Teknik Pendingin: Proses Pembentukan Ice Slurry

Secara umum pembentukan ice slurry terdiri dari tiga tahap, yaitu Supersaturation, Nucleation, dan Grow (pertumbuhan). Selain itu terdapat proses attrition, agglomeration dan ripening yang terjadi pada ice slurry generator tertentu (E Stamatiou et al.,2003).

Supersaturation

Supersaturation hanya terjadi apabila gaya pembawa terpenuhi, oleh karena itu supersaturation dari ice slurry membutuhkan larutan. Hal ini membuat larutan tidak dalam kestabilan dan terjadi perbedaan potensial kimia (Δμ) antara fase larutan dan kristal padat. Dimana liquid adalah larutan awal antara air dan pelarut, sedangkan solid adalah fraksi es.

Δμ = μ1iquid(T) – μsolid(T)

Pada kasus pembangkitan ice slurry, larutan supersaturated dengan air terjadi. Setelah awal nucleation ice slurry terbentuk, yang mengurangi supersaturasi pada larutan. Ice crystal dapat terbentuk sampai perbedaan potensial kimia (Δμ) dikurangi pada kondisi saturasi. Perbedaan dalam potensial kimia terjadi karena temperatur atau tekanan pembawa gaya. Supersaturasi dapat terjadi oleh supercooling dari larutan saat setimbang temperatur atau dengan mendapatkan kesetimbangan temperatur melalui perubahan tekanan. Untuk ice slurry artinya larutan harus membawa ke triple point, dimana air secara parsial membeku untuk membuat perbedaan potensial kimia yang dibutuhkan untuk kristalisasi. Pendinginan dan perubahan tekanan adalah dua metode yang diaplikasikan dalam ice slurry generator. Melewati kurva pembekuan dari larutan, temperatur atau tekanan dapat diubah menjadi perbedaan konsentrasi. Laju dari tahap kristalisasi, nucleation dan growth (pertumbuhan) ditentukan oleh level dari surpersaturasi larutan.

Supercooling adalah suatu efek yang sering digunakan untuk teknik memproduksi ice slurry secara baik. Sesuai dengan Hukum Raoult apabila suatu liquid dicampur dengan larutan misalnya methanol, ethylene glycol, propylene glycol, sodium chloride, magnesium chloride, potassium chloride, dan lain-lain, hal ini menjadi larutan yang mempunyai tekanan campuran akan berada diantara tekanan parsial uap kedua komponan yang terikat antara campuran liquid dan membuat titik pendinginan larutan menjadi ikut turun serta mempercepat nucleation.

Nucleation

Dalam larutan supersaturasi, awal nucleasi dapat terbentuk ketika molekul bersama mendapatkan bentuk kelompok stabil. Hal ini dapat terjadi salah satu antara homogeneously atau heterogeneously. Dalam homogeneous nucleation, fase baru terbentuk dari liquid murni yang melewati keadaan fluktuasi dari kelompok molekul, untuk air hanya terjadi pada temperatur rendah biasanya dibawah -40oC (Stamatiou E et al., 2005). Sedangkan untuk heterogeneous nucleation lebih banyak terjadi pada larutan, selain itu permukaan luar yang memberikan objek lain misalnya kotor, partikel dari diniding dapat membantu terjadinya nuclei. Sehingga nucleation dimulai pada temperatur lebih tinggi dibanting homogeneous nucleation. Setelah awal nucleation terjadi nucleation selanjutnya akan mulai terbentuk, hal yang mirip secara teori terhadap konsep pendidihan.

Growth (Pertumbuhan)

Pada pertumbuhan kristal, nuclei membesar untuk menjadi kristal dengan penambahan molekul dari larutan supersaturasi. Secara umum terjadi tiga tahap, yaitu perpindahan masa secara molekul difusi melalui curah larutan melewati lapisan batas sekitar nucleus, penggabungan molekul menuju dinding dan perpindahan panas secara simultan dari kristal ke bagian curah larutan, untuk mindahkan panas meliputi perubahan fase.

Ketiga metode ini terjadi pada tipe scraper ice slurry generator. Pada bagian pertumbuhan dibantu oleh putaran shaft auger yang dapat membantu perpindahan masa dan perpindahan panas. Sebenarnya terdapat beberapa konsep kinerja tentang shafh auger, pertama adalah sebagai pengganggu thermal boundary layer secara simultan untuk mencegah terjadinya ice crystal yang mengendap pada dinding (M J Wang et al,.2001; M j Wang et al,.1996; C W Snoek,.1993 ; S P Gladis et al,.1999), yang kedua menyebutkan bahwa ice crystal dari dinding diedarkan menuju tengah ice slurry generator (A B Russel et al,.1999; H G Schwartzberg et al,.1990; R W Hartel,.1996; A J Armstrong,.1979; D P Patience et al,,2001)

Interaksi antara nukleasi dan pertumbuhan kristal menentukan karakteristik kristal yang terbentuk seperti ukuran, distribusi dan morfologi dari kristal Mullin, J. W. (2001). Ukuran dari kristal sangat dipengaruhi oleh laju kristalisasi, proses pendinginan yang cepat akan menghasilkan ukuran kristal yang kecil dan jumlah yang banyak. Sebaliknya , proses pendinginan yang lambat akan menyebabkan ukuran kristal lebih besar dengan jumlah yang sedikit.

Grafik Hubungan Freezing Point
Olahan pribadi dari http://2011.igem.org/Team:KULeuven/Thermodynamics)

Sedangkan dibawah adalah grafik tentang hubungan pembentukan fraksi es dengan temperatur terhadap waktu pendinginan. Titik t0 ke t1 adalah supercoling sampai supersaturasi, kemudian t1 ke t2 adalah titik dimana terbentuknya fraksi es yang disebut nukleasi, sedangkan t2 ke tf adalah panas sensibel sampai terbentuk nukleasi sempurna (T.A. Mouneer et al,.2011). Fluida air nukleasi penuh akan terjadi pada temperatur -40oC (Stamatiou E et al., 2005). Tingkat nukleasi akan mempengaruhi kwalitas dari pembentukan ice slurry.

Grafik Hubungan Temperatur dengan Fraksi Es dan Temperatur (T.A. Mouneer et al,.2011)

Berbeda dengan grafik diatas, meskipun dengan sistem pembuatan ice slurry yang sama, bentuk grafik penurunan temperatur berbeda. Grafik dibawah menunjukan bahwa titik mulai nukleasi dimulai dari kenaikan temperatur. Hal ini sesuai dengan yang dijelaskan tentang pembentukan ice slurry sebelumnya (E. Stamatioua et al,. 2005). Intinya adalah keadaan nukleasi dapat dilihat dari proses kenaikan temperatur setelah titik beku larutan atau ketika proses timbulnya kristal es meskipun tidak terjadi kenaikan temperatur.