Penentuan tingkat kelembaban dalam bahan padat adalah penting untuk mutu produk, sifat penanganan dan pertimbangan lain.
Dilip M. Parikh (DPharma Group)
Selain mengulas tentang ledakan dan kebakaran elektrostatis di industri proses kimia dalam cover story, majalah Chemical Engineering edisi Januari 2021 dalam feature report mengulas tentang pengukuran kadar air dalam bahan padat. Dalam industri proses kimia dan industri lain yang memproduksi serbuk dan padatan curah, pengendalian kadar air dapat memiliki dampak yang besar terhadap mutu produk, maupun terhadap perilaku padatan dalam operasi penanganan.
Air yang terikut oleh padatan umumnya digolongkan sebagai air yang terikat secara fisika dan yang terikat secara kimia. Air yang terikat secara fisika meliputi air yang terjerap, air yang terperangkap atau air yang terserap. Air yang terikat secara kimia atau air kristal dibagi menjadi dua kelompok utama: air terikat dan air zeolit. Keduanya dibedakan oleh apa yang terjadi pada struktur kristal ketika air dilepaskan. Jika struktur kristal berubah, itu adalah air terikat, tetapi jika struktur skeletal awal tetap, itu adalah air zeolit. Air terikat dapat dibagi lagi menjadi beberapa kategori, yang dikenal sebagai air koordinasi, air kisi, air hidroniumion, air ikatan hidrogen dan air peruraian.
Ada beberapa teknik umum dalam berbagai sektor industri proses kimia untuk mengukur kadar air padatan pada akhir langkah pengeringan. Metoda pengukuran kadar air secara umum dapat dikelompokkan sebagai langsung atau tidak langsung. Dalam metoda langsung, air umumnya dipisahkan dari bahan padat dengan pengeringan, distilasi atau cara lain, dan jumlahnya dicari dengan penimbangan, titrasi dan seterusnya. Sebaliknya, untuk metoda tidak langsung, air tidak dipisahkan dari bahan, tetapi pengukuran dilakukan terhadap sifat bahan padat yang tergantung pada jumlah air yang ada atau jumlah atom hidrogen. Metoda tidak langsung harus dikalibrasi dengan standar yang telah disiapkan menggunakan salah satu metoda langsung. Metoda langsung umumnya memerlukan pengambilan cuplikan manual, beberapa menit untuk menyatakan sebuah hasil, dan sangat rentan terhadap kesalahan operator. Tabel 1 menyajikan beberapa metoda pengukuran kadar air langsung dan tidak langsung.
| Langsung | Contoh | Tidak langsung | Contoh |
|---|---|---|---|
| Gravimetri | Optik | Infra merah Thermografi infra merah Pencitraan hiperspektral | |
| Kimia | Karl Fischer Coulometrik | Dielektrik | Konduktivitas listrik Gelombang mikro Frekuensi radio (RF) |
| Nuklir | Proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) | ||
| Higrometrik | Kelembaban relatif kesetimbangan | ||
Metoda Langsung
Oven hampa atau desikator hampa
Penetuan kadar air dari cuplikan dilakukan dengan pengeringan dalam ruang hampa. Cuplikan sekitar 4-5 g ditaruh dalam sebuah pengering, wadah kaca yang telah ditimbang sebelumnya dan diletakkan dalam sebuah pengering dan dikeringkan pada 102-105oC. Pengukuran cuplikan yang dikeringkan dilakukan pada suhu ambien setelah cuplikan didinginkan. Dalam pengukuran ini diasumsikan bahwa hanya air yang diuapkan dan kondisi pengeringan yang meliputi waktu, suhu, tekanan dan jenis atmosfir harus ditetapkan dengan baik.
Metoda listrik
Sistem pengukuran ini didasarkan pada fakta bahwa banyak bahan berubah sifat listrik atau dielektriknya dengan berubahnya kadar air dalam bahan. Sebagian besar alat ini mengukur perubahan hambatan, konduktivitas atau kapasitansi. Karena alat ini mengukur pengaruh tidak langsung kelembaban, kalibrasi diperlukan.
Metoda kimia
Titrasi Karl Fischer (TKF) adalah metoda analisa yang secara luas digunakan untuk mengkuantifikasi kadar air dalam berbagai macam produk. Prinsip dasar di belakangnya ada reaksi Bunsen antara iodin dan sulfur dioksida dalam media air. Titrasi coulometri Karl Fischer adalah teknik yang secara luas digunakan untuk menentukan kadar air residual.
Metoda ini menggunakan reagen Karl Fischer yang terdiri atas iodin, sulfur dioksida, sebuah basa dan pelarut, mis.: alkohol, yang bereaksi secara kuantitif dan selektif dengan air menurut reaksi:
I2 + SO2 + 3Basa + ROH + H2O –> 2Basa + HI + Basa + HSO4R
Alkohol (ROH) bereaksi dengan sulfur dioksida (SO2) dan basa membentuk produk antara garam alkil sulfit, yang kemudian dioksidasi oleh iodin menjadi garam alkil sulfat. Reaksi oksidasi ini mengkonsumsi air. Air dan iodin dikonsumsi dengan rasio 1:1 dalam reaksi. Begitu semua air yang ada dikonsumsi, keberadaan iodin berlebih dideteksi secara voltametri dengan elektroda indikator titrator. Dengan kata lain, informasi tentang analit diperoleh dengan mengukur arus ketika potensial diubah. Itu memberi sinyal titik akhir titrasi. Jumlah air yang ada dalam padatan dihitung didasarkan pada konsentrasi iodin dalam reagen pentitrasi Karl Fischer (titer) dan jumlah reagen Karl Fischer yang dikonsumsi dalam titrasi.
Ada dua jenis reaksi Karl Fischer: TKF volumetrik dan TKF coulometrik. Dalam TKF volumetrik iodin ditambahkan ke pelarut yang mengandung cuplikan melalui burette selama titrasi. Air dikuantifikasi berdasarkan volume reagen Karl Fischer yang dikonsumsi. Volumetri paling cocok untuk penentuan kadar air dalam rentang 100 ppm sampai 100%. Dalam TKF coulometri, iodin dihasilkan secara elektrokimia di tempat selama titrasi. Air dikuantifikasi berdasarkan pada total muatan yang dilewatkan (Q), seperti yang diukur oleh arus (ampere) dan waktu (detik), menurut persamaan
Q = 1 C (Coulomb) = 1 A x 1 s dimana 1 mg H2O = 10,72 C
Coulometri paling cocok untuk penentuan kadar air dalam rentang 1 ppm sampai 5%.
Metoda kapasitif
Ini adalah metoda yang tidak mahal dan paling mudah untuk menangani pengukuran kadar air, dan ia memberikan hasil yang akurat, dapat diulangi untuk berbagai macam bahan pada frekuensi tinggi. Sensor kapasitif (juga disebut pergeseran dielektrik frekuensi tinggi) mengukur kadar air berdasarkan pada beda antara tetapan dielektrik air dan bahan yang terletak antara elektroda kapasitor sensor. Sebagian besar padatan mempunyai tetapan dielektrik antara sekitar 4 dan 13. Air mempunyai tetapan dielektrik kira-kira 80. Sensor mengukur perbedaan ini untuk menentukan prosentase berat kadar air bahan. Ketika sensor kapasitif mengukur kenaikan kapasitansi bahan kearah tetapan dielektrik air, kenaikan menunjukkan bahan mengandung labih banyak air. Sensor kapasitif menyediakan pengukuran waktu nyata dan dapat digunakan sebagai metoda kontak atau nonkontak.
Metoda termogravimetri (kehilangan pada pengeringan)
Alat kehilangan pada pengeringan (loss-on-drying; LOD) untuk analisa kadar air padatan curah menggunakan teori yang sama seperti metoda oven standar: Pan cuplikan kosong ditimbang dan ditera. Cuplikan ditambahkan dan dicatat sebagai berat mulai mula-mula. Panas diberikan ke cuplikan untuk membebaskan air (atau senyawa mudah menguap lain). Selisih dalam berat cuplikan dicatat dan dihitung sebagai persen air menggunakan hubungan berikut: berat cuplikan mula-mula – berat cuplikan akhir = Kehilangan berat; Kehilangan berat x 100 = persen air.
Dengan alat LOD, timbangan dan sumber panas dipasangkan bersama-sama, yang mengizinkan pengguna mengamati kurva air waktu nyata dan grafik laju ketika air dibebaskan. Dalam sistem terintegrasi, waktu uji jauh lebih cepat dengan tingkat akurasi yang sama dengan metoda oven tradisional.
Moisture analyzer HE53, dibuat oleh Mettler Toledo adalah alat yang umum menggunakan prinsip termogravimetri. Vapor Pro XL, dibuat oleh AMETEK Brookfield adalah juga unit berbasis termogravimetri ideal untuk hampir semua aplikasi dimana titrasi Karl Fischer digunakan. SMART 6 dari CEM adalah analyzer kadar air microwave untuk pengukuran kadar air cepat.
Metoda tidak langsung
Untuk alat penentuan kadar air pada umumnya, penerapan konsep refleksi dan absorpsi elektromagnetik menjadi meluas, khususnya untuk pengukuran in-line dan on-line. Teknik ini didasarkan pada temuan bahwa air (maupun bahan kimia lain) mempunyai panjang gelombang absorpsi sangat spesifik. Alat yang didasarkan pada absorpsi near infrared (NIR) dan teknologi radiasi gelombang mikro adalah yang paling umum. Meskipun kedua teknik tersebut berbeda, keduanya didasarkan pada absorpsi energi elektromagnetik. Ketika kadar air cuplikan kalibrasi diketahui, hasil absorpsi dapat diacu untuk kadar air cuplikan.
Near infrared (NIR)
Sensor infra merah mengukur kadar air dengan melewatkan sinar cahaya pada gelombang infra merah melalui bahan dan mengukur rasio antara panjang gelombang yang diserap dan yang dipantulkan. Spektroskopi NIR merupakan teknologi yang telah mapan untuk uji kadar air online. Spektrometri pantulan NIR memanfaatkan radiasi pantulan difusi near-infrared dari padatan pada beberapa panjang gelombang diskret untuk memperkirakan air dan spesies kimia lain dalam bahan. Air menampilkan absorpsi karakteristik pada rentang near-infrared 1.100 dan 2.450 nm.
Proses pengukuran kadar air dengan metoda NIR adalah tidak merusak sehingga cuplikan dapat digunakan untuk uji lain atau dikembalikan ke aliran produk. Akan tetapi, keterbatasan NIR adalah dari fakta bahwa ia hanya mengukur kadar air pada permukaan dan tidak menembus ke kedalaman bahan.
Pengukuran kadar air gelombang mikro
Gelombang mikro adalah bagian dari spektrum elektromagnetik, dengan panjang gelombang dalam rentang centimeter, dibatasi oleh gelombang radio yang lebih panjang dan gelombang infra merah yang lebih pendek. Frekuensi gelombang mikro berkisar secara kasar antara 10 dan 10.000 MHz. Sensor gelombang mikro mengukur kehilangan energi gelombang mikro yang dilewatkan melalui cuplikan pada titik emisi, dan menggunakan selisih kecepatannya pada media yang berbeda untuk menghitung kadar air. Kehilangan energi ini bertambah dengan jumlah air yang terkandung dalam media, dengan akibat bahwa, ketika konsentrasi air bertambah, energi yang lebih sedikit akan mencapai sisi lain dari media. Sensor gelmbang mikro sangat akurat dalam mengukur kadar air dalam bahan yang terdistribusi seragam.
Nuclear Magnetic resonance (NMR)
Spektrum NMR resolusi rendah dari air dan es menunjukkan bahwa proton yang terikat secara erat pada padatan dan proton air yang mudah bergerak dalam air dapat dikuantifikasi secara terpisah. Pendekatan ini dapat juga digunakan untuk menentukan jumlah air bebas dan air terikat dalam senyawa padat.
Metoda Optik
Karena molekul air memiliki sifat optik yang berbeda, deteksi kadar air menggunakan teknik optik mengizinkan metoda baru pengukuran on-line. Pendekatan ini tidak mengganggu terhadap produk, mampu melakukan pengukuran waktu nyata dan dapat diotomasi. Pengukuran IR lebih baik untuk tingkat kadar air <1%, sedangkan pengukuran NIR lebih baik untuk tingkat kadar air >1%.
Elkimkor 