Selama berabad-abad manusia telah membuang limbah ke atmosfer, dan polutan ini telah hilang bersama angin.
Kita telah melihat bahwa sumber utama polusi udara adalah:
(i) Kendaraan bermotor,
(ii) Industri, khususnya limbah cerobongnya,
(iii) Pembangkit berbahan bakar fosil (batubara), sebagai pembangkit listrik termal.
Langkah-langkah harus diambil untuk mengendalikan polusi pada sumbernya (pencegahan) serta setelah pelepasan polutan di atmosfer. Ada kebutuhan mendesak untuk mencegah emisi dari sumber utama polusi udara tersebut di atas.
[Lima titik kontrol kemungkinan emisi polutan udara]
Pengendalian emisi dapat dilakukan dengan berbagai cara.
Lima kemungkinan terpisah untuk kontrol ditunjukkan pada Gambar. 2.6.
Ini secara singkat dipertimbangkan di sini sebagai berikut:
- Koreksi sumber:
1 ini adalah solusi termudah untuk masalah polusi udara, di mana kita menghentikan proses bersalah. Oleh karena itu, ini juga disebut pencegahan. Insinyur harus mempertimbangkan kemungkinan mengendalikan emisi dengan mengubah proses. Misalnya, jika mobil ditemukan melepaskan kadar timbal yang tinggi di udara, solusi yang paling masuk akal adalah menghilangkan timbal dalam bensin. Sumber telah diperbaiki dan masalah diselesaikan.
Selain perubahan bahan baku, modifikasi proses juga dapat digunakan untuk mencapai hasil yang diinginkan. Misalnya insinerator sampah kota diketahui berbau busuk. Bau seringkali dapat dengan mudah dikendalikan jika insinerator dioperasikan pada suhu yang cukup tinggi untuk mengoksidasi sepenuhnya bahan organik yang menyebabkan bau. Tindakan seperti perubahan proses, konversi bahan baku, atau modifikasi peralatan untuk memenuhi standar emisi dikenal sebagai kontrol.
Sebaliknya, pengurangan adalah istilah yang digunakan untuk semua perangkat dan metode untuk mengurangi jumlah polutan yang terlepas ke atmosfer setelah bahan tersebut dikeluarkan dari sumbernya. Dalam pengertian yang lebih luas dan untuk kesederhanaan, lebih baik menyebut semua prosedur sebagai kontrol.
- Pengumpulan polutan:
Seringkali masalah yang paling serius dalam pengendalian polusi udara adalah pengumpulan polutan untuk memberikan perawatan. Mobil adalah yang paling berbahaya, satu-satunya karena emisinya tidak dapat dikumpulkan dengan mudah. Jika kita dapat menyalurkan knalpot dari mobil ke beberapa fasilitas pusat, penanganannya akan jauh lebih masuk akal daripada mengendalikan setiap mobil.
Salah satu keberhasilan dalam mengumpulkan polutan adalah daur ulang gas hembusan di mesin pembakaran internal. Dengan menyalakan kembali gas-gas ini dan mengeluarkannya melalui sistem pembuangan mobil, kebutuhan untuk memasang perangkat perawatan terpisah untuk mobil dapat dihilangkan. Insinyur pengontrol polusi udara mengalami masa terberat ketika polutan dari industri tidak dikumpulkan tetapi dipancarkan dari jendela, pintu, dll.
- Pendinginan:
Gas buang yang akan diolah terkadang terlalu panas untuk peralatan kontrol dan gas tersebut harus didinginkan terlebih dahulu. Ini dapat dilakukan dengan tiga cara umum: pengenceran, pendinginan, atau koil penukar panas (Gbr. 2.7). Pengenceran hanya dapat diterima jika jumlah total pembuangan panasnya kecil. Pendinginan memiliki keuntungan tambahan untuk menghilangkan beberapa gas dan partikulat ini. Kumparan pendingin mungkin yang paling banyak digunakan, dan sangat sesuai ketika panas dapat dihemat.
- Pengobatan:
Pemilihan perangkat pengolahan yang tepat membutuhkan pencocokan karakteristik polutan dan fitur perangkat kontrol. Penting untuk disadari bahwa ukuran polutan udara berkisar banyak urutan besarnya, dan oleh karena itu tidak masuk akal untuk mengharapkan satu perangkat efektif untuk semua polutan.
Selain itu, jenis bahan kimia dalam emisi seringkali menentukan penggunaan beberapa perangkat. Misalnya, gas yang mengandung konsentrasi S02 yang tinggi dapat dibersihkan dengan semprotan air, tetapi H 2 SO 4 yang dihasilkan dapat menimbulkan masalah korosi yang serius.
Banyak perangkat muncul di pasaran, berikut ini yang paling banyak digunakan:
(a) Ruang penjualan tidak lebih dari tempat besar di cerobong asap, mirip dengan tangki pengendapan dalam pengolahan air. Kamar-kamar ini hanya menghilangkan partikel besar.
(b) Siklon banyak digunakan untuk menghilangkan partikulat besar. Udara kotor dihembuskan ke dalam silinder berbentuk kerucut, tetapi keluar dari garis tengah. Ini menciptakan pusaran keras di dalam kerucut, dan padatan berat bermigrasi ke dinding silinder di mana mereka melambat karena gesekan dan ada di bagian bawah kerucut. Udara bersih ada di tengah silinder dan keluar dari atas. Siklon banyak digunakan sebagai pembersih awal, untuk menghilangkan material berat sebelum perawatan lebih lanjut.
(c) Bag filter beroperasi seperti penyedot debu pada umumnya. Tas kain digunakan untuk mengumpulkan debu yang harus dikeluarkan dari tas secara berkala. Kain menghilangkan hampir semua partikulat. Filter bag banyak digunakan di banyak industri; tetapi sensitif terhadap suhu tinggi dan kelembaban.
(d) Pengumpul basah tersedia dalam berbagai bentuk dan gaya. Menara penyemprot sederhana (Gbr. 2.8) adalah metode yang efektif untuk menghilangkan partikulat besar. Scrubber yang lebih efisien meningkatkan kontak antara udara dan air dengan aksi keras di bagian sempit tempat air dimasukkan. Umumnya, semakin keras pertemuannya, dan karenanya semakin kecil gelembung gas atau tetesan air, semakin efektif penggosokannya.
(e) Pengendapan elektrostatik banyak digunakan di pembangkit listrik. Materi partikulat dihilangkan dengan terlebih dahulu diisi oleh elektron (Melompat dari satu elektroda tegangan tinggi ke elektroda lainnya, dan kemudian bermigrasi ke elektroda bermuatan positif. Satu jenis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 terdiri dari pipa dengan kawat yang menggantung di tengah .Partikulat akan terkumpul di pipa dan harus dihilangkan dengan memukul pipa dengan palu.Pengendap elektrostatis tidak memiliki bagian yang bergerak, memerlukan listrik, dan sangat efektif dalam menghilangkan partikel sub mikron.Harganya mahal.
(f) Pembersih gas hanyalah pengumpul basah seperti dijelaskan di atas tetapi digunakan untuk melarutkan gas.
(g) Adsorpsi adalah penggunaan bahan seperti karbon aktif untuk menangkap polutan. Penyerap semacam itu mungkin mahal untuk dibuat ulang. Sebagian besar bekerja dengan baik untuk organik dan memiliki penggunaan terbatas untuk polutan anorganik. Gambar 2.9 menunjukkan langkah-langkah menara adsorpsi.
(h) Insinerasi adalah metode untuk menghilangkan polutan gas dengan cara membakarnya menjadi C02, H20 dan insert. Ini bekerja hanya untuk uap yang mudah terbakar.
(i) Pembakaran katalitik melibatkan penggunaan katalis untuk menyerap atau mengubah polutan secara kimiawi.
Sekali lagi penting untuk menekankan ketergantungan efektivitas perangkat perawatan pada ukuran partikel. Gambar 2.10 menunjukkan kisaran perkiraan kemampuan beradaptasi untuk berbagai metode pengobatan yang dibahas di atas.
5. Dispersi:
Ilmu meteorologi memiliki pengaruh besar pada polusi udara. Masalah polusi udara melibatkan tiga bagian. Sumber, pergerakan polutan, dan penerima (Gbr. 2.10). Konsentrasi polutan pada penerima dipengaruhi oleh dispersi atmosfer, atau bagaimana polutan diencerkan dengan udara bersih. Dispersi ini berlangsung secara horizontal maupun vertikal.
Rotasi bumi menghadirkan area baru bagi matahari untuk bersinar dan menghangatkan udara. Dengan demikian pola angin terbentuk di seluruh dunia, beberapa musiman (misalnya angin topan) dan beberapa permanen. Insinyur polusi udara sering menggunakan variasi mawar angin (mawar angin adalah gambar grafis dari data kecepatan dan arah angin), yang disebut mawar polusi untuk menentukan sumber polutan.
Difusi adalah proses penyebaran emisi ke area yang luas dan dengan demikian mengurangi konsentrasi polutan tertentu. Penyebaran atau dispersi plume bersifat horizontal maupun vertikal. Konsentrasi polutan maksimum berada di garis tengah kepulan, yaitu searah dengan angin yang berlaku.
Saat kita bergerak lebih jauh dari garis tengah, konsentrasi menjadi lebih rendah. Jika kita mengasumsikan bahwa penyebaran kepulan asap di kedua arah didekati dengan kurva probabilitas Gaussian, kita dapat menghitung konsentrasi polutan pada jarak berapa pun arah angin X dari sumber.
Bahaya polusi dapat diprediksi berdasarkan data meteorologi, dan peringatan dini untuk kondisi bahaya yang akan datang dan rencana darurat dapat dikembangkan untuk menutup industri.
Pengendalian polutan dari sumber bergerak:
Meskipun banyak dari metode kontrol yang disebutkan di atas juga dapat diterapkan pada sumber bergerak, satu sumber bergerak yang sangat khusus yang layak mendapat perhatian khusus dari mobil. Operasi mesin memiliki efek langsung pada emisi. Jumlah CO, HC, dan NOx berbeda selama idling, akselerasi, cruising, dan deselerasi.
Teknik pengendalian emisi untuk mesin mobil pembakaran dalam meliputi penyetelan, reaktor katalitik, dan modifikasi mesin. Tune-up mungkin memiliki efek signifikan pada komponen emisi. Misalnya, rasio udara/bahan bakar yang tinggi (campuran kurus) akan mengurangi CO dan HC, tetapi dengan peningkatan NOx.
Strategi pengendalian kedua, sekarang banyak digunakan, adalah reaktor katalitik yang mengoksidasi CO dan HC menjadi CO 2 dan H 2 O. Reaktor kedua mereduksi NOx menjadi N 2 . Reaktor katalis paling populer memiliki dua kelemahan serius. Pertama, mereka mudah dikotori oleh timbal. Infact pindah ke bensin non-timbal telah didorong oleh alasan ini dan bukan oleh kepedulian terhadap tingkat timbal di atmosfer. Masalah kedua dengan reaktor adalah senyawa belerang dalam bensin dioksidasi menjadi partikel SO3 , dan dengan demikian meningkatkan kadar belerang di lingkungan.
Dalam modifikasi mesin teknik kontrol ketiga, mesin muatan bertingkat digunakan tanpa reaksi katalitik. Dalam mesin ini, silinder memiliki dua kompartemen, dengan satu kompartemen menerima campuran yang kaya, menyala, dan kemudian memberikan nyala api yang luas untuk pembakaran yang efisien di kompartemen silinder utama. Modifikasi lain juga telah dikembangkan. Sulit untuk membuat mesin pembakaran internal yang benar-benar bersih. Mobil listrik bersih tetapi hanya dapat menyimpan daya yang terbatas sehingga jangkauannya terbatas.
Metode umum untuk mengendalikan polusi udara oleh mobil dan industri telah dibahas secara singkat di atas. Beberapa tindakan khusus untuk mengendalikan polutan kendaraan dan industri di udara diberikan di bawah ini.
Polusi kendaraan:
- Untuk memeriksa emisi polutan dari knalpot kendaraan:
Ini dapat dicapai dengan:
(i) Menggunakan proporsi bensin dan udara yang baru,
(ii) Waktu pemberian bahan bakar yang lebih tepat,
(iii) Menggunakan aditif gas untuk meningkatkan pembakaran,
(iv) Dengan menginjeksikan udara ke dalam knalpot untuk mengubah senyawa knalpot menjadi bahan yang kurang beracun, dan dengan
(v) Memperbarui desain mesin dan/atau memasang peralatan pengurangan (perangkat) untuk menyempurnakan pembakaran dengan desain mesin yang ada.
Karbon monoksida dihasilkan dari kandungan udara yang rendah dari campuran bahan bakar, sedangkan produksi NOx didorong oleh suhu pembakaran yang tinggi. Hidrokarbon kurang lebih mengikuti pola CO.
Penghapusan total dari ketiga polutan ini dapat dicapai dengan memperbarui desain mesin saat ini (misalnya mesin empat langkah) atau dengan membuat perubahan yang sesuai pada perangkat untuk meningkatkan pembakaran.
- Untuk mengontrol penguapan dari tangki bahan bakar dan karburator:
Ini dapat dilakukan dengan:
(i) Pengumpulan uap dengan arang aktif saat mesin dimatikan dan penyalaannya saat mesin dihidupkan,
(ii) Memberikan sedikit tekanan pada bensin di dalam tangki untuk mencegah penguapan gas dan
(iii) Mengembangkan bensin dengan volatilitas rendah yang tidak mudah menguap.
- Penggunaan filter:
Beberapa uap gas keluar di antara dinding dan piston yang masuk ke bak mesin dan kemudian dibuang ke atmosfer. Hidrokarbon (sekitar 25%) dilepaskan dengan cara ini. Oleh karena itu, penggunaan filter yang menangkap dan mendaur ulang gas-gas yang lolos ini di dalam mesin harus mengendalikan emisi hidrokarbon ini.
- Kontrol melalui Hukum:
Ini harus ditegakkan beberapa standar melalui Undang-Undang Kendaraan Bermotor dan Undang-Undang lainnya untuk desain mesin dll.
Polusi industri:
Untuk memeriksa polusi udara oleh limbah cerobong pabrik industri, kita harus menyusun langkah-langkah untuk menghilangkan partikel dan polutan gas dari limbah. Penghapusan partikel melibatkan pengumpulannya di bawah pengaruh gaya yang berbeda, sehingga memindahkannya terus menerus keluar dari aliran gas.
Peralatan yang digunakan untuk menghilangkannya adalah:
(i) Pengumpul siklon, dan
(ii) Electrostatic precipitators (ESPs). Jadi kita harus menghasilkan teknologi kontrol. Saat ini hanya sedikit pembangkit listrik dan industri yang telah memasang ESP yang diperlukan.
- Pengumpul siklon:
Di sini partikel yang mengandung gas buang dikenai sentrifugasi. Partikel-partikel tersuspensi bergerak menuju dinding badan siklon, lalu ke dasarnya dan akhirnya dibuang. Pengumpul siklon menghilangkan sekitar 70% partikel.
- Pengendapan elektrostatis (ESP):
Untuk menghilangkan partikel dari aliran gas, gaya listrik diterapkan di dalam ruang di precipitator. Partikel tersuspensi menjadi bermuatan atau terionisasi, dan mereka tertarik ke elektroda bermuatan dan kemudian dipindahkan. ESP dapat menghilangkan 99% polutan partikulat dari cerobong asap
ESP bekerja sangat baik di pembangkit listrik, pabrik kertas, pabrik semen, pabrik blok karbon, dll. Debu dengan resistivitas tinggi dapat mempersulit pemisahan di ESP. Untuk mengatasinya, filter kain atau bag filter digunakan. Tapi filter kain tidak cocok untuk partikel basah atau lengket, kondisi korosif ekstrim, dan suhu gas yang tinggi.
Polutan gas:
Ini dapat dihapus dengan tiga metode berikut.
(a) Sistem basah:
Ini digunakan sebagai menara pencuci di mana cairan alkali bersirkulasi terus menerus. Cairan ini bereaksi dengan SO2 menghasilkan endapan.
(b) Sistem kering:
Di sini polutan gas dibiarkan bereaksi dengan penyerap di bawah fase kering. Dolomit, kapur (CaO) dan batu kapur (CaOH) ditempatkan di jalur aliran gas (SO2). Prosesnya tidak terlalu mahal dan tidak melibatkan semprotan air. Air yang bersentuhan dengan SO2 menghasilkan H2SO4 korosif .
(c) Sistem kering basah:
Di sini air dalam penyerap bereaksi dengan komponen asam. Ini menawarkan alternatif untuk proses basah tradisional yang digunakan untuk desulfurisasi gas bahan bakar dari boiler berbahan bakar batubara. Kalsium hidroksida penyerap disebarkan ke aliran gas panas dalam bentuk tetesan kecil. Kalsium bereaksi dengan SO 2 dan gas panas menyebabkan air menguap secara bersamaan.
Produk akhirnya adalah tenaga kering yang sebagian besar mengandung fly ash dan garam. Arang juga dapat digunakan sebagai penyerap. Penyerap lain juga dapat digunakan untuk mengambil alkohol dan benzena. Metode ini sangat efektif di pabrik dry cleaning, percetakan, dan pabrik cat, pabrik pengolahan makanan, pabrik bir, dan industri farmasi. Pembakaran gas juga dapat digunakan untuk industri perminyakan dll.
Kontrol melalui hukum:
Seperti kendaraan bermotor, standar juga harus ditegakkan oleh UU yang sesuai untuk industri. Ada kondisi lain yang bisa ditegakkan oleh hukum.
