Bahan Belajar Modul Tracer Experiment (TRE)

Tracer Experiment

Percobaan ini memberikan sebuah gagasan yaitu pengolahan limbah cair menggunakan plug 

flow reactor dengan menggunakan waktu tinggal dari material.

Tujuan: Untuk mengihitung waktu tinggal sebenarnya dari suatu plug flow reactor dan 

melihat pola aliran di dalam plug flow reactor.

Waktu tinggal reaktor adalah lamanya waktu bahan baku berada didalam reaktor Unsur-unsur 

dari suatu material mempunyai jalur yang berbeda-beda dalam melewati reaktor, yang mungkin 

membutuhkan lama waktu yang berbeda untuk melewati reaktor. Distribusi dari waktu-waktu

tersebut untuk aliran material meninggalkan reaktor, dinamakan distribusi waktu tinggal (E), 

atau biasa disebut dengan Retention Time.

Residence time (waktu tinggal) merupakan suatu konsep yang berguna secara luas untuk

mengungkapkan seberapa cepat sesuatu yang bergerak, melalui suatu sistem dalam 

kesetimbangan. Residence time adalah waktu rata-rata untuk menghabiskan suatu zat dalam 

ruang wilayah tertentu, seperti reservoir. Misalnya, waktu tinggal air yang disimpan di 

dalam tanah, sebagai bagian dari siklus air yaitu sekitar 10.000 tahun. Metode yang umum untuk 

menentukan tempat tinggal adalah untuk menghitung berapa lama waktu yang diperlukan untuk 

suatu wilayah ruang, untuk menjadi penuh dengan sesuatu zat

Waktu tinggal,, Waktu yang diperlukan untuk paket udara atau reagen untuk lulus dari pintu 

masuk ke keluar dari instrumen. Sering kali ini diperkirakan sebagai rasio dari volume interior 

perangkat untuk laju aliran.

Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu 

reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Reaktor kimia adalah segala tempat terjadinya 

reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti 

reaktor pada skala industri.

Ada dua jenis reaktor secara teoritis yang paling banyak digunakan dalam pereaksian kimia 

yang beroperasi dalam keadaan tunak (steady state) yaitu Continous Stirred Tank Reactor 

(CSTR) dan Plug Flow Reactor (PFR). Perbedaannya adalah pada dasar asumsi konsentrasi 

komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi

Tujuan pemilihan reaktor adalah (Smith, 1981) : 1. Mendapat keuntungan yang besar 2. Biaya 

produksi rendah 3. Modal kecil/volume reaktor minimum 4. Operasinya sederhana dan murah 5. 

Keselamatan kerja terjamin 6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya

Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh (Smith, 1981) : 1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi 2. 

Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping 3. Kapasitas

produksi 4. Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya 5. Kemampuan reaktor untuk 

menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas

Reaktor tangki berpengaduk (CSTR) adalah jenis reaktor ideal di dalam ilmu teknik kimia 

dimana reaktor diasumsikan berjalan pada keadaan steady state dengan aliran reaktan dan produk 

secara berkelanjutan.

Plug flow reactor (PFR) merupakan reaktor di mana reaksi kimia berlangsung secara kontinyu 

sepanjang sistem aliran. Reaktor alir pipa ini digunakan untuk memperkirakan sifat-sifat reaktor 

kimia sehingga variabel kunci reaktor seperti dimensi reaktor bisa dihitung.

Jenis nya : 1). Fixed Bed Reactor berbentuk pipa besar yang didalamnya itu berisi katalisator 

padat. Biasanya digunakan untuk reaksi fasa gas dengan katalisator padat. Apabila diperlukan 

proses transfer panas yang cukup besar biasanya berbentuk fixed bed multitune, dimana reaktan 

bereaksi di dalam tube2 berisi katalisator dan pe,anas/pendingin mengalir di luar tube di dalam 

shell.

2). Fluidized Bed Reactor biasanya digunakan untuk reaksi fasa gas katalisator padat 

dengan umur katalisator yang sangat pendek sehingga harus cepat diregenerasi. Atau padatan 

dalam reactor adalah reaktan yang bereaksi menjadi produk.

3). Reaktor Alir pipa biasanya berupa gas-gas, cair-cair dimana reaksi tidak 

menimbulkan panas yang terlalu tinggi. Reaktor memiliki aliran plug flow yang optimal untuk 

kecepatan reaksi tetapi cukup sulit untuk alat transfer panasnya.

Pola aliran

Pola aliran adalah salah satu faktor penentu waktu tinggal sebenarnya dari suatu reaktor. Hal ini 

dikarenakan pola aliran yang tebentuk menunjukan bagaimana material atau cairan tersebut 

terdistribusi di dalam reaktor. Pada dasarnya pola aliran akan mengikuti pola campuran plug 

flow dan mixed flow yang disebut aliran non ideal.

Dibagi atas dua yaitu :plug flow dan mixed flow. hal tersebut didasarkan pada kebiasaan yang 

berbeda dalam tangki yaitu ukuran reaktor dan bulk density.Ada tiga faktor saling terkait dalam 

membentuk menghubungi pola aliran:

1). RTD atau waktu tinggal distribusi bahan yang mengalir di dalam reaktor. 

2). Keadaan agregasi dari fluida, apakah bahan tersebut cenderung tertahan pada perlengkapan 

pada reaktoratau bergerak tanpa hambatan. 

3). Kecepatan dan kelambatan material yang dicampurkan dalam reactor.

stagnant region dan channeling adalah bagian-bagian tertentu yang tidak dijangkau oleh aliran 

yang diberikan.

note: Tidak semua molekul menghabiskan waktu yang sama dalam suatu reaktor. Beda waktu 

tinggal berarti beda waktu kontak antara 10 sponge dan limbah. Distribusi produk dipengaruhi 

oleh RTD.Setiap fluida pasti mengambil rute yang berbeda pada saat mengalir dalam suatu 

reaktor yang menyebabkan lamanya waktu fluida tersebut berada pada reaktor.

Praktikum ini menggunakan material tracer dengan menginjeksikan cairan yang mengandung 

bahan inert seperti NaCl ke dalam sistem.

note: inert = senyawa atau zat yang tahan terhadap reaksi kimia

1. Konsentrasi tracernya itu dideteksi pakai in line Conducticity Meter, fungsinya untuk 

mengukur kemampun daya hantar listrik/nilai konduktivitas listrik suatu larutan ataupun air 

dalam suatu perairan.

2. Setelah mendapat datanya dibuat kurva RTD (Recidence Time Distribution)

Note: Residence Time Distribution atau RTD dari reaktor kimia adalah fungsi distribusi 

probabilitas yang menggambarkan waktu fluida berada dalam suatu reaktor.

Insinyur kimia menggunakan RTD untuk mengkarakterisasi pencampuran dan fluida yang 

mengalir dalam reaktor serta untuk membandingkan perilaku fluida dalam sebuah reaktor 

ideal.Hal ini berguna, tidak hanya untuk mengatasi masalah reaktor yang ada, namun dalam 

memperkirakan hasil dari suatu reaksi dan merancang reaktor masa depan.

3. Hitung waktu tinggal cairan sebenarnya (Actual Time Distribution)

Ada dua model menganalisa kurva RTD 

1 Model dispersi biasanya menggunakan metode stimulus response yang merupakan metode 

dengan penginjeksian tracer dalam aliran masuk yang selanjutnya dianalisa konsentrasinya setiap 

saat, Waktu yang diperoleh menunjukkan waktu penyebaran tracer yang disebut residence time 

distribution.

Bilangan dispersi adalah parameter yang menunjukkan luas dispersi yang mencirikan penyebaran 

fluida secara menyeluruh di dalam reaktor, Bilangan dispersi dapat ditentukan dengan merekam 

bentuk kurva konsentrasi tracer yang keluar

2. Model Tangki Berseri, sd asd

Persamaan 1 akan digunakan untuk menentukan waktu tinggal cairan aktual di dalam bioreaktor 

dengan menggunakan hukum fick dan diasumsi pada kondisi tunak, maka dapat diturunkan 

persamaan untuk menganalisis kurva RTD. Persamaan 2 dan 3 digunakan untuk menganalisis 

kurva RTD.

Alat dan bahan praktikum

Alat yang digunakandalampercobaaniniadalah: 

- Reaktor DHS

Downflow Hanging Sponge (DHS) telah diusulkan sebagai pemecahan persoalan penanganan 

limbah domestik untuk negara-negara berkembang. DHS bioreaktor adalah pengolahan limbah 

secara biologis yang tidak membutuhkan aerator dan mudah dalam pengoperasian.

- Corning Pinnacle 541 Conductivity Meter 

- Magnetic stirrer 

- Bucket (keranjang)

- Spons 

- GelasBeaker 

- Stopwatch 

- Modulspons 

- Wayer

- Spatula 

Bahan yang digunakandalampercobaaniniadalah: 

- Air - Garam (NaCl)

ProsedurKerja

Prosedur kerja percobaan tracer experiment adalah sebagai berikut:

1. Susun peralatannya ituu untuk tracer experiment pada plug flow reactor. 

2. kita tentukan laju alir pompanya sesuai dengan Retention Time Distribution (RTD) dari 

penugasan yang diberikan. 

3. Dibuat larutan garam jenuh untuk digunakan sebagai bahan inert dalam reaktor yang 

kemudian akan disuntikkan / diinjeksikan ke dalam reactor sebanyak 10 ml. 

4. Kita letakkan stirrernya itu pada bagian bawah reaktor sesuai yang ada pada gambar. Untuk 

letak magnetic stirrer dipastikan terletak pada posisi off-center bucket. 

5. Pasangkan Conductivity meter pada bucket untuk menghitung kadar garam (elektrolit) pada 

reactor plug flow. Conducticity meternya itu dibaca dalam mikroSiemens dan miliSiemen. 

6. Setelah langkah langkah tadi selesai, garam(NaCl) disuntikkan pada reactor lalu dijalankan 

stopwatch.

4. PENUGASAN ( Pilih Salah Satu ) 

4.1 HRT Reaktor 

Hydraulic Retention Time itu waktu rata-rata suatu senyawa yang mudah larut untuk tetap 

berada di dalam reaktor.

 1 Jam 

 1.5 Jam 

 0.5 Jam

Penugasan:  Catatlah bacaan conductivity meter sesuai dengan penugasan  Tentukan laju alir 

influent dan effluent lalu tentukan Liquid Hold pada Reaktor.  Tentukan waktu tinggal actual 

di dalam reactor

Liquid hold-up dihitung dari perbandingan antara fraksi full liquid dan fraksi dua fasanya. 

Kecepatan gelombang dihitung dengan menggunakan metode korelasi silang dari liquid holdup dua sensor yang berututan. Peningkatan kecepatan fluida cair akan sebanding dengan 

meningkatnya liquid hold-up.

Tujuan mempelajari Tracer Experiment:

Untuk memperkirakan volume efektif dari masing-masing reactor DHS dalam dua 

kondisi yaitu sebelum memulai (spons bersih) dan selama percobaan berlangsung (spons penuh 

lumpur). Tracer experiment merupakan percobaan yang di lakukan dengan menginjeksikan 

cairan inert (NaCl pekat) ke dalam aliran masuk dan konsentrasi tracer keluar akan terdeteksi 

oleh conductivity detector dan terbaca.

PFR berfungsi untuk mereaksikan suatu reaktan dalam bentuk fluida dan mengubahnya 

menjadi produk, mengalirkan fluida dalam pipa secara kontinyu. Hal ini dapat memungkinkan 

reaksi dalam reaktor berlangsung cukup singkat. Sedangkan metode yang digunakan secara 

kontinyu dengan kelengkapan baffle agar fluida menjadi turbulen.

Dalam praktikum ini digunakan material tracer berupa spons-spons kecil dengan cara 

menginjeksikan sebanyak 10 mL cairan yang mengandung bahan inert yang mana dalam kasus 

ini kita gunakan NaCl ke dalam reaktor PFR yang didalamnya telah terdapat terdapat module 

sponger. Konsentrasi cairan tracer pada aliran keluar dideteksi dengan menggunakan 

conductivity meter. Berdasarkan data yang diperoleh waktu tinggal teoritis, sehingga tingkat 

penetrasi cairan ke dalam module spons dapat diprediksi dan persentase banyaknya air yang 

terakumulasi di dalam modul (water hold-up volume) dapat diketahui. Untuk menentukan 

waktu tinggal actual-5 dari cairan didalam reactor maka pada saat menggunakan conductivity 

meter dan dilakukan pengulangan sebanyak dua kali. Berdasarkan hasil pengulangan tersebut 

didapatkan lamanya waktu tinggal cairan didalam reaktor.

Waktu tinggal teoritis adalah waktu tinggal yang diberikan pada penugasan sedangkan 

waktu tinggal yang diperoleh dari hasil perhitungan merupakan waktu tinggal aktual. Selain dari 

perhitungan, waktu tinggal aktual dapat pula dilihat dari titik puncak grafik hubungan 

konduktivitas tracer terhadap waktu.

Pengaruh:

1. Distribusi waktu tinggal atau residence time distribution adalah lamanya material 

berada dalam sebuah reaktor. Waktu tinggal teoritis adalah waktu tinggal yang diberikan 

pada penugasan sedangkan waktu tinggal yang diperoleh dari hasil perhitungan 

merupakan waktu tinggal aktual. Selain dari perhitungan, waktu tinggal aktual dapat pula 

dilihat dari titik puncak grafik hubungan konduktivitas tracer terhadap waktu. 

A. Perbedaan laju alir mempengaruhi nilai konduktivitas. Selanjutnya nilai 

konduktivitas tracer akan menurun akibat penurunan konsentrasi di dalam reactor hingga 

mencapai konduktivitas air, pada Gambar 2.1 dapat dilihat juga ada long failing yang 

terlihat, hal ini menunjukkan keberadaan dari dead zone atau zona mati.

B. Hold-Up volume merupakan banyaknya cairan yang terakumulasi di dalam reaktor. 

Hold-Up volume merupkan persentase perbandingan waktu tinggal actual dengan waktu 

tinggal teoritis (Levenspiel,1999). Terjadi peningkatan nilai hold up seiring 

bertambahnya laju alir.

2. Bilangan dispersi adalah bilangan yang digunakan untuk mengetahui jenis aliran yang 

ada dalam reaktor plug flow (PFR).

3. Tangki Berseri Hal ini sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa nilai laju alir yang 

besar akan menaikkan nilai N (Nilai Tangki berseri).

4. Fenomena dalam Reaktor. Fenomena-fenomena yang terjadi juga dapat dilihat dalam 

kurva RTD yang dihasilkan. Nilai maksimum puncak kemudian secara konstan akan 

menurun sampai konsentrasi awal. Maka bagian itu adalah short circuiting dan bila ada 

pada kurva tartling mengindikasikan daerah yang dinamakan dead zone. Zona yang ga 

kena. Jadi zat yang kita campurin di situ aja, di deadzonenya aja.

2.5 Down-flow Hanging Sponge Reactor Down-flow Hanging Sponge

(DHS) reactor merupakan salah satu sistem dalam mengolah air limbah domestik. 

Penggunaan sistem reaktor DHS dikembangkan oleh Prof. Harada di Universitas Teknologi 

Nagaoka, Jepang. Sistem ini didesain untuk diaplikasikan sebagai unit pengolahan air limbah di 

negara berkembang, yang pada umumnya dibutuhkan sistem dengan biaya yang rendah dan 

pengoperasian serta pemeliharaannya dapat dilakukan dengan mudah. Selain itu, sistem ini 

didesain untuk mengurangi produksi lumpur dari suatu sistem instalasi pengolahan air limbah. 

Sistem ini pertama kali dipublikasikan secara internasional pada tahun 1997 (Agrawal et al., 

1997; Machdar et al., 1997 dalam Tandukar et al, 2006) dengan prinsip penggunaan spons 

poliuretan sebagai media untuk menahan biomassa. Konsep dari penggunaan sistem ini mirip 

dengan trickling filter, tetapi menggunakan materi yang terbuat dari spons. Spons poliuretan 

menjadi media pendukung untuk berbagai mikroorganisme dengan menyediakan sel hunian lebih 

lama, meningkatkan difusi udara ke dalam air limbah, serta mengurangi kebutuhan aerasi 

eksternal, karenanya DHS tidak seperti kebanyakan sistem aerobik yang ada (Nurhadi, 2010).

Kelebihan endapan DHS dapat diabaikan selama SRT (Solid Retention Time) 

memberikan waktu yang cukup untuk autolisis lumpur di dalam sistem itu sendiri. Kelebihan lain 

sistem DHS walaupun minim pemeliharaan, tetapi menghasilkan kualitas effluent yang baik, 

terutama yang berhubungan dengan senyawa organik dan penghilangan nitrogen. Kelebihan 

utama sistem DHS adalah laju kolonisasi yang cepat dan padat, area permukaan materi spesifik 

mencapai 2.400 m2 /m3 dan porositas 97%, proses yang stabil dan tidak membutuhkan aerasi 

tambahan, produksi lumpur yang rendah, laju tahanan biomassa cukup untuk penerapan tahanan 

yang tinggi.

Prinsip kerja sistem DHS hampir sama dengan sistem trickling filter. Media filter yang 

digunakan adalah dengan menggunakan rangkaian spons yang terbuat dari bahan poliuretan yang 

disusun secara seri sebagai media untuk menahan mikroba biomassa. Sesuai dengan namanya, 

sistem ini bekerja dengan prinsip down-flow, dimana air limbah dialirkan dari bagian atas 

reaktor, kemudian terolah oleh mikroorganisme yang terdapat atau tumbuh di permukaan media 

spons pada saat air limbah tersebut mengalir melewati reaktor. Karena spons dalam reaktor DHS 

menggantung secara bebas di udara, oksigen dapat terlarut secara alami ke dalam air limbah 

ketika air mengalir ke bawah melewati reaktor, sehingga sistem ini tidak membutuhkan aerasi 

atau input energi lainnya. Selain itu, reaktor DHS dapat menjadi penyokong tempat kehidupan 

biomassa, baik di dalam spons maupun di bagian permukaan. Hal ini tentu akan mengurangi 

jumlah lumpur yang dihasilkan pada akhir pengolahan (Machdar et al., 2000; Tandukar et al., 

2005; Uemura et al., 2002).

Tabung reaktor digunakan hanya untuk menjaga agar tidak terjadi kontaminasi dengan 

debu atau partikulat lainnya. Salah satu keuntungan ekonomis dari sistem ini yaitu tidak 

diperlukannya aerasi tambahan, sehinga pembiayaan energi dapat ditekan.

Media spons yang digunakan berfungsi sebagai penghalang yang selektif karena media 

spons hanya dapat melewatkan komponen tertentu, sementara yang lain akan tertahan di dalam 

media. Pemisahan material yang terjadi dalam media spons didasarkan pada perbedaan ukuran 

dan bentuk molekul padatan yang terkandung di dalam air limbah maupun yang terjadi akibat 

proses penguraian di dalam sistem. Molekul padatan yang lebih besar dari pada pori-pori spons 

akan tertahan, sedangkan komponen dengan ukuran yang lebih kecil akan mengalir melewati 

media spons.

Dalam sistem ini, tekanan yang diberikan dari aliran air limbah akan menggerakan air ke 

seluruh bagian pori-pori spons. Air limbah yang dialirkan melewati media spons berbentuk 

kubus dengan ukuran 2 x 2 cm dan digantung secara vertikal merupakan aliran yang relatif baik 

karena terjadinya aliran silang. Tipe aliran umpan yang terjadi selama proses filtrasi dapat berupa 

aliran melintas (dead-end) maupun aliran silang (cross-flow) (Michaels, 1989). Menurut 

Rahmayetty dkk., tipe aliran umpan yang baik dalam bioreaktor yaitu tipe aliran silang. Dalam 

pengoperasian aliran silang, air dialirkan tegak lurus arah perpindahan massa pada media. 

Tekanan menggerakan hanya sebagian dari air limbah melalui media spons, sisa aliran air 

mengalir secara tangensial ke permukaan media dan secara kontinyu menyapu partikel yang 

terdapat pada permukaan media. Dengan aliran silang ini, maka partikel yang terakumulasi pada 

permukaan media dapat terlepas dari permukaan media tersebut karena adanya kecepatan dan 

tekanan aliran yang terjadi.

2.5.3 Kelebihan Reaktor DHS

Penggunaan reaktor DHS dalam unit pengolahan air limbah mempunyai beberapa 

kelebihan, antara lain:

1. Reaktor DHS merupakan unit biofilter dimana dalam satu unit terjadi dua pengolahan 

sekaligus yang terjadi, yaitu secara fisik dan biologis. 

2. Tidak dibutuhkan proses aerasi tambahan, sehingga energi yang dibutuhkan akan 

menjadi lebih sedikit. 

3. Lumpur yang dihasilkan sedikit. Bila dibandingkan dengan proses lumpur aktif, 

penggunaan reaktor ini akan menghasilkan lumpur yang lebih sedikit. Hal ini disebabkan oleh 

adanya proses biofilm rantai makanan yang lebih panjang dan melibatkan aktifitas 

mikroorganisme. 

4. Tidak berpengaruh signifikan akibat adanya beban kejut, sehingga dapat digunakan 

untuk pengolahan air limbah dengan konsentrasi rendah maupun konsentrasi tinggi. 

5. Spons yang digunakan dalam reaktor berfungsi sebagai media filter dan juga tempat 

hidup mikroorganisme. 

6. Proses nitrifikasi dan denitrifikasi terjadi secara bersamaan. 

7. Pengoperasiannya mudah dan biaya yang diperlukan tidak terlalu besar, sehingga 

penggunaan reaktor ini dapat dan baik digunakan oleh negara berkembang.

STUDI KASUS PABRIK AMMONIA

Reaktor DHS dapat mengurangi konsentrasi ammonia dalam air limbah dengan lebih 

mudah dikarenakan di dalam sistem biofilm terjadi kondisi aerobik dan anaerobik secara 

bersamaan. Mekanisme yang terjadi yaitu pada kondisi aerobik nitrogen ammonium akan diubah 

menjadi nitrit dan nitrat dan pada kondisi anaerobik terjadi proses denitrifikasi dimana nitrat 

yang terbentuk diubah menjadi gas nitrogen.

Mekanisme penerapan nya di industri

Air limbah yang dihasilkan dialirkan ke dalam bak pengumpul lalu dialirkan ke unit grit 

chamber untuk memisahkan partikel-partikel anorganik inert yang berukuran relatif besar. Unit 

ini penting untuk melindungi alat-alat pengolahan mekanis dan menjaga pompa dari kerusakan 

serta mencegah terjadinya penyumbatan pada pipa. Setelah melewati unit grit chamber, air 

limbah kemudian dipompa menuju tangki sedimentasi. Tangki sedimentasi merupakan bagian 

dari unit pengolahan air limbah yang digunakan untuk melangsungkan pemisahan kandungan zat 

padat dengan liquid dengan menggunakan gaya gravitasi dengan tujuan menyisihkan kandungan 

zat padat tersuspensi dalam air limbah. Setelah melewati tahap sedimentasi, air limbah kemudian 

dialirkan ke dalam reaktor DHS dengan menggunakan pipa orifice yang didesain berputar agar 

seluruh media spons yang digunakan terkena aliran air limbah dan tidak ada media yang kering. 

Effluent yang keluar dari unit pengolahan ini diharapkan sudah dapat memenuhi baku mutu air 

buangan yang ditentukan.