiap volume filtrat tertampung ((V) konstan) maka bisa diperoleh

hubungan antara t/V dengan V sehingga dengan metoda Least Square dapat

dihitung haraga Cv dan Ve seperti gambar berikut :

Gambar 1.5. Grafik Hubungan antara tf/V dengan V

Waktu filtrasi optimum adalah waktu yang diperlukan agar jumlah volume

filtrat per satuan waktu optimum. Dalam operasi filtrasi, yang disebut waktu

siklus adalah waktu keseluruhan yang diperlukan untuk melakukan proses filtrasi

yang merupakan jumlah dari waktu filtrasi sesungguhnya, waktu pencucian, dan

waktu bongkar pasang.

ts= tf + tw+ tp (13)

Waktu pencucian diperoleh dari :

tf =[dtf

dV]akhir . Vw

(14)

Dengan Vw adalah volume air pencuci yang digunakan. Penggabungan persamaan

(10) dan (12) diperoleh :

ts =2 . CV

A2 .(−Δp ). ( V 2+ 2V . Ve )+

2. CV

A2 .(−Δp ). (V . Vw+ Ve)+ tp

Untuk mudahnya, jumlah air pencuci dinyatakan sebagai :

V w= K . V (15)

ts =

CV

A2 .(−Δp )[ (1 + 2K )V 2+ 2 (1 + K ) V . Ve ]+ tp

(16)

Pada kondisi optimum V/ts maksimal atau ts/V minimal :

a (ts/V )dV

= 0

tsV

=CV

A2 .(−Δp )[ (1 + 2K )V + 2 (1 + K ) Ve ]+ tp

V

Diperoleh :

V opt=√ A2 . (−ΔP)

CV

.tp(1 + 2K ) (17)

Dan waktu siklus optimum :

tsopt=

CV

A2 .(−Δp )[ (1 + 2K ) V

opt 2+ 2 (1 + K )V opt . Ve]+ tp (18)

Untuk keperluan optimasi jumlah air pencuci yang digunakan, maka ke

dalam slurry ditambahkan zat warna yang mempunyai sifat tidak berkaitan secara

permanen dengan padatannya sehingga mudah dihanyutkan oleh aair pencucinya.

Kadar zat warna dalam cucian yang keluar filter dianalisa untuk mengetahui

seberapa jauh operasi pencucian dilakukan. Operasi pencucian dihentikan jika

kadar zat warna dalam air cucian konstan. Jumlah air pencuci yang digunakan

sampai titik ini dicatat sebagai Vwopt.

Analisa kadar zat warna dalam air cucian dilakukan dengan

membandingkan warnanya dengan larutan standar yang telah diketahui

konsentrasinya. Dalam hal ini mata berfungsi sebagai detektor warna.

Gambar 1.6. Analisa Kadar Zat Warna Secara Visual

a. Pengenceran biasa pada luas tabung yang sama

Jumlah zat warna sebelum pengenceran = Jumlah zat warna sesudah

pengenceran

CS . A . hS= CW . A . hW

Jika luas tabung sama, maka :

CS . hS= CW . hW

CW= CS .( hS /hW ) (19)

b. Pengenceran berulang

CS)→CS1

→CS2→

Bila hs = 2 hs0

C s1=1

2 CS0

C s2=1

4 CS0

¿12

CS 1

C sn=(1 /2 )n CS

0 , dimana n = 2x (20)

Persamaan (19) disubstitusikan ke persamaan (20) sehingga menjadi :

CW=CS0

2n.hshW (21)

Analisa Data

Dari percobaan yang telah dilakukan diperoleh data : V, C, hs, hw, Cs0, n,

Vw, (-P), A, dan tp.

a. Menentukan Cv dan Ve

Persamaan yang digunakan :

ΔtfΔV

=2. CV

A2. (−ΔpC ). V +

2 . CV

A2 .(−ΔpC ). Ve

(22)

Untuk menghitung tf/V digunakan persamaan finite difference sebagai

berikut :

1. Untuk data-data awal (Forward Finite Difference)

[ ΔtfΔV

]i=-3 tf i+(4 tf i+1 ) - ( tf i+2)2 ΔV (23)

2. Untuk data-data tengah (Central Finite Difference)

[ ΔtfΔV

]i=(- tf i-2 )+( tfi+1 )2 ΔV (24)

3. Untuk data-data akhir (Backward Finite Difference)

[ ΔtfΔV

]i=tf i-2 - ( 4 tfi−1 )+(3tf i )2 ΔV (25)

Dari grafik hubungan antara tf/V Vs V dapat dicari slope dan intersepnya,

dimana:

Slope=2 CV

A2 .(−ΔP )

Intersep=2 CV

A2 .(−ΔP ). Ve

Maka dapat dihitung Cv dan Ve.

b. Menentukan volume pencucian (Vw)

Persamaan yang digunakan :

CW= CS0

hshW

Dengan membuat grafik hubungan antara CW dan VW, maka harga

VW dapat dicari yaitu pada saat VW mencapai keadaan konstan atau

mendekati konstan dimana pada saat kurva CW Vs VW mendatar. Grafik

hubungan CW Vs VW dapat ditunjukkan oleh gambar berikut :

Gambar 1.7. Grafik hubungan CW Vs VW untuk penentuan VW opt

c. Menentukan Vopt dan tsopt

Digunakan persamaan :

V opt=√ A2 . (−ΔP )CV

.tp(1 + 2K ) (26)

Dengan K=

Vwopt

V , maka :

tsopt=CV

A2 .(−Δp )[ (1 + 2K ) V

opt 2+ 2 (1 + K )V opt . Ve]+ tp (27)

d. Menentukan nilai α dan Rm

α =

k (1−ε )S0

2

ρp ε3(28)

dVA dt =

−ΔPc

μ Rm (29)

Hipotesis

Operasi filtrasi dengan plate and frame filter press pada pressure drop

konstan akan mengikuti persamaan non compressible cake :

dtfdV

=2 . CV

A2 .(−Δp ). V +

2. CV

A2 .(−Δp ). Ve

Harga tf/V dapat didekati dengan tf/V, sehingga grafik hubungan antara

tf/V dengan V adalah linear. Harga CV dan Ve dapat ditentukan dari slope dan

intersep dari persamaan garis yang diperoleh, maka waktu yang diperlukan untuk

filtrasi semakin lama. Hubungan CW dan VW diharapkan berupa kurva lengkung

ke bawah, dan akhirnya konstan, sehingga harga VW dapat dicari.