PEMBENTUKAN KERAK MAGNESIUM KARBONAT MGCO 3 PADA LAJU ALIR 30 ml/menit DENGAN KONSENTRASI Mg 2+ 3000 ppm dan 4000 ppm
Bayu Setya Mandela 1

## ABSTRAK
Pembentukan kerak pada sistem perpipaan di industri maupun rumah tangga menimbulkan banyak permasalahan teknis dan ekonomis. Hal ini disebabkan karena kerak dapat menutupi atau menyumbat air yang mengalir dalam pipa dan sekaligus menghambat proses perpindahan panas pada peralatan penukar panas. Tujuan  dilakukan  penelitian  ini  yaitu  untuk  mengembangkan  alat Closed Circuit  Scale  Simulator ,  memahami  mekanisme  pembentukan  kerak  MgCO 3 dengan  30  mL/menit  didalam  pipa  dengan  aliran  fluida  dan  mengkaji  hasil morfologi,  dan  komposisi  kerak.  Hasil  yang  didapatkan  selama  pengujian dengan  mereaksikan  MgCl 2 dan  Na 2 CO 3 menggunakan  larutan  Mg 2+ berkonsentrasi 3000 ppm dan 4000 ppm dengan laju alir 30 mL/menit dengan pengukuran  waktu  induksi. Hasil  penelitian  menunjukan  pada  konsentrasi larutan 3000 ppm diperoleh massa kerak MgCO 3 sebesar 36,.4 mg sedangkan pada  konsentrasi  larutan  3000  ppm  menghasilkan  massa  kerak  MgCO 3 28,2 gram.  Waktu  induksi  untuk  konsentrasi  larutan  3000  ppm  adalah  28  menit dengan  nilai  konduktivitas  8625  µS/cm  sedangkan  pada  konsentrasi  larutan 4000 ppm memiliki waktu induksi 22 menit dengan nilai konduktivitas sebesar 8612 µS/cm. Dari hasil SEM antara tanpa penambahan dan dengan penambahan terlihat bentuk morfologi kubus dengan struktur Kristal monoklin.
Kata Kunci : Kerak MgCO3, Konsentrasi, Waktu Induksi, SEM-EDS.

## PENDAHULUAN
Kerak merupakan senyawa mineral berupa kalsium karbonat, kalsium sulfat, magnesium karbonat dan dalam keadaan tertentu disertai pula unsur-unsur lain yaitu mineral  besi  serta  butiran  pasir.  Dari  semua  jenis  kerak  yang  disebutkan  kerak Magnesium Karbonat (MgCO 3 ) paling banyak dijumpai. Kerak magnesium karbonat (MgCO 3 ) adalah tumpukan keras dari bahan anorganik dalam bentuk ion Mg 2+ dan CO 3 2- terutama  pada  permukaan  perpindahan  panas  yang  disebabkan  oleh pengendapan partikel mineral dalam air. Padatan kemudian akan menetap di dalam pipa  atau  pada  permukaan  pertukaran  panas,  di  mana  ia  sering  membeku  menjadi kerak (Bhatia, 2003).
1 Program Studi Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Semarang
Pengerakan banyak terjadi pada pipa pengaliran air, sehingga kecepatan fluida merupakan  faktor  yang  sangat  berpengaruh.  Fluida  yang  mengalir  dalam  pipa mempunyai  uraian  gaya  aksial  dan  radialyang  menyebabkan  pergerakan  inti  kerak yang terbentuk. Gaya radial menyerupai gaya geser yang mengenai dinding pipa secara tegak lurus hingga menyebabkan terlepasnya sebagian inti kerak yang telah menempel pada dinding pipa. Selanjutnya inti kerak didorong oleh gaya aksial fluida sehingga terbawa oleh aliran dan menempel pada bagian dinding lain. Dalam hal ini gaya aksial radial yang dimiliki oleh aliran fluida berfungsi sebagai penyebar inti kerak sehingga akan  menjadi  pasat-pusat  baru  bagi  pertumbuhan  kerak.  Pengaruh  dari  gaya  radial fluida adalah mendorong inti kerak telah terbentuk yang berada pada bagian tengah pipa  kearah  dinding  pipa  sehingga  membuat  inti  tersebut  menempel  pada  dinding, selanjutnya ia ditempeli oleh endapan kerak yang terbentuk kemudian dan inti kerak tersebut menjadi lebih besar.
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Mengetahui proses pengerakan Magnesium karbonat MgCO 3 di dalam pipa.
2. Mengetahui pengaruh larutan Mg 2+ 3000 ppm dan 4000 ppm terhadap pembentukan kerak MgCO 3 pada suhu 40 0 C.
3. Mengetahui morfologi kerak MgCO 3 dan komposisi kimia.

## LANDASAN TEORI
Kerak  merupakan  endapan  yang  terbentuk  dari  proses  kristalisasi  dan pengendapan mineral yang terkandung dalam suatu zat.  Pembentukan kerak biasanya terjadi di bidang-bidang yang bersentuhan secara langsung dengan suatu fluida selama proses produksi, seperti  alat penukar panas (heat excangers), rangkaian pompa dalam sumur  ( downhole  pump ),  pipa  produksi,  pipa  selubung,  pipa  alir,  serta  peralatan produksi lainya (Crabtree et al , 1990).
Gamabar 1. Endapan Kerak Magnesium Karbonat (a) dalam Pipa (b) Permukan Heat Excangers (Crabtree et al ,1990).

## Kristalisasi
Kristalisasi merupakan peristiwa pembentukan partikel-partikel zat padat dalam suatu fase homogen. Kristalisasi dari larutan dapat terjadi jika padatan terlarut dalam keadaan berlebih (diluar kesetimbangan), maka sistem akan mencapai kesetimbangan dengan  cara  mengkristalkan  padatan  terlarut  (Dewi  dan  Ali,  2003).  Kristalisasi senyawa  dalam  larutan  langsung  pada  permukaan  transfer  panas  dimana  kerak terbentuk  memerlukan  tiga  faktor  simultan  yaitu  konsentrasi  lewat  jenuh ( supersaturation ), terbentuknya inti kristal dan waktu kontak yang memadai. Pada saat terjadi  penguapan,  kondisi  jenuh  ( saturation )  dan  kondisi  lewat  jenuh ( supersaturation ) dicapai secara simultan melalui pemekatan larutan dan penurunan daya larut seimbang saat kenaikan suhu menjadi suhu penguapan.
Gambar 2. Tahapan kristalisasi
a) b)

## METODOLOGI PENELITIAN

## Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi:
 Larutan  Na 2 CO 3 dengan  kosentrasi  Mg +2 3000  ppm  dan  4000  ppm  dibuat dengan melarutkan kristal Na 2 CO 3 (Natrium Carboant ) grade : analitik
 Larutan  MgCl 2 dengan  kosentrasi  Mg +2 3000  ppm  dan  4000  ppm  dibuat dengan  melarutkan  kristal  CaCl 2 (Calcium  Chloride  Dihydrad  ) grade  : analitik
 Aquades

## Alat Penelitian
Gambar 3. Desain prototype Closed Circuit Scale Simulator (S.Raharjo.2016)
1) Pompa iwaki magnetic 7) kipas 2) Bak penampung 8) Grafik Panel 3) Bypass 9) Lampu Indikator 4) Kran 10) Temperatur Kontrol 5) Pipa 11) Saklar Heater dan Kipas 6) heater 12) Saklar Pomp
Gambar 4. Diagram Alir Penelitian.

## Alat Eksperimen Pembentukan kerak
Alat  yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat  yang di  rancang sendiri oleh peneliti terdahulu. Alat tersebut terdiri dari empat buah bejana yaitu dua bejana dibawah (1,2) dengan kapasitas 6 liter dan dua bejana diatas dengan kapasitas 0,8 liter. Kegunaan bejana tersebut adalah untuk menampung larutan MgCl 2 pada bejana 1 dan dialirkan  ke  bejana  bagian  atas  untuk  di  panaskan  dalam  suhu  40°C,  begitu  juga dengan bejana 2 yang mengandung larutan Na 2 CO 3 . Kedua larutan tersebut dialirkan ke bejana atas dengan pompa fluida. Permukaan larutan pada bejana bagian atas dijaga agar keduanya mempunyai ketinggian yang sama dan dapat diatur naik atau turun guna mendapatkan perbedaan ketinggian permukaan dengan pengeluaran akhir dari rumah kupon sehingga dapat digunakan untuk mengatur laju aliran.
Skema Alat Prototype Closed Circuit Scale Simulator
Gambar 5. Skema Closed Circuit Scale Simulator (S.Raharjo 2016)

## Pengujian Alat
Pengujian alat meliputi kecepatan aliran meninggalkan kupon tepat sesuai desain yaitu 30 mL/menit dengan 3000 ppm Mg 2+ dan 4000 ppm Mg 2+ . Pengujian dilakukan dengan cara trial and  error sebanyak sepuluh kali dengan mengatur harga Δh  yaitu selisih ketinggian antara permukaan larutan pada bejana bagian atas, terhadap saluran pembuangan  limbah  atau  pengeluaran  aliran  pada  akhir  kupon  setelah  itu  dihitung standar deviasinya. Dengan demikian alat yang dibuat mempunyai laju alir yang stabil pada Mg  30 mL/menit.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Konsentrasi Mg 2+ Terhadap Massa Kerak MgCO 3
Penelitian    mengenai  pengaruh  konsentrasi  Mg 2+ terhadap  massa  kerak magnesium  karbonat  dilakukan  untuk  mengetahui  seberapa  besar  pengaruh konsentrasi terhadap pembentukan massa kerak magnesium karbonat. Laju alir yang digunakan dalam penelitian ini adalah 30 mL/menit. Pengaruh konsentrasi terhadap massa kerak kalsium karbonat ditunjukan pada Gambar 6.
Gambar 6. Grafik hubungan  antara konsentrasi Mg 2+ larutan pada laju alir 30 mL/menit dengan massa kerak magnesium karbonat.
Pada Gambar 6., menunjukkan bahwa pada laju  alir stabil 30 mL/menit pada konsentrasi larutan 4000 ppm Mg 2+ , massa kerak Magnesium karbonat yang terbentuk lebih banyak dibandingkan dengan pada konsentrasi larutan 3000 ppm Mg 2+ . Hal ini menunjukkan  pada  konsentrasi  Mg 2+ 4000  ppm,  reaksi  antara  reaktan  MgCl 2 dan Na 2 CO 3 berjalan lebih cepat dibanding pada konsentrasi 3000 ppm. Konsentrasi Mg2+ yang semakin besar menyebabkan jumlah ion dalam larutan semakin banyak

## Analisa Waktu Induksi
Analisa  yang  dilakukan  yaitu  tentang  waktu  yang  dibutuhkan  oleh  senyawa Magnesium  karbonat  untuk  membentuk  inti  kristal  pertama  kali.  Waktu  induksi ditandai  dengan  menurunnya  nilai  konduktivitas  larutan  secara  tajam  yang menandakan  bahwa  ion  Magnesium  telah  bereaksi  dengan  ion  karbonat  dan mengendap membentuk kerak. Waktu induksi untuk konsentrasi 3000 ppm dan 4000 ppm  masing-masing  menunjukkan  nilai  yang  berbeda  seperti  yang  terlihat  pada Gambar 7. grafik hubungan antara konduktivitas dengan waktu.
28,2 36,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 3000 ppm 4000 ppm M as s ke ra k M gC O 3 (m g) Konsentrasi Mg2+
Gambar 7. Grafik hubungan konduktivitas dengan waktu
Gambar  7.  merupakan  grafik  hubungan  antara  konduktivitas  larutan  dengan waktu  penelitian  variasi  konsentrasi  Mg 2+ 3000  ppm  dan  4000  ppm.  Pada  waktu tertentu  terjadi  penurunan  secara  signifikan.  Titik  penurunan  tersebut  merupakan waktu induksi. Waktu induksi untuk konsentrasi larutan 3000 ppm adalah 28 menit dengan nilai konduktivitas 8625 µS/cm sedangkan pada konsentrasi larutan 4000 ppm memiliki waktu induksi 22 menit dengan nilai konduktivitas sebesar 8612 µS/cm. Hal ini  menunjukan  proses  pembentukan  inti  pada  4000  ppm  cepat  dibandingkan  pada larutan 3000 ppm. Semakin besar konsentrasi Mg 2+ , semakin cepat pula waktu induksi yang terjadi. Semakin kecil waktu induksi berarti semakin cepat inti kristal MgCO 3 terbentuk (Muryanto et al , 2014).

## 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  Magnesium  karbonat  (MgCO 3 ).  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 8.
6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110120 ko n du kt iv it as ( µ S /c m ) Waktu (menit) 4000 ppm 3000 ppm 8625 8612

## (a) (b)
Gambar 8. Morfologi kerak Magnesium karbonat hasil percobaan dengan variasi konsentrasi larutan (a) 3000 ppm (b) 4000 ppm.
Setelah  melakukan  pengamatan  terhadap  hasil  SEM  yang  di  cantumkan  pada Gambar 8. dengan perbesaran 3.000 kali. Proses pembentukan kristal yang dilakukan melalui percobaan dimana dengan mengunakan konsentrasi larutan MgCO 3 3000 ppm dan 4000 ppm dengan laju alir 30 mL/menit. Gambar (a) merupakan bentuk morfologi kerak hasil uji kristalisasi dengan konsentrasi larutan 3000 ppm sedangkan Gambar (b) merupakan hasil uji kristalisasi pada konsentrasi larutan 4000 ppm. Kedua Gambar tersebut menunjukan bentuk morfologi yang sama. Variasi konsentrasi 3000 ppm dan 4000 ppm tidak merubah morfologi kristal. Fasa kristal  yang terbentuk adalah fasa magnesite  yang  merupakan  jenis  fasa hardscale .  Apabila  kristal  ini  terbentuk  dan mengendap di dalam pipa maka akan menghasilkan kerak yang sulit untuk dibersihkan dari  suatu  sistem  perpipaan.  Jenis  kristal  lainnya  magnesium  karbonat  yaitu barringtonite, nesquehonite dan nesquehonite merupakan jenis softscale yang lebih mudah dibersihkan apabila menempel pada dinding dalam pipa (Holysz et al , 2007).

## Pengujian EDS
Pada prinsipnya mikroskop elektron dapat mengamati morfologi, struktur mikro, komposisi, dan distribusi unsur. Untuk menentukan komposisi unsur secara kualitatif dan kuantitatif perlu dirangkaikan satu perangkat alat EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer). Hasil Pengujian EDS hasil percobaan pada laju alir 30 mL/menit pada konsentrasi 3000 ppm dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Gambar Hasil Analisis EDS konsentrasi larutan 3000 ppm
Tabel 1 .  Hasil analisa mikro kristal Magnesium karbonat laju alir 30
mL/menit dengan konsentrasi 3000 ppm. Element Wt % C K 13,59 O K 41,23 Mg K 29,19 Tabel 2. Hasil analisa mikro kristal Magnesium karbonat laju alir 30 mL/menit
dengan konsentrasi 4000 ppm. Element Wt % C K 16,83 O K 50,26 Mg K 29,63
Sedangkan untuk Hasil Pengujian EDS hasil  percobaan pada laju alir 30 mL/menit pada konsentrasi larutan 4000 ppm dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10. Gambar Hasil Analisis EDS konsentrasi larutan 4000 ppm.
Hasil  analisa  mikro  meliputi  komposisi  atom  pembentuk  kristal  yang dinyatakan  dalam  presentse  atom.  Presentase  diatas  bila  dibandingkan  dengan hitungan secara teoritis ternyata mempunyai perbedaan berat.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil penelitian dan pembahasan yang telah diuraikan dapat disimpulkan bahwa:
1. Semakin  banyak  konsentrasi  larutan,  massa  kerak  yang  terbentuk  semakin banyak.  Hasil  penelitian  menunjukan  pada  konsentrasi  larutan  4000  ppm diperoleh  massa  kerak  MgCO 3 sebesar  36,5  mg  sedangkan  pada  konsentrasi larutan 3000 ppm menghasilkan massa kerak MgCO 3 28,2 gram.
2. Semakin besar konsentrasi larutan, waktu induksi akan semakin cepat. Waktu induksi  untuk  konsentrasi  larutan  3000  ppm  adalah  28  menit  dengan  nilai konduktivitas  8625  µS/cm  sedangkan  pada  konsentrasi  larutan  4000  ppm memiliki  waktu  induksi  22  menit  dengan  nilai  konduktivitas  sebesar  8612 µS/cm.
3. Dari hasil SEM antara konsentrasi 3000 ppm dan 4000 ppm terlihat morfologi dan komposisi yang hampir sama. Sedangkan uji EDX terjadi perbedaan berat ( wt %).

## SARAN
Saran yang dapat diberikan setelah melakukan penelitian yaitu:
1. Penelitian kerak MgCO 3 dapat dilakukan kembali dengan alat penelitian yang sama dengan mengubah parameternya seperti material kupon (baja tahan karat, kuningan, dll), penggunaan aditif yang berbeda (PMA, PCA, HEDP,dll atau dengan ion Ba, Cu, dll) , dengan jenis aliran turbulen,dll.
2. Penelitian  untuk  jenis  kerak  yang  lain  (seperti  kerak  barium  carbonat,  strontium carbonat dan mineral fosfat yang lain) dapat dilakukan menggunakan alat penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Alimi,  F.,  Tlili,  M.,  Amor,  M.B.,  Gabrielli,  C.,  Maurin,  G.  (2007), Influence  of magnetic field on calcium carbonate precipitation , Desalination, 206, 163-168. Andritsos dan Karabelas, 1992. A conductance probe for measuring liquid fraction in pipes and packed beds. International Journal of Multiphase Flow 18 (5), 653- 667
Anonymous, 2007. ”Kristalografi”,
https://morishige.wordpress.com/2007/09/21/kristal-kristalografi/. Diakses tanggal 28
September 2015 pukul 21.00 WIB.
Antony, 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.
Asnawati.,  (2001). Pengaruh  temperatur  terhadap  reaksi  fosfonat  dalam    inhibitor kerak pada sumur minyak. Jurnal Ilmu Dasar, Vol.2. No.1, Hal.20-26.
Bansal,  B.,  H.  Muller  S.,  D.  Chen.  (1997).  Effect  of  suspended  particles  on crystalization fouling in plate heat exchangers. ASME 119 : 568 - 574
Barbara, B.  Luc Thomas, Andrea C. (1999). Nonexponential Dynamic Scaling of the Magnetization Relaxation in Mn12 Acetate. Phys. Rev. Lett. 83, 2398
Bhatia, A. (2003), “cooling water problems and solutions”, Continuing Education and Development, Inc. 9 Greyridge Farm Court Stony Point, NY 10980. Course No : 05-009.
Bott, T.R., (1995), Fouling of Heat Exchangers, Elsevier, Amsterdam and New York.
Crabtree,  M.,  Eslinger,  D.,  Fletcher,  P.,  Miller,  M.,  Johnson,  A.,  King,  G.  (1999).
Fighting scala removal and prevention . Oilfield Review, 11(3), pp.30-45.
Dewi dan Ali, 2003. Kinetic Study Of Electrocrystalization On Calcium Carbonate On Metallic Substrates, Journal Of Crystal Growth, 291 :428-435.
Fathi, A., Mohamed, T., Claude, G., Maurin, G.,  Mohamed, B. A. (2006). Effect of a magnetic water treatment on homogeneous and heterogeneous precipitation of calcium carbonate. Water Research , 40 (10), 1941-1950.
Garcia, C., Courbin, G., Ropital, F., Fiaud, C. (2001), Study of the scale inhibition by HEDP  in  a  channel  flow  cell  using  a  quartz  crystal  microbalance, Electrochimica Acta, 46, pp: 973-985.
Hisyam (2013). Pembentukan kerak kalsium karbonat (caco 3 ) di dalam pipa beraliran laminer pada laju alir 30 ml/menit hingga 50 ml/menit dan penambahan aditif . In Prosiding Seminar Nasional Sains Dan Teknologi Fakultas Teknik (Vol. 1, No. 1).
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.
Isopescu,  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.
Lestari, 2008.“ Identifikasi dan Karakterisasi Batu Kapur Tuban untuk Pengembangan Produk CaCO3”Jurusan Fisika FMIPA ITS. Surabaya.
Ma’mun,  H.,  Bayuseno,  A.  P.,  Muryanto,  S.  (2013). Pembentukan  kerak  kalsium karbonat (caco 3 ) di dalam pipa beraliran laminer pada laju alir 30 ml/menit hingga 50 ml/menit dan penambahan aditif asam malat . In Prosiding Seminar Nasional Sains Dan Teknologi Fakultas Teknik (Vol. 1, No. 1).
Muryanto, S., Bayuseno, A. P., Ma’mun, H., Usamah, M. (2014). Calcium carbonate scale formation in pipes: effect of flow rates, temperature, and malic acid as additives on the mass and morphology of the scale. Procedia Chemistry, 9, 69- 76.
Quddus  dan  Allam  (2000).  Hydrodinamically  deposited  CaCO 3 and  CaSO 4 scales, Science Direct, Desalination 246: 526 – 533.
Ratna,  P.,  S.  (2011), Studi  Penanggulangan  Problem  Scale  Dari  Near-Wellbore Hingga Flowline di Lapangan Minyak Limau , Fakultas Teknik UI, Depok.
Samsudi, Coulding CaCO 3 Scale  deposion  on  the  pump  system  lamunaif  art  low audition of citive acids.
Sediono, W., Bayuseno, A. P., Muryanto, S. (2011). Eksperimen Pembentukan Kerak Gipsum Dengan Konsentrasi Ca2+: 3500 Ppm Dan Aditif Fe 2+ . Momentum, 7(2).
Siswoyo,  Erna,  K.  (2005), Identifikasi  Pembentukan  Scale ,  Jurusan  Teknik Perminyakan, Fakultas Teknologi Mineral, UPN Veteran Yogyakarta.
Sousa, M.F., Bertran, C.A. (2014). New methodology based on static light scattering measurements for evaluation of inhibitors for in bulk crystallization. Journal of Colloid and Interface Science. Pp.57-64.
Sulaiman, Tedy, 2013. “Kristal-Kristalografi” ,
http://jurnalapapun.blogspot.com/2014/03/pengenalan-kristal.html.  Diakses  tanggal 30 September 2015 pukul 19.00 WIB.
PENULIS:
BAYU SETYA MANDELA
Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Semarang