Baca artikel ini untuk mempelajari adsorpsi polutan gas dengan pendekatan desain fixed bed adsorber.
Pengantar Adsorpsi Polutan Gas:
Ketika cairan yang mengandung beberapa zat terdispersi dikontakkan dengan beberapa partikel padat yang diolah/dipersiapkan secara khusus, molekul zat terdispersi dapat tertahan di permukaan partikel padat. Fenomena ini disebut sebagai adsorpsi.
Bahan padat disebut sebagai adsorben dan zat yang tertahan pada adsorben disebut sebagai adsorbat. Adsorpsi bukan hanya metode yang efektif untuk menghilangkan polutan dari aliran gas, tetapi juga untuk pengurangan polutan yang terbawa air. Fenomena adsorpsi telah diselidiki secara eksperimental dan berbagai teori telah diajukan untuk menjelaskan pengamatan tersebut. Tapi sebuah teori, yang mungkin menjelaskan sebagian besar pengamatan, masih harus dikembangkan.
Diperkirakan bahwa interaksi antara molekul adsorbat dan situs aktif pada permukaan adsorben menyebabkan retensi adsorbat pada adsorben. Gaya interaktif, yang menghasilkan adsorpsi, telah diteorikan sebagai sifat fisik atau kimiawi. Ketika adsorbat ditahan karena gaya tarik fisik, prosesnya disebut sebagai adsorpsi fisik.
Jumlah panas yang dihasilkan selama proses ini hampir sama dengan panas laten kondensasi dari adsorbat. Gaya tarik yang menyebabkan adsorpsi fisik bersifat lemah, sehingga molekul yang teradsorpsi dapat dihilangkan (desorbed) dari partikel padat baik dengan menaikkan suhu sistem atau dengan mengurangi tekanan parsial adsorbat (dengan pengosongan atau dengan melewatkan gas inert) atau dengan efek gabungan dari keduanya. Proses desorpsi merupakan proses endotermik.
Dalam beberapa kasus adsorbat tertahan pada permukaan adsorben karena adanya ikatan kimia antara keduanya. Bukan berarti senyawa kimia baru terbentuk, tetapi daya rekatnya agak kuat. Proses seperti itu disebut sebagai chemisorption. Hal ini ditandai dengan evolusi jumlah panas yang relatif besar, yang besarnya mirip dengan reaksi kimia eksotermik. Chemisorpsi hampir merupakan proses yang tidak dapat diubah. Selama penghilangan zat chemisorbed, molekul adsorbat sering mengalami perubahan kimia.
Karena kemisorpsi dan adsorpsi fisik terjadi pada permukaan adsorben, adsorben yang baik harus memiliki luas permukaan spesifik yang besar (luas permukaan per satuan massa). Luas permukaan spesifik meningkat dengan penurunan ukuran partikel dan peningkatan porositas partikel adsorben. Untuk menjadi adsorben yang baik, partikel padat tidak hanya harus memiliki area spesifik yang tinggi tetapi juga memiliki gaya interaktif / situs aktif yang tepat sehubungan dengan adsorbat spesifik.
Massa adsorbat yang ditahan per satuan massa adsorben akan berhubungan dengan konsentrasi adsorbat dalam cairan pada kesetimbangan pada suhu tertentu. Berdasarkan analisis Langmuir tentang fenomena tersebut, hubungan kesetimbangan dapat dinyatakan sebagai
X* i = mY i 1/n …… ……………………… (4.54)
dimana X* i = massa adsorbat i yang ditahan per satuan massa adsorben, dan Y i = massa adsorbat i yang ada dalam satuan massa fluida (gas pembawa) pada kesetimbangan.
m dan n adalah konstanta spesifik untuk sistem adsorbat-adsorben tertentu. Mereka bergantung pada suhu.
Untuk n ≤ 1, proses adsorpsi dianggap menguntungkan dan untuk n > 1 dianggap tidak menguntungkan. Untuk sistem adsorbat-adsorben tertentu, nilai numerik m dan n bergantung pada proses pembuatan adsorben. Itu dievaluasi secara eksperimental.
Setelah adsorben mencapai kesetimbangan sehubungan dengan adsorbat, adsorbat tidak akan dapat menyerap adsorbat lebih jauh. Adsorben harus dibuang atau dibuat ulang untuk digunakan kembali. Untuk regenerasi suatu adsorben dan atau pemulihan adsorbat, umumnya adsorben bekas dipanaskan sementara aliran gas inert dilewatkan di atasnya.
Dalam kasus proses adsorpsi fisik, biasanya digunakan uap atau udara pada suhu sedang (100°C atau lebih). Zat yang diserap dapat dikumpulkan (jika berharga) atau diolah lebih lanjut sebelum dibuang. Namun, untuk regenerasi adsorben dari proses chemisorption udara pada suhu tinggi dilewatkan melalui adsorben bekas dimana zat yang diserap teroksidasi dan dihilangkan.
Adsorben yang digunakan secara komersial adalah karbon aktif, silika, gel silika, saringan molekuler (alumina silikat), alumina dan beberapa oksida logam lainnya. Adsorben yang paling umum digunakan adalah karbon aktif granular (GAC).
Adsorber yang umum digunakan adalah tipe unggun tetap, yang dioperasikan dalam siklus. Penyerap unggun tetap terdiri dari rumahan yang berisi unggun partikel penyerap granular. Saat aliran fluida yang membawa h polutan (adsorbat) mengalir melalui unggun, polutan akan terserap.
Secara bertahap partikel adsorben menjadi jenuh. Setelah polutan dalam aliran yang diolah mencapai tingkat yang telah ditentukan sebelumnya sebagaimana ditetapkan dalam standar pengendalian pencemaran, proses adsorpsi dihentikan dan lapisan dibuat kembali. Setelah regenerasi bedengan, bedengan itu dialirkan kembali.
Sistem adsorber mungkin memiliki beberapa konfigurasi. Yang paling sederhana adalah sistem dua tempat tidur di mana ketika satu tempat tidur dibuat ulang, yang lain akan online. Pengaturan yang lebih baik akan menjadi sistem tiga tempat tidur di mana dua tempat tidur dioperasikan secara seri sementara yang ketiga akan diregenerasi. Dalam pengaturan seperti itu, alas kedua bertindak sebagai alas pemoles. Ketika laju aliran volumetrik dari aliran fluida yang akan diolah agak besar, maka beberapa unit dapat dioperasikan secara paralel.
Selain unggun tetap, unggun terfluidisasi dan adsorber unggun bergerak juga digunakan. Mereka dioperasikan tanpa gangguan untuk regenerasi. Dari unggun ini sebagian partikel adsorben yang dihabiskan dihilangkan, diregenerasi di luar unggun dan dikembalikan secara terus menerus. Dalam unit tersebut partikel adsorben mengalami gesekan karena abrasi antar partikel, serta karena abrasi dinding.
Aliran partikel padat di adsorber ini mungkin tidak mulus. Namun, penahanan adsorben akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan sistem unggun tetap yang memiliki kapasitas yang sama. Karena regenerasi dilakukan di luar penyerap, maka dapat dilakukan dalam kondisi drastis, jika perlu.
Pendekatan Desain Fixed Bed Adsorber:
Ketika aliran fluida yang mengandung adsorbat memasuki adsorber unggun tetap, sebagian besar adsorpsi terjadi di ujung umpan untuk memulai. Secara bertahap partikel adsorben yang ada di dekat ujung umpan menjadi jenuh dengan adsorbat dan zona adsorpsi efektif bergeser ke arah ujung keluar. Bagian dari adsorber di mana sebagian besar adsorpsi berlangsung disebut sebagai zona adsorpsi efektif. Gambar 4.12 menunjukkan kejenuhan progresif dari lapisan adsorben dalam adsorber selama proses. Ini juga menunjukkan bahwa zona adsorpsi efektif (Z Q ) akhirnya mencapai ujung keluar.
Gambar 4.13 menunjukkan bahwa konsentrasi adsorbat (Y) dalam aliran yang diolah meningkat seiring berjalannya operasi dan akhirnya pada waktu Ï´ = Ï´ B konsentrasi menjadi Y B . Jika adsorbat adalah polutan, maka Y B adalah konsentrasi emisi maksimum yang diizinkan dari sudut pandang pencemaran lingkungan. Waktu Ï´ B disebut sebagai waktu tembus.
Kelanjutan dari proses adsorpsi di luar Ï´ B akan menghasilkan peningkatan lebih lanjut dalam konsentrasi polutan di luar Y B dalam aliran limbah yang diolah. Pada Ï´ = Ï´ B operasi akan dihentikan dan lapisan akan dibuat ulang.
Dalam merancang adsorber unggun tetap untuk pengurangan polutan yang terbawa gas, seseorang harus mengestimasi luas penampang dan tinggi kemasannya sehingga memiliki ‘waktu tembus’ yang telah dipilih sebelumnya Ï´ B .
Informasi berikut akan diperlukan untuk tujuan desain:
- Laju aliran aliran influen, G;
- Konsentrasi polutan dalam influen,
- Konsentrasi polutan maksimum yang diperbolehkan dalam limbah yang diolah, Y B ;
- ‘Menerobos waktu’ yang dipilih sebelumnya Ï´ B , dan
- Karakteristik adsorben yang dipilih.
Luas penampang kolom dari adsorber dapat diperkirakan dengan menggunakan ekspresi berikut:
Biasanya untuk unit komersial, kecepatan superfisial gas yang digunakan berkisar antara 6 hingga 24 m/menit. Jika dioperasikan pada kecepatan yang lebih tinggi, penurunan tekanan melintasi unggun akan lebih tinggi dan akibatnya biaya operasi (energi) akan lebih besar. Untuk memperkirakan diameter pipa masuk dan keluar kolom, kecepatan gas dipilih dalam kisaran 600-900 m/menit. Untuk estimasi tinggi packed bed, L 0 , diasumsikan Ï´ B . Berdasarkan hal ini dan karakteristik adsorben yang dipilih, tinggi unggun yang dikemas L O dapat dihitung dengan menggunakan pendekatan aturan jempol atau pendekatan analitik.
Untuk mencari tinggi packed bed menggunakan pendekatan aturan ibu jari, informasi yang diperlukan adalah: (i) ‘kapasitas adsorpsi’ (X c ) dari adsorben yang dipilih dan (ii) densitas ruah (p b ) dari adsorben. Kapasitas adsorpsi X c didefinisikan sebagai massa adsorbat yang dapat diadsorpsi oleh satu unit massa adsorben saat mengolah aliran gas influen yang memiliki konsentrasi polutan Y O dan dengan demikian mengurangi konsentrasi polutan ke nilai batas yang diizinkan Y B dalam gas yang diolah .
X c dan p b dapat diperoleh dari produsen/pemasok adsorben atau diperkirakan secara eksperimental di laboratorium. Data berbasis laboratorium akan lebih andal untuk tujuan desain. Setelah data ini tersedia, total massa adsorben yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan. (4.55).
Ketinggian tempat tidur yang sesuai (L 0 ) dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan. (4.56)
Ketinggian tempat tidur L 0 dapat dihitung menurut pendekatan analitis menggunakan Persamaan. (4.57)
di mana Ï´ = derajat kejenuhan total lapisan adsorben pada waktu d B , dinyatakan sebagai fraksi,
dan X s = konsentrasi polutan pada adsorben dalam kesetimbangan dengan konsentrasi fasa gas Y 0 yang dinyatakan sebagai rasio berat.
X x dapat diperkirakan baik menggunakan Persamaan. (4.54) atau memanfaatkan data ekuilibrium yang diperoleh secara eksperimen.
Perlu dicatat di sini bahwa pada waktu Ï´ B dari awal proses, sebagian besar unggun (kecuali zona adsorpsi Za dekat ujung keluar kolom) akan jenuh. Zona Z a akan jenuh sebagian. Oleh karena itu Ï´ dapat dinyatakan sebagai
Sekarang jelas bahwa untuk menemukan L 0 seseorang harus menaksir f dan Z a terlebih dahulu.
Persamaan kesetimbangan material fasa gas dari suatu adsorbat melintasi ketinggian unggun unsur dZ dalam zona adsorpsi Z Q selama interval waktu dÏ´ dapat ditulis sebagai
Dimana É› = fraksi kosong dan a = luas permukaan per satuan volume yang dikemas.
Istilah terakhir di sisi kanan Persamaan. (4.60), karena kecil dibandingkan dengan suku lainnya, dapat diabaikan dan persamaan dapat ditulis ulang sebagai
Bentuk terintegrasi dari Persamaan. (4.61) dapat ditulis sebagai
dan Y* = konsentrasi polutan fase gas kesetimbangan yang sesuai dengan konsentrasi polutan teradsorpsi X pada permukaan adsorben.
dapat dievaluasi secara numerik atau grafis dengan bantuan plot yang mirip dengan Gambar 4.14. Namun, masalah muncul sesuai dengan Y = Y O , y* = Y 0 dan karenanya N OG akan menjadi tak terbatas. Untuk menghindari kesulitan ini N OG didekati sebagai
di mana Ye diberi nilai numerik sedikit kurang dari K 0
Untuk mengestimasi H OG perlu diketahui nilai numerik dari K y dan a. Dengan tidak adanya informasi seperti itu seseorang dapat memperkirakan H oc dengan bantuan Gambar 4.15 dimana informasi yang dibutuhkan adalah É› dan d p .
di mana É› = fraksi kosong tempat tidur,
dan d p = diameter partikel adsorben rata-rata
Setelah evaluasi Z a menggunakan Persamaan. (4.62), f dihitung secara numerik menggunakan Persamaan. (4.59). Akhirnya Ï´ dan L O dievaluasi menggunakan Persamaan. (4.58) dan Persamaan. (4,57) masing-masing.
Contoh 4.4:
Sebuah adsorber unggun tetap dirancang untuk adsorpsi aseton dari udara yang memiliki konsentrasi awal, Y 0 = 0,024 kg aseton/kg udara pada suhu 30 °C menggunakan karbon aktif granulasi (GAC). Laju aliran gas volumetrik adalah 12000 m 3 / jam. Konsentrasi aseton yang diizinkan (Y B ) dalam gas yang diolah dapat diambil sebagai 0,001 kg aseton/kg udara dan kerapatan curah GAC (p b ) sebagai 400 kg/m 3 . Data keseimbangan adalah seperti yang tercantum di bawah ini.
Larutan:
Dengan tidak adanya informasi spesifik lain yang terkait dengan masalah desain ini, berikut ini diasumsikan:
Dengan menggunakan nilai asumsi Ï´ B , kecepatan superfisial dan H QG dan informasi yang ditentukan dalam soal, tinggi penyerap yang dikemas L 0 diperkirakan dengan bantuan pendekatan aturan jempol menggunakan persamaan/hubungan berikut:
Akhirnya menerima tinggi penyerap yang dikemas L 0 sebagaimana dihitung menggunakan Persamaan. (4.56), Ï´ B dihitung ulang mengikuti pendekatan analitis.
Merencanakan data kesetimbangan yang disediakan dan menggambar garis operasi yang sesuai menghasilkan gambar yang mirip dengan Gambar 4.14. Dari gambar tersebut diperoleh nilai X s sebesar 0,177. Untuk estimasi N OG dan f dengan integrasi numerik, nilai Y, X, dan Y* yang diperlukan dibaca dari gambar dan nilai yang dihitung dari
