ANALISA KINETIKA REAKSI PEMBENTUKAN KERAK CaCO 3 -CaSO 4 DALAM
PIPA BERALIRAN LAMINAR PADA SUHU 30 0 C DAN 40 0 C

## MENGGUNAKAN PERSAMAAN ARRHENIUS

## Haryono 1

## ABSTRAK
The crust is a hard pile of inorganic material especially on the heat transfer surface caused by deposition of mineral particles in water. Know the reaction rate  constant  and  activation  energy  of  CaCO 3 -CaSO 4 scale  formation  with Arrhenius equation. The higher the temperature makes the crust more and more formed. At a temperature of 30 0 C produces a crustal mass of 38.1 mg while at 40 0 C the resulting crust mass is 58.5 mg. The higher the temperature makes the value of the reaction speed constant rising. At 30 0 C the resulting reaction rate constant is 1,195 kJ.mg-1.C-1. While at a temperature of 40 0 C yields a reaction rate constant of 3.737 kJ.mg-1.C-1. The activation energy in the CaCO 3 -CaSO 4 crust formation reaction is 123.23 kJ. From SEM results between no additions and  with  the  addition  of  cubical  morphological  forms  with  rombohedral  and monoclinic crystal structures.
Keywords: Crust, CaCO 3 , CsSO 4 , SEM

## PENDAHULUAN
Kerak adalah tumpukan keras dari bahan anorganik terutama pada permukaan perpindahan panas yang disebabkan oleh pengendapan partikel mineral dalam air.Hal ini disebabkan karena terdapatnya unsur-unsur pembentuk kerak seperti alkalin, kalsium, klorida, sulfat dalam jumlah yang  melebihi  kelarutannya pada  keadaan  kesetimbangan.  Jika  konsentrasi  siklus  ini  dibiarkan berlanjut, berbagai kelarutan padat akhirnya akan terlampaui. Padatan kemudian akan menetap di dalam pipa atau pada permukaan pertukaran panas, di mana ia sering membeku menjadi kerak (Basim et al., 2012).
Pengendapan ini tidak diharapkan karena penumpukannya menyebabkan timbulnya kerak yang dapat mengganggu transfer panas sehingga mengurangi efisiensi dan menghambat pengaliran pada proses aliran fluida (Amor et al ., 2014) . Di samping itu, kerak yang menumpuk pada pipa-
1 Prodi S1 Teknik Mesin UNIMUS
pipa  saluran,  lubang-lubang  dan  beberapa  bagian  aliran  pada  proses  aliran  fluida  dapat menyebabkan  gangguan  yang  serius  pada  pengoperasian,  karena  penumpukan  kerak  ini  dapat mengakibatkan terjadinya korosi dan kerusakan pada peralatan proses produksi. Di dalam proses industri pengerakan merupakan permasalahan yang masih sangat memprihatinkan terutama pada sistem pendingin dan industri minyak bumi. Ini adalah alasan mengapa banyak penelitian masih dikembangkan untuk memahami fenomena kerak (Alimi et al ., 2007)
Jika suatu zat dipanaskan, pertikel-partikel zat tersebut menyerap energi kalor. Pada suhu yang ebih tinggi molekul bergerak lebih cepat sehingga energi kinetiknya bertambah. Peningkatan energi  kinetik  menyebabkan  kompleks  teraktivasi  lebih  cepat  terbentuk,  karena  energi  aktivasi mudah  terlampaui,  dengan  dewnikian  reaksi  berlangsung  lebih  cepat  (Suroso,  2002).Penelitian reaksi  pengerakan  CaCO 3 -CaSO 4 yang  bertujuan  untuk  menentukan  konstanta  laju  dan  energy aktivasi,  seringkali  dilakukan  pada  beberapa  temperature.  Idealnya  langkah  pertama  untuk mengenali semua produknya, dan untuk menyelidiki ada tidaknya antar hasil sementara dan reaksi samping (Atkins,  1999).  Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini  mengkaji  tentang  kinetika  reaksi pembentukan kerak CaCO 3 -CaSO 4 dalam pipa beraliran laminar.
Pengerakan kalsium karbonat dan kalsium sulfat sangat merugikan dalam proses produksi sehingga  harus  dilakukan  usaha  untuk  menghambat  pembentukannya  dengan  cara  mengetahui kinetika  reaksi  pembentukan  kerak  CaCO 3 -CaSO 4 dalam  pipa  beraliran  laminar.  Penelitian  ini dilakukan  untuk  mengetahui  tetapan  laju  reaksi  dan  energi  aktivasi  dengan  menggunakan persamaan Arrhenius
Tujuan penelitian ini adalah:
 Mengetahui  kinetika  reaksi  pembentukan  kerak  CaCO 3 -CaSO 4 pada  pipa  beraliran laminar.
 Mengetahui  tetapan  laju  reaksi  dan  energy  aktivasi  pembentukan  kerak  CaCO 3 -CaSO 4 dengan persamaan arrhenius.
 Mengkarakterisasi kerak kalsium karbonat dan kalsium sulfat hasil percobaan
Penelitian ini merupakan kajian eksperimental yang hasilnya berupa data empirik tentang fenomena pembentukan kerak kalsium sulfat dan kalsium karbonat. Maka dari itu diharapkan akan memberikan manfaat pada umumnya bagi pengkajian dan pengembangan ilmu tentang kerak pada aspek proses pembentukan dan pencegahannya baik kerak dilingkungan sehari-hari maupun  kerak yang muncul dalam industri, khususnya bagi para operator industri yang terkait dengan bidang
kerak  (seperti boiler,  cooling  tower dan heat  exchanger )  bias  mendapatkan  tambahan  sumber informasi dalam menjalankan tugasnya.

## METODELOGI PENELITIAN

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Suhu Terhadap Massa Kerak CaSO 4 dan CaCO 3
Pengaruh suhu terhadap massa kerak kalsium sulfat dilakukan untuk mengetahui seberapa besar pengaruh suhu terhadap pembentukan massa kerak campuran kalsium karbonat dan kalsium sulfat. Suhu yang digunakan dalam penelitian ini adalah 30 0 Cdan 40 0 C. Hasil variasi suhu tersebut kemudian dilakukan penimbangan. Pengaruh suhu terhadap massa kerak kalsium sulfat ditunjukan pada Gambar 1.
Gambar 1. Grafik hubungan antara Suhu dengan Massa Kerak (mg).
Pada Gambar 1, menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu membuat kerak yang terbentuk semakin banyak.Padasuhu 30 0 C menghasilkan massa kerak sebesar 38.1 mg sedangkan pada suhu 40 0 C menghasilkan massa kerak 58.5 mg. Ini menunjukkan pada kondisi suhu tinggi, reaksi antara reaktan  CaCl2,  Na2SO4,  Na2CO3  berjalan  lebih  cepat  dibanding  pada  kondisi  suhu  rendah. Semakin tinggi suhu dalam suatu reaksi akan memberikan tekanan yang kuat, tumbukan antara molekul reaktan CaCl2 dan Na2SO4, Na2CO3 akan semakin banyak, sehingga kecepatan reaksi akan menigkat dan jumlah kerak yang terbentuk semakin banyak (Alice etal., 2011; Basimetal., 2012).
Setiap  partikel  selalu  bergerak  dengan  menaikkan  temperatur,  energi  gerak  atau  energi kinetik partikel bertambah, sehingga tumbukan lebih sering terjadi. dengan frekuensi tumbukan yang  semakin  besar,  maka  kemungkinan  terjadiya  tumbukan  efektif  yang  mampu  enghasilkan
38,1 58,5 0 10 20 30 40 50 60 70 30 40 m as sa k er ak ( m g) Temperature (0C)
reaksi juga semakin besar. Suhu atau temperatur juga mempengaruhi energi potensial suatu zat. Zat-zat  yang  energi  potensialnya  kecil,  jika  bertumbukan  akan  sukar  menghasilkan  tumbukan efektif. Hal ini karena zat-zat tersebut tidak mampu melampui energi aktivasi. Dengan menaikkan suhu,  maka  hal  ini  akan  memperbesar  energi  potensial  sehingga  ketika  bertumbukan  akan menghasilkan energi (Rabizadehetal., 2014; SettaandNeville, 2011).

## Tetapan LajuReaksi
Tetapan Laju reaksi disebut juga koefisien laju atau laju reaksi jenis, dengan lambing k (konstanta). Tetapan laju adalah tetapan perbandingan antara laju reaksi dan hasi kali konsentrasi spesi  yang  mempengaruhi  laju  reaksi.  Tetapan  laju  juga  merupakan  perubahan  konsentrasi pereaktan atau produk reaksi per satuan waktu dalam suatu reaksi jika konsentrasi semua pereaksi sama  dengan  satu.  Dari  data  pengaruh  suhu  terhadap  massa  kerak,  dapat  ditentukan  konstanta kecepatan reaksi. Data dC/dt terhadap waktu ditunjukan pada Tabel 1 danGambar 2.
Tabel 1. Perhitungan Laju Reaksi Suhu (°C) waktu (jam) waktu (menit) massa (gram) Kecepatan reaksi (g/min) mg/min (mg/min)x 10 -3 30 1 60 0.0381 0.00015875 0.1588 158.750 2 120 0.0662 0.000275833 0.2758 275.833 3 180 0.0758 0.000315833 0.3158 315.833 4 240 0.0923 0.000384583 0.3846 384.583 40 1 60 0.0585 0.00024375 0.2438 243.750 2 120 0.117 0.0004875 0.4875 487.500 3 180 0.1638 0.0006825 0.6825 682.500 4 240 0.2223 0.00092625 0.9263 926.250
Gambar 2. pengaruh waktu terhadap kecepatan pengerakan
Dari Gambar 2.  menunjukan pengaruh waktu terhadap  kecepatan per waktu.  Dari  Grafik tersebut  dapat  diperoleh  persamaan  linier  (Aboulkasand Harfi,  2008).  Dari  persamaan  tersebut dapat ditentukan nilai kontanta berdasarkan persamaan:
= kt + C
Jadi dapat diperoleh nilai konstanta laju reaksi (k):
Tabel 2. Data Persamaan Linier No Suhu ( 0 C) Persamaan k (x 10 -3 ) J.mg -1 .C -1 kJ.mg -1 .C -1 ) 1 30 y = 1.195x + 104.3 1.195 1.195 2 40 y = 3.737x + 24.37 3.737 3.737
Dari data nilai k menunjukan kecepatan reaksi. Nilai k semakin besar, maka kecepatan reaksi  pembentukan  kerak  akan  semakin  meningkat.  Dari  data  tersebut  menunjukan  semakin
y = 1,1958x + 104,38 R² = 0,9574 y = 3,7375x + 24,375 R² = 0,9981 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 50 100 150 200 250 K ec ep at an p en ge ra k an ( m g/ m in ) Waktu (menit)
tinggi temperature membuat nilai tetapan kecepatan reaksi meningkat. Hal ini disebabkan suhu tinggi  membuat  tekanan  menjadi  meningkat  sehingga  ion-ion  reaktan  akan  bergerak  cepat, tumbukan  antar  ion  akan  semkin  banyak,  akibatnya  kerak  yang  terbentuk  semakin  banyak (Aboulkasand Harfi, 2008; Chiangetal., 2007; VyazovkinandDranca, 2006; Zhijiaetal., 2013).

## Penentuan Nilai Energi Aktivasi
Suatu  reaksi  terjadi  bila  energi  tumbukan  antara  molekul-molekul  reaktan  melampaui energi  pengaktifan  (energi  minimum  yang  harus  dimiliki  molekul  agar  tumbukannya menghasilkan reaksi) dan orientasi moiekul-molekul harus sesuai untuk terjadinya reaksi. Dari nilai  k  tersebut,  dengan  menggunakan  persamaan  Arkhenius,  dapat  menentukan  nilai  Energi Aktivasi (Ea). Untuk menentukan nilai Ea dilakukan menggunakan persamaan:
Ln   = ( ) . . Ln . . = ( )
.
Ea = 123,23 kJ
Dengan memasukan data suhu dan nilai tetapan laju reaksi maka didapatkan nilai Energi aktivasi  sebesar 123,23  kJ.  Reaksi  pengerakan  bisa  berlangsung  lebih  cepat  jika  energi  kinetic melampaui energi aktivasi tersebut.

## Pengujian SEM
Pengujian SEM dan pengujian microanalyser bisa dilakukan pada suatu instrumen yaitu dengan mengunakan perangakat SEM-EDS. Pengujian SEM dilakukan untuk mengkaji morfologi kristal sedangkan pengujian microanalyser bertujuan untuk mengetahui komposisi kristal. Kajian morfologi  adalah  kajian  yang  meliputi  kekasaran  kristal,  ukuran  kristal,  bentuk  kristal,  proses pengintian serta fenomena pembentukan kristal. Hasil pengujian SEM dapat dilihat pada Gambar 3.
(a) (b)
Gambar 3. Morfologi kerak kalsium karbonat dan kalsium Sulfat hasil percobaan
(a) 30 0 C  (b) 40 0 C.
Setelah melakukan pengamatan terhadap hasil SEM yang di cantumkan pada Gambar 4.3 dengan  perbesaran  3000  kali.  Proses  pembentukan  kristal  yang  dilakukan  melalui  percobaan dimana dengan mengunakan konsentrasi larutan Ca 2+ 3000 ppm dengan variasi suhu. Gambar (a) merupakan bentuk morfologi kerak hasil uji kristalisasi suhu 30 0 C. Pada gambar tersebut terlihat bahwa  jenis  kristal,  CaCO 3 berbentuk  granul  bulatan  (rombohedral)  dan  CaSO 4 berbentuk lempengan (gypsum). Gambar (b) merupakan hasil uji kristalisasi dengan temperatur 40 0 C gambar tersebut terlihat bahwa bentuk kristal semakin besar dan saling melekat satu sama lain.
Dari kedua hasil uji SEM tersebut menandakan bahwa semakin besar suhu maka semakin banyak fasa calsit (CaCO 3 ) yang terbentuk. Hal ini ditunjukan pada gambar hasil SEM semakin rapat dan besar besar bentuk granul bulatan. Apabila kristal ini terbentuk dan mengendap di dalam pipa  maka  akan  menghasilkan  kerak  yang  sulit  untuk  dibersihkan  dari  suatu  sistem  perpipaan. Sedangkan kedua jenis kristal lainnya, yaitu aragonite dan vaterite, merupakan jenis softscale yang lebih mudah dibersihkan apabila menempel pada dinding dalam pipa (Holyszdkk, 2007).

## Pengujian EDS
Pada  prinsipnya  mikroskop  electron  dapat  mengamati  morfologi,  struktur  mikro, komposisi,  dan  distribusi  unsur.  Untuk  menentukan  komposisi  unsure  secara  kualitatif  dan
kuantitatif perlu dirangkaikan satu perangkat alat EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer).
Hasil Pengujian EDS hasil percobaan dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. HasilAnalisisEDS (30 0 C)
Gambar 5. Hasil EDS suhu 40 0 C
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 C ou nt s C K a O K a N aK a SK a SK b C lK a C lK b C aK a C aK b C uL l C uL a C uK a C uK b 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600 6400 7200 C ou nt s
C K a O K a
N aK a S K a SK b C lK a C lK b C aK a C aK b
C uL l C uL a C uK a C uK b Z nL l Z nL a Z nL b Z nK a Z nK b
Tabel 3. Hasil analisa mikro kristal kerak kalsium sulfat dan kalsium karbonat
Element Mass % (30 0 C) Mass% (40 0 C) C K 39.73 36.78 O K 19.01 18.49 S K 2.65 1.14 Ca K 36.48 39.56
Hasil  analisa  mikro  meliputi  komposisi  atom  pembentuk  kristal  yang  dinyatakann  dalam presentse atom. Perbedaan hasil analisa mikro ini di akibatkan oleh beberapa sebab yaitu :
1. Adanya penambahan CaSO 4 kedalam larutan sehingga proporsi CaCO 3 mengalami perubahan.
2. Adanya kandungan natrium dan klorida dalam kristal sehingga berpengaruh komposisi kristal.

## DAFTAR PUSTAKA
Aboulkas and Harfi K.E., 2008. Study of the kinetic and mechanisms of thermal decomposition of morocco oil shale Vol 25 No 4, pp: 426-443
Alice, A., Low, J. H., Gray, S., Childress, A. E., Le-Clech, P., Leslie, G. (2011). Scala formation and  control  in  high  pressure  membrane  water treatment  systems:A  review. Journal  of Membrane Science , 383, 1-16.
Alimi, F., Tlili, M., Amor, M.B., Gabrielli, C., Maurin, G. (2007), Influence of magnetic field on calcium carbonate precipitation, Desalination, 206, 163-168.
Amer, B. M. Abu A. M. Y. 2009 Solubility of Common Oil Scales of Injection Water and Hight Barium  Concentration  and  Hight  Salinity  Formation  Water.  Universitas  Teknologi malaysia. Jurnal Malaysia Teknology, 50: 67 – 77
Amjad,  Z.,  and  Koutsoukos,  P.G.,  2014,  “Evaluation  of  maleic  acid  based  polymers  as  scale inhibitors and dispersants for industrial water applications,” Desalination, 335, pp 55-63.
Amor, M. B., Zgolli, D., Tlili, M. M., Manzola, A. S. (2004). Influence of water hardness, substrate nature and temperature on
heterogeneous calcium carbonate
nucleation. Desalination, 166, 79-84.
Anderton, J. D. 1997. Foundations of Chemistry. Edisi kedua. Melbourne: Longman Atkins, P. W. 1999. Kimia Fisika Jilid 2. Erlangga: Jakarta
Azimi G, and Papangelakis V.G. 2010  Thermodynamic modeling and experimental measurement of calcium sulfate in complex aqueous solutions.  Fluid Phase Equilibria. 2010;290: 88– 94.
Basim  O.  Hasan,  Graham  J.  Nathan,  Peter  J.  Ashman,  Richard  A.  C.  2012.  The  Effects  of temperature  and  Hydrodynamics  on  The  Crystallization  Fouling  Under  Cross  Flow conditions, Journal. Elsevier aplied Thermal Engineering. Volume, 36 : 210-218
Boonchom, B. 2009. Kinetic and Thermodynamic Studies of MgHPO4·3H2O by Non-Isothermal Decomposition Data.  Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 98, No. 3, 2009, pp. 863-871
Boyaci,  I.  H.,  2005,  “A  new  approach  for  determination  of  enzyme  kinetic  constants  using response surface methodology,” Biochem. Eng. J., 25, pp 55-62
Brown  M.  E.  and  P.  K.  Gallagher,  2008.  Hand  Book  of  Ther-mal  Analysis  and  Calorimetry, Burnham A. K.  and L. N. Dinh, 2007. A Comparison of Iso-conversional and Model- Fitting Approaches to Kinetic Parameter Estimation and Application Predictions. Jour- nal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 89, No. 2, 2007, pp. 479-490.
Chiang C.L., R.C. Chang, Y. C. Chiu. 2007. Thermal Stability and degradation kinetic of novel organic/inorganic.  Epoxy  hybrid  containing  nitrogen/silicon/phosphorus  by  sol-gel method thermochimmica Acta 453 : 97-104
Gourdon. 2011. The  Effects of  Flow Velocity  on Crystallization  Fouling in  Falling  FilmBlack Liquor Evaporators. Proceeding of International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning, 4 : 23-30
Han, Y. S., Hadiko, G., Fuji, M., & Takahashi, M. (2005). Effect of flow rate and CO 2 content on the  phase  and  morphology  of  CaCO 3 prepared  by  bubbling  method. Journal  of  Crystal Growth, 276(3), 541-548.
Holysz, L., Szczes, A., Chibowski, E. (2007). Effects of a static magnetic field on water and electrolyte solutions. Journal of Colloid and Interface Science ,316(2), 996-1002.
Isopecus,  R.,  Mateescu,  C.,  Mihai,  M.,  Dabija,  G.  (2010).  The  effects  of  organic  additives  on induction  time  and  characteristics  of  precipitated  calcium  carbonate. Chemical Engineering Research and Design, 88, 1450-1454.
Rabizadeh,  T.,  Caroline.,  Reacock,  Liane  G.  B.  2014.  Carboxilic  acid  :  Effective  for  Calcium Sulfate Precipitation. Mineralogical Magazine, 78(6):1465 - 1472.
Ryan, Lawrie. 2001. Chemistry For You. Nelson Thornes: London Setta, F. A., Neville, A. (2011). Efficiency assessment of inhibitors on CaCO 3 precipitation kinetics in the bulk and deposition on a stainless steel surface (316L). Desalination , 281, 340-347.
Suroso, A. Y. 2002. Ensiklopedia Sains dan Kehidupan. Tarity Samudra Berlian: Jakarta Vyazovkin  S.  and  I.  Dranca,  2006.  “Isoconversional  Analysis  of  Combined  Melt  and  Glass
Crystallization Data,” Macro-molecular Chemistry and Physics, Vol. 207, No. 1, 2006, pp. 20-25.
Zhijia L., Zehui J., Benhua F., and Xing’e L. 2013. Thermal Decomposition on Fir. Bioresources, 8(4): 5014-5024
PENULIS:

## HARYONO
Teknik Mesin-Fakultas Teknik- Universitas Muhammadiyah Semarang Jl. Kasipah no.12 Semarang 50254 E-mail: haryonobenos@gmail.com