banjarmasin, 7-8 oktober 2015 pergerakkan partikel angular di...

6
Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 KE-64 Pergerakkan Partikel Angular di Permukaan Bubble Flotasi. Warjito 1, a* , Harinaldi 2, b , Manus Setyantono 3, c 1,2,3 Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424 Jawa Barat, Indonesia. a Email : [email protected] , b Email : [email protected] , c Email : [email protected] Abstrak Flotasi adalah proses pemisahan partikel berharga dari partikel tidak berharga dalam industri. Pemisahan terjadi karena sifat fisik permukaan partikel yaitu hidrophobik (suka udara) dan hidrophilik (suka air). Bubble udara merupakan aktor utama untuk melakukan penangkapan partikel hidrophobik. Dengan memanfaatkan sifat bouyanci bubble dan massa gravitasi partikel, maka terjadi pemisahan partikel berharga dari pengotornya. Proses ini dinamakan flotasi mineral dimana diameter partikel jauh lebih kecil dari pada diameter bubble. Subproses flotasi dari partikel bergerak ke bawah dan bubble udara bergerak ke atas dipengaruhi oleh kecepatan partikel dan kecepatan bubble yang menghasilkan tumbukan (collision), pelekatan (attachment), bouncing, sliding, rolling dan pelepasan (detachment). Subproses ini menentukan efisiensi flotasi. Tujuan penelitian ini adalah memahami fenomena lintasan partikel, tumbukan (collision), pelekatan (attachment), laju perpindahan sudut pelengketan dan pelepasan (detachment) partikel angular di permukaan bubble. Pada Penelitian ini digunakan bubble berdiameter 0.9 mm yang dihasilkan oleh nozzle berdiameter 0.3 mm. Debit udara diatur oleh programeable syringe pump sebesar 15 ml/h. Diameter partikel angular dalam penelitian adalah 38 μm; 45 μm; 75 μm; 106 μm; 150 μm; 212 μm ; 300 μm dijatuhkan dalam kontainer kaca, berisikan cairan fluida melalui feedtube. Pergerakkan partikel direkam menggunakan high speed camera dengan kecepatan 1000 frame per second. Data yang berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan ImageJ. Hasil penelitian menunjukkan lintasan partikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106, 150μm adalah aliran Stokes (laminar). Hal ini disebabkan adanya hambatan permukaan bubble. Partikel berdiameter besar: 212, 300μm lintasannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukurannya. Partikel berdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150μm ) mempunyai kecepatan terminal lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan terminal parikel berukuran besar. Hasil visualisasi partikel berukuran kecil ( 38, 45, 75, 106, 150μm ) tidak mengalami bouncing ketika bertumbukan dengan permukaan bubble. Sementara partikel berukuran besar sebagian mengalami bouncing. Kecepatan sliding dipengaruhi oleh posisi partikel pada permukaan bubble. Kecepatan sliding bertambah cepat saat partikel melalui daerah khatulistiwa bubble, dan melambat saat menuju bagian bawah bubble. Kata kunci : bubble, partikel, flotasi, collision , attachment, sliding, detachment PENDAHULUAN Penangkapan partikel oleh bubble dalam proses flotasi merupakan peristiwa yang sangat penting pada industri pertambangan. Peristiwa ini sering disebut sebagai interaksi bubble-partikel, disini diharapkan terjadi efisiensi pemisahan pada proses flotasi [1,2]. Subproses dari interaksi bubble-partikel dibagi tiga yaitu tumbukan [collision], pelekatan [attachment], pelepasan [detachment] [1,2,3,4]. Tumbukan adalah pertemuan antara partikel dan bubble yang dikontrol atau diatur oleh aliran cairan hidrodinamika, dan pergerakan relatif partikel dan bubble [3, 6, 7]. Pelekatan adalah proses dimana partikel tetap berada secara permanen atau sementara (temporal) melekat pada

Upload: ngodieu

Post on 09-May-2019

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

Pergerakkan Partikel Angular di Permukaan Bubble Flotasi.

Warjito1, a*, Harinaldi 2, b , Manus Setyantono3, c

1,2,3Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424 Jawa Barat, Indonesia.aEmail : [email protected] , bEmail : [email protected] ,

cEmail : [email protected]

Abstrak

Flotasi adalah proses pemisahan partikel berharga dari partikel tidak berharga dalam industri.Pemisahan terjadi karena sifat fisik permukaan partikel yaitu hidrophobik (suka udara) danhidrophilik (suka air). Bubble udara merupakan aktor utama untuk melakukan penangkapan partikelhidrophobik. Dengan memanfaatkan sifat bouyanci bubble dan massa gravitasi partikel, makaterjadi pemisahan partikel berharga dari pengotornya. Proses ini dinamakan flotasi mineral dimanadiameter partikel jauh lebih kecil dari pada diameter bubble. Subproses flotasi dari partikel bergerakke bawah dan bubble udara bergerak ke atas dipengaruhi oleh kecepatan partikel dan kecepatanbubble yang menghasilkan tumbukan (collision), pelekatan (attachment), bouncing, sliding, rollingdan pelepasan (detachment). Subproses ini menentukan efisiensi flotasi. Tujuan penelitian iniadalah memahami fenomena lintasan partikel, tumbukan (collision), pelekatan (attachment), lajuperpindahan sudut pelengketan dan pelepasan (detachment) partikel angular di permukaan bubble.Pada Penelitian ini digunakan bubble berdiameter 0.9 mm yang dihasilkan oleh nozzle berdiameter0.3 mm. Debit udara diatur oleh programeable syringe pump sebesar 15 ml/h. Diameter partikelangular dalam penelitian adalah 38 μm; 45 μm; 75 μm; 106 μm; 150 μm; 212 μm ; 300 μmdijatuhkan dalam kontainer kaca, berisikan cairan fluida melalui feedtube. Pergerakkan partikeldirekam menggunakan high speed camera dengan kecepatan 1000 frame per second. Data yangberupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan ImageJ. Hasilpenelitian menunjukkan lintasan partikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106, 150µm adalah aliranStokes (laminar). Hal ini disebabkan adanya hambatan permukaan bubble. Partikel berdiameterbesar: 212, 300µm lintasannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Kecepatan terminal partikeldipengaruhi oleh ukurannya. Partikel berdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm ) mempunyaikecepatan terminal lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan terminal parikel berukuran besar.Hasil visualisasi partikel berukuran kecil ( 38, 45, 75, 106, 150µm ) tidak mengalami bouncingketika bertumbukan dengan permukaan bubble. Sementara partikel berukuran besar sebagianmengalami bouncing. Kecepatan sliding dipengaruhi oleh posisi partikel pada permukaan bubble.Kecepatan sliding bertambah cepat saat partikel melalui daerah khatulistiwa bubble, dan melambatsaat menuju bagian bawah bubble.

Kata kunci : bubble, partikel, flotasi, collision , attachment, sliding, detachment

PENDAHULUAN

Penangkapan partikel oleh bubble dalamproses flotasi merupakan peristiwa yangsangat penting pada industri pertambangan.Peristiwa ini sering disebut sebagai interaksibubble-partikel, disini diharapkan terjadiefisiensi pemisahan pada proses flotasi [1,2].Subproses dari interaksi bubble-partikel

dibagi tiga yaitu tumbukan [collision],pelekatan [attachment], pelepasan[detachment] [1,2,3,4]. Tumbukan adalahpertemuan antara partikel dan bubble yangdikontrol atau diatur oleh aliran cairanhidrodinamika, dan pergerakan relatif partikeldan bubble [3, 6, 7]. Pelekatan adalah prosesdimana partikel tetap berada secara permanenatau sementara (temporal) melekat pada

Page 2: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

bubble karena gaya permukaan. Saatattachment, gaya permukaan danhidrodinamika mengontrol intervensipenipisan dan pecahnya lapisan tipis (film)cairan, antara partikel hidrophobik danbubble. Pelepasan (detachment) terjadi ketikapartikel yang melekat selanjutnyamelepaskan diri dari bubble karena gayagravitasi atau gaya hidrodinamik denganadanya turbulensi. Stabilitas agregat bubble -partikel ditentukan oleh keseimbangan antaragaya pelekatan (attachment = capiller) dangaya pelepasan (detachment = gaya gravitasi)dan gaya geser hidrodinamik [6,8,9].

Tujuan penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untukmemahami pergerakkan partikel mendekatibubble, bertumbukan, sliding, rolling,bouncing, dan pelepasan dari permukaanbubble. Proses perekaman menggunakan highspeed camera.

METODOLOGI

Metodologi penelitian ini denganeksperimen menggunakan alat penelitianseperti pada gambar 1 dibawah ini.

Gambar.1. Alat Eksperimen.

Alat penelitian terdiri dari beberapa alatterdiri dari kontainer kaca merupakan wadah

flotasi, syringpump untuk menghasilkan debitudara, High Speed Camera digunakan untukmerekam interaksi bubble-partikel, microlensuntuk memperbesar gambar, kertas filteruntuk mendapatkan perataan pencahayaan,coldlight untuk melihat gambar dengan jelas,laptop untuk memonitor interaksi, nozzlepenghasil bubble, feedtube yaitu jalan keluarpartikel. Sedangkan partikel yang digunakanpartikel angular dengan beberapa diameter.Partikel angular dengan kontur permukaanberbeda satu dengan lainnya, dapat dilihatseperti gambar berikut ini.

Gambar 2. Partikel angular.

Gambar 2 menunjukkan hasil SEM partikeldiameter 45, 53, 75, 106, 150, 212, 300µmdengan pembesaran 2000 kali. Permukaanpartikel terlihat berbeda dan mempunyaikontur yang tidak sama.

HASIL

Hasil penelitian menunjukkan lintasanpartikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106,150µm adalah aliran Stokes (laminar). Hal inidisebabkan adanya hambatan permukaanbubble. Partikel berdiameter besar: 212,300µm lintasannya dipengaruhi oleh gayagravitasi. Kecepatan terminal partikeldipengaruhi oleh ukurannya. Partikelberdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm)mempunyai kecepatan terminal lebih kecildibandingkan dengan kecepatan terminalpartikel berukuran besar. Hasil visualisasi

Page 3: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

partikel berukuran kecil ( 38, 45, 75, 106,150µm ) tidak mengalami bouncing ketikabertumbukan dengan permukaan bubble.Sementara partikel berukuran besar sebagianmengalami bouncing. Kecepatan slidingdipengaruhi oleh posisi partikel padapermukaan bubble. Kecepatan slidingbertambah cepat saat partikel melalui daerahkhatulistiwa bubble, dan melambat saatmenuju bagian bawah bubble.

Gambar 3. Grafik time versus laju partikel.

Gambar 3 menunjukkan tiga jenispartikel dengan diameter berbeda, warna

merah untuk diameter 75m, warna hijau

45m, warna biru 38m. awalnya partikelbergerak turun mendekati pemukaan partikel,bergerak pelan, selanjutnya dengan cepatbergerak mendekati khatulistiwa selanjutnyaperlahan meninggalkan khatulistiwapermukaan bubble.

Gambar 4. lintasan partikel diameter150µm, 212 µm, 150 µm, 300 µm.

Gambar 4. diatas menunjukanperbandingan grafik interaksi perpindahanpartikel setiap ukuran. Pada grafik tersebutmenunjukan bahwa partikel yang berukuran300 µm tidak mengalami pelekatan.Sedangkan partikel yang berukuran 212 µm,150 µm, dan 106 µm mengalami pelekatanpada bubble. Selain itu untuk partikel yangberukuran 300 µm waktu tempuhnya lebihsingkat akibat perpindahan dari partikeltersebut cukup besar. Sedangkan untukpartikel berukuran 212 µm, 150 µm dan 106µm berturut – turut menunjukan semakinkecil ukuran partikel maka semakin lamawaktu tempuh dan perpindahan di bubbletersebut. Partikel tersebut mengalamipelekatan di bawah bubble sehinggakecepatan atau perpindahan partikel tersebutmencapai nilai 0.

Gambar 5. lintasan partikel padapermukaan bubble diam.

Gambar 5. menunjukkan diameterpartikel 106µm bergerak mendekatipermukaan bubble, pada awalnya bergerakpelan dan cepat, mendekati permukaan bubbleyang mengembang, partikel bergerak perlahanoleh desakan air diatas bubble, partikelkembali bergerak dengan sangat cepat ketikamendekati khatulistiwa bubble, diprediksi

Page 4: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

karena besarnya gaya gravitasi mempengaruhipartikel pada sudut mendekati khatulistiwa.

Gambar 6. Pergerakkan partikel dipermukaan

bubble stagnan.

Gambar 6 menunjukkan visualisasi partikelbergerak mendekati permukaan bubble diamdiujung nozzle, pada awalnya partikelbergerak mendekati sampai dengan frame ke5, dan pada frame ke 6 partikel menumbukpermukaan bubble sehingga mempengaruhilapisan tipis cairan dan pecah ini menjadikanpartikel melekat dan sliding pada permukaanbubble.

Gambar 7 Grafik hubungan antara waktu danjarak antar permukaan bubble-partikel.

Gambar 7 menunjukkan titik putih adalahpartikel bergerak mendekati permukaanbubble, selanjutnya dengan pertambahan

waktu partikel melekat pada permukaanbubble seperti ditunjukkan dengan titik hitam.Beberapa titik hitam dibawah garispermukaan menunjukkan sebagian ujungpartikel berada didalam bubble. osilasipartikel seperti pada gambar 7 disebabkanpartikel bergerak roling dan slidingmenghasilkan mikrodinamika sekitar daerahpermukaan bubble-partikel.

Gambar 8. Grafik antara sudut partikel-bubbleterhadap jarak permukaan buble- partikel.

Gambar 8 menunjukkan partikel mulaibergerak pada sudut 30 mendekati permukaanbubble dan bertumbukan pada sudut 40.Ujung partikel berada pada permukaan bubbledan sliding sampai dengan sudut 80selanjutnya ujung partikel masuk kedalambubble sampai dengan sudut 113 bubblebergerak meninggalkan ujung nozzle. Darigambar 8 terlihat partikel bergerak turun naiksepanjang permukaan bubble, disebabkan saatmeluncur dipermukaan bubble, partikelmengalami osilasi dipengaruhi olehmikrohidrodinamika disekitar permukaanbubble-partikel.

Page 5: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

Gambar 9. Grafik antara waktu dansudut bubble-partikel.

Gambar 9 menunjukkan denganpertambahan waktu maka sudut pelengketanbubble-partikel bertambah seperti titik warnahitam, sedangkan titik warna biru adalahsudut bule-partikel saat partikel belummelekat pada permukaan bubble.

Kesimpulan

Hasil penelitian menunjukkan lintasanpartikel dengan ukuran 38, 45, 75, 106,150µm adalah aliran Stokes (laminar). Hal inidisebabkan adanya hambatan permukaanbubble. Partikel berdiameter besar: 212,300µm lintasannya dipengaruhi oleh gayagravitasi. Kecepatan terminal partikeldipengaruhi oleh ukurannya. Partikelberdiameter kecil (38, 45, 75, 106, 150µm)mempunyai kecepatan terminal lebih kecildibandingkan dengan kecepatan terminalpartikel berukuran besar. Hasil visualisasipartikel berukuran kecil (38, 45, 75, 106,150µm) tidak mengalami bouncing ketikabertumbukan dengan permukaan bubble.Sementara partikel berukuran besar sebagianmengalami bouncing. Kecepatan slidingdipengaruhi oleh posisi partikel padapermukaan bubble. Kecepatan slidingbertambah cepat saat partikel melalui daerahkhatulistiwa bubble, dan melambat saatmenuju bagian bawah bubble. lamanya waktuuntuk pelekatan partikel pada permukaanbubble dipengaruhi oleh kontur permukaandan diameter partikel, selain itu juga

dipengaruhi dengan bubble diam dan bubblebergerak.

Referensi

[1]. Nguyen A.V, Evans G.M., Attachmentinteraction between air bubbles and particlesin froth flotation, Experimental Thermal andFluid Science 28, (2004), 381–385.

[2]. Nguyen A.V, Evans G.M., NalaskowskiJ, Miller.J.D, Hydrodynamic interactionbetween an air bubble and a particle: atomicforce microscopy measurements,Experimental Thermal and Fluid Science 28,(2004), 387–394

[3]. Nguyen A.V., Schulze H.J.,Stechemesser H, Zobel G, Contact timeduring impact of a spherical particle against aplane gas-liquid interface: experiment, Int. J.Miner. Process. 150, (1997) 113-125

[4]. Nguyen A.V., Schulze H.J, Ralston J,Elementary Steps In Particle-bubbleattachment, Int.J.Miner. Process, 51, (1997)183-195

[5]. Nguyen Anh V and Evans G.M,Movement of fine particles on an air bubblesurface studied using high-speed videomicroscopy, Journal of Colloid and InterfaceScience 273, (2004), 271–277

[6]. Nguyen Anh V and Evans G.M,Movement of fine particles on an air bubblesurface studied using high-speed videomicroscopy, Journal of Colloid and InterfaceScience 273 (2004), 271–277

[7]. Nguyen Anh V., Hydrodynamics of liquidflows around air bubbles in flotation: areview, Int. J. Miner. Process. 56, (1999),165–205

[8]. Nguyen Anh V., Phan Chi M, EvansG.M, Effect of the bubble size on the dynamicadsorption of frothers and collectors inflotation, Int. J. Miner. Process. 79, (2006),18– 26

Page 6: Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Pergerakkan Partikel Angular di …eprints.unlam.ac.id/640/1/KE-64.pdf · berupa image diproses dengan image processing software menggunakan vitcam dan

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-64

[9]. Nguyen Anh V., Jameson G.J, Sliding offine particles on the slip surface of rising gasbubbles: Resistance of liquid shear flows,International Journal of Multiphase Flow 31,(2005), 492–513

[10]. Nguyen Anh V., Hydrodynamics ofliquid flows around air bubbles in flotation: areview, Int. J. Miner. Process. 56 (1999).165–205

[11]. Nguyen Anh V., Ralston J, SchulzeHans J.,. On modelling of bubble–particleattachment probability in flotation, Int. J.Miner. Process. 53, (1998), 225–249

[12]. Nguyen Anh V., Particle–bubbleencounter probability with mobile bubblesurfaces, Int. J. Miner. Process. 55 (1998) 73–86

[13]. Shahbazi B, Rezai B, Koleini S.M.J,Bubble–particle collision and attachmentprobability on fine particles flotation,

Chemical Engineering and Processing 49,(2010), 622–627

[14]. Shahbazi B, Rezai B, Koleini S.M.J, Theeffect of hydrodynamic parameters onprobability of bubble–particle collision andattachment, Minerals Engineering 22 (2009),57–63

[15]. Albijanic B, Amini E, Wightman E,Ozdemir O, Nguyen Anh V.,. BradshawDee J, A relationship between the bubble–particle attachment time and the mineralogyof a copper–sulphide ore, MineralsEngineering 24, (2011), 1335–1339

[16]. Albijanic B, Amini E, Wightman E,Ozdemir O, Nguyen Anh V.,. Bradshaw DeeJ, A review of induction and attachment timesof wetting thin films between air bubbles andparticles and its relevance in the separation ofparticles by flotation, Advances in Colloidand Interface Science 159, (2010), 1–21.

[17]. Verrelli. D.I, Koh P.T.L, Nguyen A.V,Particle-bubble interaction and attachment in

flotation, Chemical Engineering Science. 1December 2011, volume 66, issue 23, pages5910-5921.

[18]. Wang G, Gao Y, Mitra S, Li Y, ZhouS, Evans G., Instanteneous bond number for aparticle detaching from a bubble,International journal of mineral processing142 (2015) 22-29.

[19]. Lecrivain G, Petrucci G, Rudolph M,Hampel U, Yamamoto R., Attachment ofsolid elongated particles on the surface of astationary gas bubble., International Journaalof multiphase flow 71( 2015 ) 83-93.

[20]. Verrelli D.I, Bruckard W.J, KohP.T.L, Philip M.S, Follink B., Particle shapeeffects in flotation. Part 1 : microscaleexperimental observations., MineralsEngineering, volume 58, April 2014, pages80-89.

[21]. Brabcova Z, Karapantsios T,Kostoglou M, Basarova P, Matis K., Bubble-Particle Collision Interaction In FlotationSystems., Volume 473, 20 May 2015, pp 95-103.

[22]. Firouzi M, Nguyen Anh V,Hashemabadi S H ,., The effect ofmicrohydrodynamics on bubble – particlecollision interaction., minerals Engineering,Volume 24, issue 9, August 2011, pages 973-986.

[23]. Ireland PM, Jameson GJ., Collision of arising bubble-particle aggregate with a gas-liquid interface., volume 130 (2014) pp 1-7.