Gas Discharge Plasmas and Their Applications

3.6. Aplikasi Lingkungan

Thermal plasma menawarkan beberapa keunggulan unik untuk penghancuran limbah berbahaya jika dibandingkan dengan pembakaran klasik. Kepadatan energi yang tinggi dan suhu yang terkait dengan plasma termal dan reaksi cepat yang sesuai kali menawarkan potensi  throughputs besar dalam reaktor kecil. Selain itu, penggunaan energi listrik mengurangi kebutuhan aliran gas dan persyaratan off-gas pengobatan, dan menawarkan kendali atas kimia. Akhirnya, thermal plasma dapat mudah diintegrasikan ke dalam suatu proses manufaktur yang menghasilkan limbah berbahaya, sehingga memungkinkan penghancuran limbah pada sumbernya. Thermal plasma secara luas berlaku untuk penghancuran senyawa berbahaya, baik dalam bentuk campuran yang kompleks seperti limbah cair dicampur, dalam bentuk tanah atau lumpur yang terkontaminasi, atau dalam bentuk limbah cair dan padat dicampur. Senyawa organik dapat dimusnahkan dengan efisiensi tinggi, logam dapat didaur ulang, dan logam berat dan bahan radioaktif tingkat rendah dapat Vitrifikasi dalam terak leachable non.

   Penghilangan polutan organik berbahaya dari air limbah juga merupakan isu berkembang di lingkungan penelitian. Secara khusus, pelepasan korona berdenyut, DBDs dan teknik kontak debit cahaya elektrolisis sedang diteliti untuk tujuan membersihkan air. Sintesis ozon biasanya terjadi dalam pelepasan listrik. Namun, pelepasan listrik di dalam air soda juga dapat terjadi, dan mereka menghasilkan beberapa agen pengoksidasi kuat lainnya, seperti OH •, • H, O •, O dan HO. Selain itu, medan listrik kuat debit listrik juga mematikan berbagai jenis mikroorganisme di air. Selain itu, debit listrik di dalam air juga dapat menghasilkan radiasi UV, yang membantu dalam penghancuran polutan.

Berdasarkan temperaturnya, plasma dapat dikategorikan menjadi:

1.  Plasma termal : T_elektron ~ T_gas

Suhu elektron dan gas berada dalam keadaan kesetimbangan (quasi-equilibrium) akibat pemanasan Joule (Joule heating).

Contoh: plasma matahari

2.  Plasma non-termal: T_elektron > T_gas

Telektron ~ 1 eV (~ 10000 K); T ~ suhu ruang

Contoh: Aurora borealis

A.   Thermal Plasma

Berbagai kasus pencemaran limbah beracun berbahaya (B3) dari penambangan minyak di Indonesia, hingga saat ini belum pernah ditangani dengan serius. Kasus pencemaran akibat oil sludge atau endapan pada tangki penyimpanan minyak industri perminyakan, seperti di Tarakan (Kalimantan Timur), Riau, Sorong (Papua), dan terakhir kasus pencemaran di Indramayu sudah seharusnya menjadi catatan penting bagi para pengelola penambangan minyak akan pentingnya pengolahan limbah oil sludge di tanah air.

Teknologi plasma banyak diterapkan sebagai salah satu teknik pengolahan limbah. Plasma umumnya dipergunakan pada pengolahan limbah padat. Di negara maju seperti Jepang plasma dipergunakan untuk mengolah logam atau limbah domestik pada insinerator sekaligus dapat mendaur ulang limbah logam berat seperti timbal (Pb) dan seng (Zn) yang terkandung limbah tersebut.

Dewasa ini, teknologi plasma juga dapat diterapkan dalam mengolah limbah oil sludge. Plasma tidak hanya dapat mengolah oil sludge, tapi sekaligus dapat mendaur ulang limbah yang umumnya mengandung sekitar 40% minyak. Dengan mengolah oil sludge akan menghasilkan light oil seperti minyak diesel yang siap pakai, dan residu dari proses pengolahan siap dan aman untuk dibuang (landfill).

Oil sludge

Limbah dari proses penyulingan minyak mentah (crude oil) dalam industri perminyakan sangatlah komplek. Limbah yang dihasilkan dapat diklasifikasikan sebagai limbah gas, cair dan padat. Kandungan limbah gas buangan seperti, volatile hydrocarbon, CO, NOx, dan SOx dapat mencemari lingkungan dan berbahaya bagi kesehatan masyarakat disekitarnya. Begitupula dengan limbah cair dari sisa proses penyulingan umumnya memiliki kandungan minyak, bahan-bahan kimia seperti, timbal, sulphide, phenol, dan chloride yang merupakan limbah beracun berbahaya.

Limbah padat yang dihasilkan disebut oil sludge. Dimana minyak hasil penyulingan (refines) dari minyak mentah biasanya disimpan dalam tangki penyimpanan. Oksidasi proses yang terjadi akibat kontak antara minyak, udara dan air menimbulkan adanya sedimentasi pada dasar tangki penyimpanan, endapan ini adalah oil sludge. Oil sludge terdiri dari, minyak (hydrocarbon), air, abu, karat tangki, pasir, dan bahan kimia lainnya. Kandungan dari hydrocarbon antara lain benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes, dan logam berat seperti timbal (Pb) pada oil sludge merupakan limbah B3 yang dalam pengelolaannya harus mengacu pada peraturan pemerintah no. 18 tahun 1999, dimana limbah B3 harus diproses untuk mengubah karakteristik dan komposisi limbah B3 menjadi tidak beracun dan berbahaya.

Sebenarnya banyak teknik pengolahan limbah oil sludge yang dapat diaplikasikan seperti, incineration (pembakaran), centrifuges (pemisahan), steam extraction (ekstraksi), dan bioremediation (microbiologi). Namun, kenyataan dilapangan menunjukkan bahwa teknologi tersebut masih jauh dari yang diharapkan, ditambah lagi dengan biaya operasional yang masih sangat mahal.

Daur ulang limbah oil sludge

Dewasa ini pemanfaatan plasma dengan suhu tinggi (thermal plasma) dalam berbagai proses industri meningkat. Thermal plasma adalah gas yang terionisasi (ionized gas), dengan suhu tinggi diatas 10.000 ・. Thermal plasma dapat dibuat dengan electric arc, yang terbentuk diantara dua elektroda, dalam sebuah alat yang disebut plasma torch. Dengan memasukkan gas seperti, udara, argon, nitrogen, steam dan lain sebagainya kedalam plasma torch, atom atau molekul gas akan bertumbukan dengan elektron yang terbentuk dalam electric arc. Hasil dari proses ini adalah panas dan gas terionisasi yang akan memproduksi thermal plasma jet dengan temperature yang sangat tinggi.

Plasma yang dihasilkan dapat dipergunakan untuk mengolah dan mendaur ulang limbah oil sludge. Plasma yang dihasilkan oleh plasma torch dapat dioperasikan pada suhu 15.000 ・. Plasma ini dapat dipergunakan untuk menguapkan senyawa organik (hydrocarbon) yang terkandung dalam oil sludge. Senyawa organik yang menguap dapat dibentuk kembali dalam bentuk minyak, dan dapat dimanfaatkan.

Prose sistem pengolahan limbah oil sludge dengan plasma dapat dilihat pada Gambar 2. Energi yang diperlukan dalam proses dibentuk dalam plasma torch. Gas yang dipergunakan dalam torch adalah argon atau nitrogen (dalam hal ini tidak ada oksigen). Gas organik yang yang terbentuk dalam reaktor bersamaan dengan gas argon atau nitrogen kemudian dimasukkan kedalam kondensor, untuk mengubah uap gas tadi menjadi cairan. Setelah melalui pendinginan dalam kondensor cairan yang terbentuk dari gas organik tadi adalah light oil yang 100% dapat dipergunkan kembali. Gas argon atau nitrogen sendiri dapat dipergunakan kembali dalam reaktor proses.

Normal operasi temperatur yang dipergunakan dalam proses ini adalah sekitar 800 hingga 1200 derajat celcius, suhu terbaik yang dibutuhkan untuk menguapkan kandungan hydrocarbon dalam oil sludge. Kondisi dalam reaktor proses dikondisikan sedemikian rupa agar tidak terjadi proses oksidasi pada material hydrocarbon dan dapat mendukung proses pembentukan minyak pada condensator. Residu yang dihasilkan dari proses ini akan bebas dari kandungan hydrocarbon, dan siap untuk dibuang ke TPA dengan aman. Apabila pada oil sludge terkandung logam berat seperti timbal proses lanjutan dengan plasma dapat dilakukan untuk mendaur ulang logam tersebut.

Beberapa kelebihan dari pemanfaatan proses ini adalah energi efisiensinya dapat mencapai 80%, hal ini jauh lebih tinggi dibandingkan pada proses yang menggunakan gas atau bahan bakar minyak lain yang hanya dapat mencapai 20%. Juga plasma proses akan lebih efektif jika diaplikasikan pada limbah oil sludge yang memiliki kandungan hydrocarbon di atas 10%. Selanjutnya, kandungan hydrocarbon pada residu yang dihasilkan berkisar dibawah 0.01% dari total hydrocarbon.

Dengan menerapkan plasma proses pada limbah oil sludge diharapkan pencemaran lingkungan dan dampaknya bagi kesehatan masyarakat dapat dihindari. Lebih dari pada itu oil sludge dapat didaur ulang sehingga dapat menjadikan nilai tambah bagi industri perminyakan nasional.

2. Non-thermal Plasma

Aplikasi Non-thermal Plasma untuk Mengatasi Gas Buangan NOx dan SOx
Gas buang yang mengandung NOx dan atau SOx, akan dikontakkan dengan plasma. Akibatnya akan terbentuk radikal yang menyebabkan terjadinya reaksi kompleks yang mengonversi NOx dan atau SOx menjadi produk tertentu. Mekanisme ini terjadi di dalam reaktor plasma penghilangan NOx dan atau SOx.

Salah satu contohnya adalah sebagai berikut:

Gas buang dimasukkan ke dalam reaktor. Kemudian dikontakkan dengan plasma yang akan dibangkitkan pada bagian tube dan nozzle. Tube dan nozzle ini terletak pada channels. Ketika terjadi kontak antara gas buang dengan plasma maka akan terbentuk radikal. Gas aditif seperti ammonia (NH3) atau hidrokarbon seperti metana (CH4) perlu ditambahkan untuk turut membangkitkan radikal sehingga menyebabkan reaksi pembentukan partikulat. Selain itu, penambahan gas aditif juga disesuaikan dengan produk akhir yang diharapkan terbentuk.
Contoh Reaksi: (HO2, OH, H, adalah radikal yang teraktifkan oleh plasma)

HO2 + NO -> OH + NO2

OH + NO2-> NO3 + H

H + NH3 + NO3 -> (NH4)NO3

Setelah melewati channels kemudian ditangkap oleh pengendap elektrostatik. Beberapa produk yang ditangkap dapat dimanfaatkan untuk pupuk seperti ammonium nitrat (NH4)NO3.

3.7. Aplikasi Biomedis

Salah satu aplikasi gas discharge terutama pada tekanan atmosfer adalah aplikasi pada biomedis. Plasma digunakan untuk meningkatkan biokompatibel  material. Salah satu produknya adalah polimer biomaterial. Biomaterial adalah material yang digunakan untuk kontak dengan cairan tubuh, tapi merupakan benda asing bagi tubuh. Penggunaannya misalnya pada implan medis (contohnya vascular prostheses, chatheters), lensa kontak dan untuk kultur sel.

Dalam proses modifikasi permukaan dengan teknologi plasma, melalui glow discharge akan dihasilkan ion elektron, radikal, metastabil dan UV foton, yang akan memborbardir permukaan yang akan domodifikasi. Ketika ditambahkan monomer dan partikel organik lainnya maka partikel tersebut akan terdeposisi ke dalam rantai polimer permukaan yang dimofikasi sehingga tercipta permukaan baru.

Sterilisasi plasma dari sampel bilogis terutama dengan APGDs juga meningkatkan perkembangan industri kesehatan. Sterilisasi plasma bekerja padasuhu ruangan dan lebih pendek periodenya 12-h daripada metoda konvensional seperti autoclaving dan pemaparan etilen oksida. Dari hasil demonstasi terbukti bahwa sterilisasi plasma lebih cepat enam kali dalam mereduksi populasi dari mikroorganisme seperti Escherichia coli DAN Staphylococcus aureus dan lain-lain.

Dalam bidang medis sangat dibutuhkan proses sterilisasi untuk membasmi berbagai mikroorganisme patogen. Dalam bidang medis misalkan, masih dibutuhkannya sistem sterilisasi termperatur rendah yang mampu membasmi bervariasi mikroorganisme yang tergolong dalam gram negative bacteria, gram positive bacteria dan,yeast. Bidang medis inilah bidang yang setiap saat mengalami kontaminasi oleh berbagai,jenis bakteri dan yeast. Mikroorganisme ini,menempati permukaan peralatan medis (health,care facilities) pada hampir semua tempat di,rumah sakit. Peralatan-peralatan tersebut kini,banyak yang terbuat dari bahan-bahan yang,tidak tahan terhadap termik seperti plastik,kertas, dll

Teknik dekontaminasi konvensional yang selama ini dan umum digunakan adalah   dengan pemanasan diatas suhu 150o C, sehingga sangat terbatas penggunaannya. Teknik lain yang dikenal adalah dengan menggunakan arus listrik d.c. dan a.c., namun sel yang terbunuh oleh pulsa medan listrik  tidak hancur, dan spora bakteri, lumut relatif tidak sensitif untuk pulsa tegangan tinggi (Brimingham, 2000). Selain itu teknik dekontaminasi dengan menggunakan radiasi dan sejumlah unsur anti jasad renik. Radiasi dan unsur anti jasad renik tersebut berfungsi untuk merusak DNA. Teknik ini meliputi radiasi pengion (sinar Gamma), sinar ultra ungu dan zat-zat kimia reaktif DNA. Kerusakan DNA yang ditimbulkan karena penyinaran atau secara kimiawi, mematikan sel terutama karena mengganggu replikasi DNA. Selain itu juga ada cara dengan penambahan zat kimia etilen oksida.

Sampai ditemukan teknologi plasma yang bisa mendekontaminasi mikroorganisme sehingga dapat dapat mengurangi jumlah pembentukan koloni per unit dari beberapa mikroorganisme pada permukaan. Plasma lucutan pijar korona adalah salah satu jenis plasma non termik dan merupakan sumber ion, electron dan radikal bebas. Ketika ion yang dihasilkan oleh plasma lucutan pijar korona mengenai suatu sel bakteri maka akan terbentuk radikal bebas hidrogen, gugus hidroksil yang radikal dan beberapa peroksida yang dapat menyebabkan beberapa jenis kerusakan dalam sel .Setiap molekul reaktif tersebut mampu menurunkan dan merubah biopolimer seperti asam deoksiribonukleat (DNA/deoxcyribonucleid acid) dan protein. Ion dapat berinteraksi langsung dengan DNA sehingga menyebabkan pecahnya ikatan polimer. Ionisasi dan penurunan (degradasi) molekul penting dalam materi biologi seperti DNA dan protein enzim memicu terjadinya kematian pada sel .

Sebelum sterilisasi                                      Sesudah sterilisasi

Ada banyak alasan mengapa sterilisasi menggunakan plasma menjadi pilihan. Berikut beberapa alasannya.

• Waktu inaktivasi spora yang singkat
• Beban termal yang rendah
• Tidak ada penggunaan bahan kimia toksik dan berbahaya
• Tidak terbentuk produk yang toksik dan berbahaya pasca steriliasi
• Tidak ada perubahan sifat pada material makanan yang diproses, malah terjadi peningkatan kualitas material makanan
• Tidak perlu ada treatment lanjutan
• Hanya membutuhkan waktu yang sedikit untuk proses sterilisasi.

Seperti yang diketahui, plasma pada dasarnya adalah gas yang terionisasi. Ketika medan listrik duberikan pada gas, maka gas akan terionisasi menjadi elektron, ion, radikal, UV-photon dan partikel netral. Bagian yang dimanfaatkan untuk proses netralisasi adalah UV foton dan radikal.

Mekanisme sterilisasi dengan plasma:

1. Destruksi material genetic mikroorganisme melalui irradiasi UV
2. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui fotodesorpsi intrinsik
3. Pengikisan mikroorganisme atom per atom melalui proses etching.

Alat sterilisasi berteknologi plasma yang biasa digunakan adalah ECR Plasma (Electron Cyclotron Resonance Plasma). Alat ini memanfaatkan prinsip gaya Lorentz dengan adanya pergerakan sirkular electron-elektron bebas sehingga membangkitkan medan magnet seragam yang statis. Berikut ini merupakan skema ECR plasma:

3.6. Sumber Partikel

Sperti yang kita ketahui bahwa plasma menghasilkan elektron, ion, atom tereksitasi, radikal dan molekul. Oleha karena itu plasma dapat dijadikan sebagai sumber dari pembangunan sebuah partikel, dikarenakan plasma itu sendiri berasal dari partikel-partikel, ataupun atom-atom yang di ionisasikan.             contoh: dalam pembuatan partikel krypton yang digunakan dalam analisa kimia jarak jauh pada permukaan bulan. Plasma yang di gunakan adalah SWDs. deposisi film tipis dan memodifikasi permukaannya, dilakukan dengan plasma hasil penguraian nitrogen (N2) menjadi ion nitrogen  (N-) [reaktiv plasma].

4. Kesimpulan

Gas plasma debit ada dalam berbagai besar eksitasi mode. Proses Plasma tampaknya memiliki beberapa keunggulan yang berbeda dibandingkan dengan konvensional (kimia basah) proses. Sejumlah teknologi plasma yang berbeda sangat penting untuk langkah-langkah yang berbeda dalam fabrikasi IC. Penggunaan plasma sebagai lampu, lebih khusus lampu neon, mungkin adalah aplikasi tertua. Saat ini, jenis baru dari lampu electrodeless disebut sedang dikembangkan, Keunggulan utama mereka menjadi seumur hidup lagi karena merusak dari elektroda (misalnya dengan sputtering) dihindari. Sebuah aplikasi yang menarik banyak minat dari publik yang lebih luas adalah penggunaan plasma suhu rendah untuk menampilkan, untuk dikembangkan sebagai layar televisi yang besar dan rata, baik secara langsung sebagai panel layar plasma, atau tidak langsung sebagai saklar plasma untuk menampilkan kristal cair. Untuk menjadi kompetitif dengan tabung (sinar katoda konvensional) teknologi TV, efisiensi cahaya dari display plasma masih harus cukup meningkat, dan harga mereka harus diturunkan. aplikasi lain adalah teknologi laser. Berbagai besar debit gas laser ada, berdasarkan transisi laser antara tingkat energi atom, ion atau molekul.

DAFTAR PUSTAKA

Annemie Bogaerts, Erik Neyts, Renaat Gijbels, Joost van der Mullen. 2001. Gas discharge plasmas and their applications.

www.wikipedia.com

Ih-Houng Loh, Sc.D. AST TECHNICAL JOURNAL,  Plasma Surface Modification In Biomedical Applications

Michel Moisan1 Jean Barbeau2, Marie-Charlotte Crevier, acques Pelletier, Nicolas Philip and Bachir Saoudi. Plasma sterilization. Methods and mechanisms