Microbubble generator (MBG) merupakan teknologi aerasi modern yang mampu menghasilkan gelembung udara berukuran sangat kecil, yakni pada skala mikro. Dibandingkan dengan sistem aerasi konvensional, microbubble memiliki karakteristik fisik yang lebih unggul, seperti kecepatan naik yang lambat, luas permukaan kontak yang besar, serta kemampuan perpindahan massa yang lebih tinggi. Karakteristik ini menjadikan microbubble generator sangat potensial untuk diaplikasikan pada pengolahan air limbah, budidaya perairan, dan berbagai proses industri yang membutuhkan efisiensi aerasi tinggi.
Penelitian ini berfokus pada pengembangan dan karakterisasi microbubble generator tipe aliran swirl (Gambar 1). Pada tipe ini, aliran air dimasukkan secara tangensial ke dalam chamber sehingga membentuk pusaran (swirl) dengan intensitas turbulensi tinggi. Kondisi tersebut menyebabkan tekanan di dalam chamber turun hingga lebih rendah dari tekanan atmosfer, sehingga udara dapat terhisap secara alami dan terpecah menjadi gelembung-gelembung mikro ketika bercampur dengan aliran air. MBG yang digunakan memiliki diameter outlet 30 mm, diameter nosel gas 1,2 mm, dan jarak nosel gas ke outlet sebesar 3 mm. Skema pengujian ditunjukan pada Gambar 2.
Penelitian ini berfokus untuk mengamati fenomena tekanan negatif di dalam chamber agar menjadi data pembanding dengan data eksperimen. Pendekatan simulasi numerik menggunakan computational fluid dynamics (CFD) menjadi alternatif yang efektif untuk menganalisis karakteristik aliran dan distribusi tekanan secara detail (Wu dkk., 2022) dan (Al-Azzawi dkk., 2023). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis distribusi tekanan pada MBG tipe swirl menggunakan simulasi CFD serta menentukan kecepatan inlet minimum yang mampu menghasilkan tekanan negatif disekitar ujung nosel gas.
Gambar 1. Microbubble generator swirl flow
Gambar 2. Pengujian Ekperimen Microbubble Generator Swirl Flow
Hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran air yang masuk secara tangensial ke dalam chamber menghasilkan pola aliran swirl dengan kecepatan sudut yang tinggi ditunjukan oleh Gambar 3. Pola aliran ini menyebabkan terjadinya gradien tekanan yang signifikan antara dinding chamber dan pusat aliran. Distribusi vektor kecepatan memperlihatkan adanya inti vortex yang terbentuk di sekitar nosel gas.
Gambar 3. Kontur Kecepatan Microbubble Generator Swirl Flow
Pada variasi kecepatan inlet air sebesar 11 m/s dan 12 m/s, tekanan minimum yang terjadi di ujung nosel gas masing-masing sebesar 24 kPa dan 5,3 kPa. Nilai tekanan tersebut masih berada di atas tekanan atmosfer sehingga belum mampu menghasilkan mekanisme self-suction udara. Hal ini menunjukkan bahwa intensitas aliran swirl pada kecepatan tersebut masih belum cukup untuk menurunkan tekanan hingga di bawah tekanan atmosfer.
Tekanan negatif mulai terbentuk pada kecepatan inlet air sebesar 13 m/s dengan nilai tekanan minimum sebesar −14,05 kPa ditunjukan oleh Gambar 4a. Peningkatan kecepatan inlet menjadi 14 m/s dan 15 m/s menyebabkan tekanan minimum semakin menurun hingga mencapai −31,7 kPa dan −50,9 kPa ditunjukan oleh Gambar 4b. Penurunan tekanan ini berkaitan erat dengan peningkatan kecepatan tangensial dan intensitas turbulensi di dalam chamber MBG.
Gambar 4. (a) Kontur tekanan pada kecepatan 13 m/s dan (b) Kontur tekanan pada kecepatan 15 m/s
Tim Peneliti:
1. Yongki Christandi Batubara, S.T., M.Eng.
2. I Made Ivan Wiyarta Cakra Sujana, M.T.
3. Rijal Surya Rahmany, S.T., M.T.
1. Sebagai acuan desain MBG
Hasil penelitian dapat menjadi dasar dalam merancang microbubble generator tipe swirl yang lebih efisien, khususnya dalam menentukan kombinasi debit air dan udara yang optimal.
2. Meningkatkan efisiensi sistem aerasi
Informasi mengenai distribusi ukuran gelembung dan efisiensi hidrolis sangat bermanfaat untuk aplikasi pengolahan air limbah dan budidaya perairan yang membutuhkan aerasi berdaya rendah.
3. Kontribusi ilmiah pada studi aliran dua fasa
Penerapan analisis image processing dan wavelet memberikan pendekatan komprehensif dalam memahami fenomena breakup dan coalescence bubble pada aliran dua fasa.