Simulatin for Bubble Swarm Movement in Flotation Columns Using ANSYS (Midterm Test)

Background
Masalah lingkungan telah menjadi tren di kalangan industri saat ini. Setiap industry dituntut untuk menghasilkan produk yang ramah lingkungan, begitu juga dengan prosesnya. Salah satu industri di Indonesia yang sedang pesat dan merupakan penyumbang devisa bagi negara adalah industri Batik. Batik adalah salah satu warisan budaya bangsa Indonesia yang telah disahkan oleh lembaga PBB untuk urusan kebudayaan, yaitu UNESCO. Batik kian pesat perkembangannya, bahkan sejak tahun 2009 pemerintah menjadikan tanggal 2 Oktober sebagai hari Batik.

Lingkungan
Seiring dengan perkembangannya, Batik menghasilkan limbah dari proses pengolahanya. Limbah batik dapat menurunkan kualitas air dengan menaikkan kadar COD dan BOD serta kepekatan warna dari air yang terkontaminasi. Warna yang pekat dapat menghalangi cahaya matahari. Cahaya matahari yang terhalang mengakibatkan fotosintesis tumbuhan terganggu. Kadar oksigen di dalam air berkurang bahkan air menjadi anaerob. Pada kondisi anaerob, bakteri akan menghasilkan gas metan dan karbondioksida, sehingga menyumbang efek rumah kaca.

Human
Dampak yang dapat dirasakan oleh manusia adalah bahwa zat limbah batik bersifat karsinogenik (penyebab kanker).

Engineering sebagai Solusi
Salah satu solusi engineering yang mungkin untuk mengatasi masalah limbah batik adalah dengan menggunakan flotasi gelembung menggunakan elektrolisis. Limbah batik cair dimasukkan ke dalam suatu kolom. Sekawanan gelembung dihasilkan dari bawah kolom dengan menggunakan elektrolisis. Gelembung akan naik karena gaya Bouyancy dan menabrak partikel-partikel pengotor air. Partikel-partikel tersebut akan menempel pada gelembung. Gelembung akan terus naik dan membawa partikel-partikel sampai ke permukaan. Hal ini dilakukan secara terus menerus sampai partikel-partikel pengotor cairan bersih. Setelah terkumpul semua di permukaan maka partikel-partikel tersebut akan membentuk froth dan mudah untuk dipisahkan.

Efektifitas flotasi gelembung tergantung dari tiga hal, yaitu probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel, proses partikel menempel pada permukaan gelembung dan proses partikel dibawa oleh gelembung sampai permukaan cairan.

Energi
Metode yang digunakan untuk menghasilkan gelembung adalah dengan elektrolisis. Elektrolisis hanya memerlukan voltase yang relatif rendah untuk menghasilkan gelembung yang kecil dalam durasi waktu yang relatif cepat. Diketahui bahwa gelembung yang lebih kecil dapat menaikkan efisiensi flotasi.

Teknologi
Flotasi adalah salah satu alternatif untuk mengatasi masalah limbah batik ini. Dalam flotasi, sifat gelembung dan aliran sangat penting karena mempengaruhi proses flotasi itu sendiri. Teknologi saat ini memungkinkan kita mengetahui aliran gelembung yang mungkin terjadi pada kolom flotasi tanpa melakukan eksperimen terlebih dahulu, yaitu dengan menggunakan simulasi.

Matematika
Metode numerik adalah salah satu alat yang dapat membantu kita dalam berkontribusi dalam mengatasi masalah limbah batik ini. Diketahui bahwa penentuan efisiensi flotasi dapat dilihat dari jumlah COD, BOD dan kepekatan warna cairan sebelum dan setelah flotasi atau dapat dinyatakan sebagai recovery.

1) Problem Analysis

Mengetahui pola aliran gelembung dalam suatu kolom flotasi adalah penting. Hal ini dilakukan untuk memprediksi karakteristik aliran gelembung di dalam kolom flotasi, yaitu misalnya dengan melakukan simulasi menggunakan software berbasis CFD. Kali ini akan digunakan softwre ANSYS untuk mengetahui pola aliran di dalam gelembung. Simulai yang dilakukan adalah mengikuti Tutorial ANSYS.

2) List Assumptions
- Ukuran gelembung dianggap seragam
- Bentuk gelembung dianggap bulat
- Aliran bersifat dua dimensi
- Gelembung bergerak di dalam air dalam tabung kotak dengan panjang 0.1 m dan tinggi 1 m
- Gas dalam gelembung adalah udara
- Kecepatan naik gelembung adalah 0.03 m/s
- Bouyancy memiliki pengaruh penting dalam gelembung yang naik di dalam cairan, sehingga perlu pengaturan parameter Bouyancy
- Kondisi temperatur adalah 25oC

Persamaan yang digunakan diantaranya adalah:
- Transfer momentum
- Korelasi Grace untuk gaya drag
- Transprt antarfase untuk model partikel

3) Run the Model
Seperti halnya dalam CFDSOF, ANSYS akan melakukan iterasi sampai dicapai nilai yang konvergen.

4) Check the Result
Berikut adalah hasil dari simulasinya. Hasil di bawah ini adalah untuk fraksi volume.

- Hasil pertama adalah dimana iterasi hanya sampai 100, berikut hasilnya.

- Hasil kedua adalah untuk iterasi sampai 400. Berikut adalah hasilnya

5) Conclusion and Receommendation

Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa pada mulanya gelembung bergerak lurus, tetapi setelah itu bentuk trayektorinya spiral. Clift, Grace, dan Weber (1978) menyajikan tabel berikut ini untuk bentuk lintasan gelembung berdasarkan diameter, bilangan Reynolds dan bilangan Eotvos.

de (mm)	Re	Eo	Lintasan
<1,3	<565	>0,8	Rektilinear
1,3-2,0	565-880	0,8-0,5	Spiral
2,0-3,6	880-1350	0,5-0,36	Plane (zig-zag) lalu spiral
3,6-4,2	1350-1510	0,36-0,28	Plane (zig-zag)
4,2-17	1510-4700	0,28-0,23	Rektilinear dengan rocking

 
Kita mengetahui bahwa dalam simulasi di atas, diamater, kecepatan dan Re-nya adalah masing-masing 3 mm, 0.03 m/s dan 89.99. Sehingga wajar jika bentuk lintasan adalah spiral. 

Recommendation

Gelembung dengan diamater 3 mm termasuk dalam kategori gelembung dengan ukuran besar. Gelembung dengan ukuran besar memiliki kecepatan naik yang besar juga. Kecepatan naik yang besar dapat mengurangi probabilitas tumbukan antara gelembung dengan partikel dalam proses flotasi yang mengakibatkan berkurangnnya efisisnsi flotasi. Perlu dilakukan simulasi untuk gelembung yang berukuran keci untuk mengetahui karateritsik alirannyal. Bisa ukuran small (diameter gelembung 0,2-1 mm ) bisa juga ukuran mikro (<0,2 mm). Gelembung yang lebih kecil memiliki kececpatan naik yang kecil pula. Sehingga dapat menaikkan probabilitas tumbukan yang pada akhirnya dapat menaikkan efisiensi flotasi. Mengetahui karakteristik aliran gelembung di dalam kolom sangat penting. Karena dari simulasi di atas kita dapat melihat bahwa apakah cukup dihasilkan gelembung dari tengah dari bagian bawah kolom saja atau dari semua permukaan bagian bawah kolom. Kita juga dapat melihat daerah mana yang terlewati oleh gelembung dan daerah mana yang tidak terlewati.

Referensi:

- Matis, K. A., (1995), Flotation Science and Engineering, CRC Press  

- Tutorial ANSYS CFX Multiphase 12.0. (2009). Rectangular Bubble Column.  Ansys Inc.

- Clift, R., Grace, J. R. & Weber, M. E. (1978). Bubbles, Drops, and Particles. New York: Academic Press, Inc.