OXYGEN ANALYZER
PENGUKURAN KANDUNGAN OKSIGEN
Oksigen sangat penting baik dalam kehidupan sehari hari maupun dalam industri, dalam industri dipergunakan untuk oksidasi dan pembakaran. Oksigen dapat dijumpai dalam bentuk gas atau terlarut dalam cairan. Prinsip analisis oksigen dalam larutan tidak jauh berbeda dengan prinsip analisi oksigen dalam bentuk gas. Prinsip tersebut didasarkan pada sifat - sifat yang dimiliki oksigen. Untuk oksigen dalam bentuk gas, terdapat beberapa cara untuk mengukur konsentrasinya sebagai berikut :
1. Detektor paramagnetik
2. Pembakaran dengan katalis
3. Sel elektrokimia
Sedangkan untuk oksigen yang terlarut dalam cairan, cara yang sama seperti di atas dapat diterapkan jika oksigen yang terlarut dapat diuapkan / dijadikan gas terlebih dahulu. Khusus untuk mengukur kandungan oksigen yang tetap dalam bentuk larutan (tidak dijadikan gas ), digunakan sel elektrokimia dengan jenis - jenis sebagai berikut :
1. Sel galvanik
2. Sel polarografik
3. Sel anoda majemuk, sel thallium, dan lain - lain
DETEKTOR PARAMAGNETIK
Berdasarkan perilaku magnetiknya, yaitu interaksinya dengan medan magnet, zat-zat dapat digolongkan menjadi yang bersifat diamagnetik, bersifat paramagnetik, dan bersifat feromagnetik. Sifat - sifat tersebut dapat dijelaskan dibawah ini :
1. Zat yang bersifat diamagnetik akan menolak dan ditolak medan magnet. Andaikan mula - mula terdapat medan magnet yang serba sama ( uniform ), yaitu dengan garis - garis gaya yang saling sejajar. Bila kemudian terdapat zat diamagnetik, maka garis - garis gaya akan menyebar / menjauhi zat tersebut, Contoh zat diamagnetik ialah gas-gas Metan, Etan, Etilen, Karbon monoksida, Karbon dioksida, Hidrogen, dan Argon.
2. Zat paramagnetik mempunyai keterikatan yang kuat dengan medan magnet. Garis - garis gaya akan dibuat mengumpul dan menjadi padat. Contoh zat paramagnetik ialah gas-gas Oksigen, N2O ( nitrous oxide ) dan NO (nitric oxide)
3. Zat feromagnetik memiliki sifat yang serupa dengan zat Faramagnetik tetapi jauh lebih kuat sehingga akan jelas - jelas menarik dan ditarik oleh medan magnet. memperlihatkan perubahan garis gaya yang terjadi. Contoh zat feromagnetik ialah besi, baja dan alniko (paduan aluminium, nikel dan kobalt).
Sifat - sifat zat dalam medan magnet :
Diamagnetik , paramagnetik, dan feromagnetik merupakan sifat zat, sedangkan besaran yang menyatakan sifat tersebut ialah suseptibilitas.
- Zat diamagnetik mempunyai suseptibilitas yang negatif.
- Zat paramagnetik mempunyai suseptibilitas positif dalam persen, yaitu beberapa persen medan magnit didalam zat menjadi lebih kuat dibandingkan dengan keadaan sebelum ada zat. kerapatan garis gaya menunjukkan kekuatan medan magnit).
Harga suseptibilitas dari beberapa gas. Terlihat bahwa harga suseptibilitas oksigen sangat besar dan positif, dibandingkan suseptibilitas gas-gas lain yang harganya kecil dan negatif. perbedaan yang nyata ini dimanfaatkan untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas dengan detektor faramagnetik.
Terdapat beberapa jenis instrumen yang menerapkan sifat paramagnetik, yaitu jenis defleksi, jenis termal dan jenis ganda ( dual gas).
JENIS DEFLEKSI
Detektor faramagnetik jenis defleksi didasarkan pada prinsip, bahwa gaya magnetik antara dua zat sebanding besarnya dengan perbedaan suseptibilitas kedua zat tersebut. Pada gambar tersebut diperlihatkan sebuah bola yang mempunyai suseptibilitas ko. Bola dilindungi oleh gas contoh (sample gas) yang ingin diukur, dan kesemuanya berada dalam medan magnet.
Jika suseptibilitas gas contoh ialah k, bola mengalami gaya sebesar :
Fk = c (k - ko) ,
dengan c adalah faktor antara lain tergantung pada kuat medan magnet.
Apabila gas contoh mengandung oksigen, maka harga k akan berbeda dengan ko dan timbunya gaya Fk menyebabkan pergeseran (defleksi) bola. Gaya ini sebanding besarnya dengan konsentrasi oksigen. Pada instrumen jenis defleksi, terdapat bola ganda yang digantungkan dengan seutas kawat kuarts
Di tengah-tengah antara kedua bola, terdapat cermin yang memantulkan cahaya ke arah sepasang sensor cahaya (phototube). Jika bola mengalami defleksi, timbul sinyal dari sensor cahaya. Sinyal ini selanjutnya membangkitkan tegangan, yang akan diberikan kepada sepasang elektroda yang terdapat di dekat bola. Tegangan ini dimaksudkan untuk mengembalikan bola kepada kedudukan semula. Besarnya tegangan sebanding dengan konsentrasi oksigen, dan merupakan keluaran (output) dari instrumen ini.
Supaya dapat berfungsi dengan baik, instrumen ini harus dipasang dengan peredam untuk menahan getaran atau kejutan. Contoh instrumen jenis ini ialah Beckman model 755 yang akan dibicarakan kemudian.
JENIS THERMAL
Detektor paramagnetik jenis termal terdiri atas pipa berbentuk cincin yang mempunyai bagian melintang. Pipa gelas yang melintang dililiti oleh dua tahanan kawat. Kedua tahan tersebut berfungsi untuk memanaskan gas dalam pipa, namun sekaligus juga mengatur temperatur, yaitu dengan menghubungkan dalam rangkaian jembatan Wheatstone. Sementara itu bagian kiri dari pipa gelas yang melintang ditempatkan dalam sebuah medan magnit.
Contoh yang akan diukur masuk melalui lubang atas. Jika terdapat oksigen, gas paramagnetik ini segera menuju bagian kiri pipa melintang karena ditarik oleh medan magnit. Tetapi pipa yang melintang dipanasi oleh tahanan kawat. Gas oksigen yang menjadi panas akan kehilangan sifat paramagnetiknya . Tempatnya segera digantikan oleh oksigen yang masih dingin yang masih bersifat paramagnetik (oksigen dingin masuk ke pipa melintang dari sebelah kiri). Dengan demikian disepanjang pipa melintang terdapat aliran yang disebut "angin magnetik", yang berarah dari kiri ke kanan. Akibatnya terjadi perbedaan temperatur, bagian kiri pipa melintang lebih panas dari pada bagian kanannya. Perbedaan temperatur ini dirasakan oleh kedua tahanan yang dirangkaikan dalam jembatan Wheatstone. Keluar jembatan Wheatstone menunjukkan konsentrasi oksigen didalam gas contoh. Gangguan terhadap ketelitian analisis terdapat antara lain pada adanya zat diamagnetik dalam gas contoh dan perubahan tekanan gas contoh. Untuk mengatasi hal yang terakhir ini beberapa instrumen menyediakan sel kompensasi tekanan, dan ada pula yang membutuhkan pengaturan tekanan secara teliti.
JENIS GAS GANDA
prinsip detektor paramagnetik jenis gas ganda (duel gas) Disebut demikian karena dua gas dengan kandungan oksigen yang berbeda dimasukkan sekaligus ke dalam alat ini. Gas yang satu adalah gas contoh, sedangkan yang kedua adalah referens yang dapat berupa oksigen 100%, nitrogen,atau udara. Oksigen dalam gas contoh akan menuju kekanan karena ditarik oleh medan magnit. Akibatnya gas referens dalam saluran vertikal yang kanan terdesak dan bertekanan lebih tinggi dari pada dalam saluran vertikal yang kiri. Terjadi aliran gas sepanjang pipa mendatar dari kanan ke kiri.
Aliran gas akan diukur menurut cara yang sama seperti pada jenis thermal pada paragraph 5.4 diatas. Hasil pengukuran menunjukkan konsentrasi oksigen yang terkandung dalam gas contoh.
PEMBAKARAN DENGAN KATALIS
Prinsip analisis oksigen yang menggunakan pembakaran dengan katalis. Gas contoh dimasukkan dan dicampur dengan bahan bakar (fuel), biasanya gas hidrogen (H2). Pencampuran ini terjadi di dalam mixer.
Selanjudnya campuran ini dialirkan kedalam dua sel yang terpisah yang masing-masing mengandung filamen (kawat pijar). Didalam sel ukur (measuring cell), permukaan filamen dilapisi dengan katalis dari logam mulia yang akan mengoksidasi bahan bakar. Katalis seperti itu tidak terdapat didalam sel referens. Dengan demikian ketika campuran gas contoh dan bahan bakar dinyalakan, terjadi perbedaan temperatur antara sel ukur dan sel referens. Perbedaan temperatur ini diukur dengan tahanan dalam rangkaian jembatan, dan selanjutnya dari keluaran rangkaian jembatan, konsentrasi oksigen dapat diketahui. Kegunaan sel referens adalah untuk melakukan kompensasi terhadap kemungkinan perobahan temperatur dan perubahan konduktivitas panas dari gas contoh yang masuk.
SEL ELEKTROKIMIA
Sebuah sel elektrokimia terdiri atas elektrolit dan sepasang elektroda. Untuk analisis oksigen, elektrolit dibiarkan kontak dengan oksigen sehingga terjadi perobahan dalam elektrolit yang menghasilkan beda potensial. Beda potensial ini ditangkap oleh elektroda, sehingga dengan mengukur tegangan antara kedua elektroda, kandungan oksigen dalam gas atau cairan contoh dapat diketahui.
Terdapat beberapa jenis sel elektrokimia seperti sel elektrokimia temperatur tinggi, sel galvanik, dan sel polarografik. Kesemuanya mempunyai kesamaan yaitu :
1. Yang diukur adalah tekanan parsial oksigen (tekanan gas oksigen yan terkandung dibagi tekanan total).
2. Untuk mendapatkan ketelitian yang tinggi diperlukan kontrol atau kompensasi temperatur.
Di bawah ini akan dibicarakan beberapa jenis sel elektrokimia untuk analisis oksigen.
CELL ELEKTROKIMIA TEMPERATUR TINGGI
Jenis sel ini digunakan untuk mengatur kandungan oksigen dalam bentuk gas. Elektrolit yang digunakan berbentuk bahan padat yaitu zirkonium oksida (zirconium oxide = Zr O2). Gambar 8.5.7 memperlihatkan sebuah contoh sel elektrokimia temp tinggi. Elektroda yang terbuat dari platina terdapat pada permukaan luar dan permukaan dalam elektrolit. Biasanya, elektroda luar menjadi anoda dan elektroda dalam menjadi katoda. Gas contoh dialirkan ke bagian dalam sel, sedangkan bagian luar sel dilinkungi oleh gas referens. Sebagai gas referens umumnya digunakan udara sekitar, dengan kandungan oksigen (21%) yang selalu lebih tinggi dari pada gas contoh.
Pada pemakaiannya, sel dipanaskan oleh heater dan dipertahankan pada sekitar 815 C (karena itu disebut sel elektrokimia temperatur tinggi). Karena temperatur setinggi ini, oksigen terionisasi dan pada anoda terjadi reaksi :
sedangkan pada katoda reaksinya adalah :
Bahan Zirkonium Oksida bersifat permanen yaitu dapat ditembus oleh Ion Oksigen. Dengan demikian O - - bergerak dari anoda menuju katoda dan di sana menghasilkan kembali O2 beserta elektron. Akibatnya terbentuk beda potensial antara anoda dan katoda, yang besarnya diberikan oleh persamaan Nernst :
R adalah konstanta universal gas, (T) temperatur absolut , (n) jumlah elektron pada reaksi elektroda, dan (F) bilangan Faraday.
Perhatikan bahwa beda potensial sebanding dengan logaritma dari kandungan oksigen. Artinya , kenaikan kandungan oksigen dari 1 menjadi 10 ppm menimbulkan perubahan tegangan yang sama dengan yang diakibatkan oleh kenaikan dari 10 menjadi 100 ppm. Konsentrasi maksimum oksigen yang dapat diukur pada gas contoh sama dengan konsentrasi pada referens yaitu 21 % (tepatnya 20.95%). Sel elektrokimia temperatur tinggi hanya dapat digunakan untuk gas contoh yang tidak mengandung zat yang dapat terbakar . Hal ini karena pada temperatur tinggi zat-zat tersebut akan teroksidasi, sehingga mengurangi kandungan oksigen yang akan diukur.
SEL GALVANIK
Sel galvanik digunakan untuk mengukur kandungan aksigen dalam cairan dan mempunyai konstruksi . Sebagai elektrolit ialah KOH (kalium hidroksida, paling sering) , KCl ( kalium khlorida), atau KHCO3 (kalium bikarbonat). Elektrolit dibungkus oleh membran yang dapat dirembesi oleh cairan contoh. Katoda harus terbuat dari logam mulia yaitu emas, sedangkan anoda dapat dibuat dari timah hitam, kadmium, seng, ataupun perak.
Pada pemakaiannya, suatu beda potensial diberikan kepada kedua elektroda, yang menyebab kan terjadi reaksi elektrokimia. Reaksi pada katoda ialah : . Sedangkan jika anoda terbuat dari timah hitam, terjadi reaksi berikut :
Elektron-elektron yang terbebaskan oleh reaksi akan mengalir melalui elektrolit, menyebabkan arus listrik yang sebanding dengan oksigen dalam elektrolit. Dengan mengukur arus ini , kandungan oksigen dalam cairan contoh dapat diketahui. Arus listrik disini dipengaruhi pula oleh temperatur. Untuk keperluan melakukan kompensasi, temperatur sel diukur dengan menggunakan termistor.
BECKMAN MODEL 755 OXYGEN ANALYZER
Instrumen ini dimaksudkan untuk mengukur kandungan oksigen secara terus menerus pada gas contoh yang mengalir. Prinsip yang diterapkan ialah deteksi paramagnetik jenis, defleksi memperlihatkan bagian-bagian terpenting dari instrumen ini.
Kedua bola tersebut dari gelas berongga yang diisi gas nitrogen. Bola ganda digantung dengan pita dari bahan paduan platina / nikel. Disekeliling bola dililitkan kawat titanium, jika dialiri arus akan menimbulkan gaya mengembalikan bola ke kedudukan semula. untuk pemulihan kedudukan bola digunakan sepanjang elektroda.
Tekanan persial oksigen, karena tekanan persial tergantung pada tekanan total gas contoh, kalibrasi harus dilakukan pada tekanan tertentu yang sama dengan tekanan gas contoh pada saat pemakaian kalau tidak akan timbul hasil pengukuran tidak akurat. Agar hasilnya akurat gunakan persamaan dibawah:
Indikasi % Oxigen yang benar = x Indikasi % Oxigen
Pst = Operating pressure Standard
Pan = Operating pressure sample analysis
Contoh : Pst = 760 mmHg
Pan = 740 mmHg
persentase (%) indikasi O2 = 40 %
Indikasi % Oxigen yang benar = x 40 % = 41.1 %
Disamping itu hasil pengukuran sangat dipengaruhi oleh temperatur gas. Untuk mem pertinggi ketelitian, bagian detektor dipanaskan dan dipertahankan pada temperatur 66 0C. sebelum memasuki bagian detektor , gas contoh dipanaskan pada temperatur kira kira sama dengan temperatur detector dengan menggunakan temperatur control.
KALIBRASI
Untuk Down scale galibrasi gas menggunakan nitrogen atau standard gas dan Upscale menggunakan 9% O2 balan N2 atau Standard gas, range pengukuran % O2 adalah 0-10 %.
1. INSTALASI lihat gambar dibawah ini.
KALIBRASI
a. Tutup niddle valve Sample dan upscale, buka niddle valve dowscale,
atur rotameter 250 cc/min ±20 cc/min sesuai dengan specifikasi, lihat output indikasi kalau tidak menunjukan 0% Adjus Zero control.
b. Tutup niddle valve Down scale dan sample point, buka niddle valve upscale atur rotameter 250 cc/min ±20 cc/min lihat output indikasi kalau 90% atur Span adjusment
c. Ulangi stap a dan b sehingga didapatkan ketelitian.
d. Untuk keperluan pengukuran proses, Tutup niddle valve Upscale dan down scale, buka sample point atur rotameter 250 cc/min ±20 cc/min.