Perpustakaan Digital ITB

Teknologi gelembung mikro dan nano telah menjadi isu yang menarik perhatian para peneliti pada dekade terakhir ini karena memiliki aplikasi yang luas di beberapa bidang dan dapat memicu pengembangan dan penemuan teknologi yang maju dan baru. Gelembung mikro dan nano memiliki potensi untuk diaplikasikan di beberapa bidang karena kemampuannya dalam melarutkan gas di dalam zat cair secara efektif dengan tingkat kestabilan yang lama. Ukuran gelembung merupakan faktor yang dominan dalam mempengaruhi sifat gelembung. Semakin kecil ukuran gelembung maka luas bidang kontak antara gas dan zat cair akan semakin besar, sehingga dapat meningkatkan laju difusi dan umur gelembung gas di dalam zat cair. Karakteristik kestabilan dari gelembung nano yang mampu bertahan di dalam zat cair dalam waktu yang lama melibatkan sifat fisika dan kimia yang sampai saat ini masih menjadi misteri. Selain karakteristiknya tersebut, tantangan utama saat ini adalah bagaimana merancang pembangkit gelembung mikro dan nano dengan laju aliran yang tinggi dan kontinu secara efisien. Mayoritas dari peralatan saat ini terbatas pada skala yang kecil (dalam mL) dengan proses pembangkitan yang diskontinu. Penelitian ini bertujuan untuk menjawab tantangan-tantangan tersebut dalam menghasilkan pembangkit gelembung mikro dan nano yang efisien sehingga skala pemanfaatannya dapat diperluas di beberapa bidang, khususnya untuk teknologi pengolahan air. Metode pembangkitan gelembung mikro dan nano menggunakan nosel aliran berputar menjanjikan potensi untuk diaplikasikan pada laju aliran yang tinggi dan kontinu pada skala yang besar. Namun, perancangan pembangkit gelembung mikro dan nano, masih menjadi tantangan dalam menghasilkan rancangan yang efisien. Selain itu, studi mengenai aliran dua fasa pada pembangkit gelembung mikro dan nano masih sangat jarang ditemukan dalam literatur, padahal sangat berguna sebagai acuan dalam proses perancangan dan pengembangan. Pada disertasi ini, pembangkit gelembung mikro dan nano tipe nosel aliran berputar dirancang berdasarkan beberapa pertimbangan hidrolik berupa parameter aliran dan geometri rancangan. Pengujian dilaksanakan dengan membangun alat uji pembangkitan gelembung mikro dan nano, yang dilengkapi dengan pengontrol variasi aliran dan pengukuran konsentrasi oksigen terlarut atau Dissolved Oxygen (DO). Karakterisasi dan pengukuran dari distribusi ukuran gelembung dilakukan pada skala mikroskopik dan nanoskopik. Metode Particle Image Velocimetry (PIV) digunakan untuk karakterisasi dimensional dari gelembung mikro berdasarkan pengolahan citra. Karakteristik dimensional dari gelembung nano diukur berdasarkan metode non invasive menggunakan metode Dynamic Light Scattering (DLS). Sedangkan, kestabilan gelembung nano dievaluasi melalui pengukuran potensi zeta berdasarkan metode Electrophoretic Light Scattering (ELS). Berdasarkan hasil pengujian, gelembung mikro dan nano berhasil dibangkitkan di dalam air murni menggunakan nosel aliran berputar dengan rentang diameter masing-masing 11.10–39.61 ?m dan 32.67–824.99 nm. Gelembung nano udara dan oksigen dilaporkan stabil di dalam air murni antara 5 hingga 10 bulan dengan potensi zeta negatif di permukaan gelembung. Kestabilan gelembung nano berhasil dimodelkan menggunakan model tolakan ionik berdasarkan penyusutan gelembung mikro yang berukuran < 50 ?m. Kestabilan gelembung nano yang tinggi di dalam air murni disebabkan oleh kesetimbangan mekanik antara tekanan elektrostatik dari ion hidroksil dan tekanan Laplace akibat tegangan permukaan zat cair pada antarmuka gelembung. Untuk memodelkan karakteristik muatan pada antarmuka gelembung nano secara lebih terperinci, kerapatan muatan permukaan, gaya tolakmenolak elektrostatik, ketebalan lapisan ganda, dan energi interaksi antara gelembung dievaluasi berdasarkan model lapisan listrik ganda tersebar. Disertasi ini juga berhasil membangun model aliran dua fasa untuk memprediksi distribusi ukuran gelembung pada skala mikro dan nano menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dikopel dengan Population Balance Method (PBM) dengan mempertimbangkan pengaruh penggabungan dan pemecahan gelembung serta aliran turbulen. Berdasarkan validasi ukuran gelembung, model CFD-PBM memiliki kesesuaian dengan hasil eksperimen pada tingkat mikro dan nano. Laju disipasi turbulen mempengaruhi kerapatan jumlah gelembung dan perpindahan massa gas terhadap zat cair, yang dikonfirmasi berdasarkan hasil pengukuran konsentrasi DO. Model CFD-PBM selanjutnya digabungkan dengan Response Surface Method (RSM) untuk menghasilkan rancangan yang optimum. Optimasi melibatkan tiga faktor rancangan dan empat target respon yang diperoleh melalui Central Composite Design (CCD), dimana kesesuaian model dievaluasi menggunakan analisis varian (ANOVA). Berdasarkan hasil optimasi, model yang diusulkan dapat menghasilkan solusi yang optimum dan menjadi acuan dalam perancangan pembangkit gelembung nano, sehingga berpotensi untuk diterapkan lebih lanjut pada skala yang lebih besar. Model aliran dua fasa pada pembangkit gelembung nano perlu dikembangkan lebih lanjut dengan mempertimbangkan pengaruh penyusutan dan interaksi elektrostatik antar gelembung untuk menghasilkan akurasi model yang lebih baik. Selanjutnya, penelitian pengaruh jenis gas dan kemungkinan pembentukan radikal bebas pada saat pembangkitan gelembung perlu diteliti lebih lanjut untuk mengevaluasi pengaruhnya pada proses disinfeksi dan dekomposisi zat-zat organik, yang diperlukan pada sistem pengolahan air tanpa menggunakan bahan kimia dan ramah lingkungan.