Surfaktan, koloid, dan emulsi: tegangan permukaan, misel, HLB, kestabilan koloid, koagulasi, busa, dan pemecahan emulsi

Di sebuah dapur hotel, mesin pencuci piring berpintu angkat tiba-tiba meluapkan busa setelah operator memasukkan rak berisi sisa telur orak-arik. Dua hari kemudian, keluhan datang dari laundry di gedung yang sama: air limbah dari bak ekualisasi tetap keruh walau sudah diendapkan semalam, sedangkan perangkap lemak dapur yang biasanya menahan minyak kini meloloskan air berwarna susu. Teknisi diminta mencari "bahan kimia yang salah".

Ketiga masalah itu tidak disebabkan satu produk yang salah. Busa, kekeruhan yang tidak mau mengendap, dan minyak yang lolos dari perangkap lemak adalah gejala kimia antarmuka: perilaku zat di batas antara air dan udara, air dan minyak, atau air dan partikel padat. Surfaktan yang membuat deterjen bekerja juga membuat busa dan emulsi menjadi stabil. Bab ini menjelaskan mengapa, dan bagaimana menghitung sebagian besar efeknya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas tegangan permukaan, struktur dan golongan surfaktan, adsorpsi dan konsentrasi misel kritis, pembasahan dan kapilaritas, pengaruh kesadahan, suhu, dan garam, HLB, koloid, kestabilan koloid dan potensial zeta, koagulasi dan flokulasi, serta emulsi dan busa. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat koloid sebagai keadaan di antara larutan dan suspensi, efek Tyndall, koloid liofil dan liofob, gel, emulsi minyak dalam air pada makanan, molekul dengan ujung hidrofobik dan ujung hidrofilik, deterjen sebagai garam asam alkilbenzena sulfonat, sabun yang kurang efektif di air sadah, builder yang mengikat kalsium dan magnesium, silikat koloid, serta misel terbalik dari buku kimia umum, buku kursus kimia, buku diktat kimia dasar, buku kimia tingkatan 5, buku teknologi reaksi kimia, dan buku elektrokimia modern. Narasi Teknik Air dan Lingkungan menambah dosis koagulan dari uji jar, penghapusan arsen dengan koagulasi, dan minyak serta lemak sebagai komponen utama bahan pangan, dan narasi Sistem Laundry menambah ketentuan letak perangkap lemak gravitasi.

Bab 6 · Laundry sudah membahas kerja surfaktan, emulsifier, dan pengkelat dalam pencucian secara terapan, dan Bab 3 · Laundry cara kotoran menempel dan lepas. Bab ini menambah sisi kimia fisika dan kuantitatifnya. Gaya antarmolekul diambil dari bab gaya antarmolekul, gugus fungsi dari bab kimia organik, dan kesadahan dari bab kelarutan. Tegangan permukaan, konsentrasi misel kritis, dan tetapan lain yang disebut adalah nilai baku pendekatan pada 25 °C. Dosis koagulan dan bahan pemecah emulsi untuk instalasi nyata ditentukan dengan uji jar dan rekomendasi pemasok, bukan disalin dari bab ini.

Tegangan permukaan dan energi antarmuka

Molekul air di dalam cairan ditarik ke segala arah oleh tetangganya, sedangkan molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam dan ke samping. Akibatnya permukaan berperilaku seperti selaput yang menegang, dan memperluas permukaan memerlukan kerja. Tegangan permukaan $\gamma$ adalah kerja per satuan luas permukaan baru, dengan satuan J/m² atau N/m, biasanya ditulis mN/m. Air murni memiliki $\gamma$ sekitar 72 mN/m pada 25 °C (nilai baku), angka yang tinggi karena ikatan hidrogen yang kuat. Minyak hidrokarbon hanya sekitar 20 sampai 30 mN/m.

Antarmuka dua cairan yang tidak bercampur, seperti air dan minyak, juga memiliki tegangan antarmuka, sekitar 50 mN/m untuk minyak hidrokarbon dan air (nilai baku pendekatan). Kerja untuk membentuk antarmuka baru adalah:

$W = \gamma\,\Delta A$

Ketika minyak dipecah menjadi tetes kecil, luas antarmukanya meningkat tajam. Volume $V$ yang dipecah menjadi tetes berjari-jari $r$ memiliki luas total $3V/r$. Sistem selalu cenderung mengurangi energi permukaannya, sehingga tetes-tetes kecil ingin bergabung kembali. Inilah sebabnya minyak dan air memisah dengan sendirinya, dan emulsi hanya bertahan bila ada zat yang menurunkan tegangan antarmuka dan menghalangi tetes bergabung.

Perbedaan tekanan di dalam gelembung atau tetes melengkung dinyatakan oleh persamaan Young-Laplace:

$\Delta p = \frac{2\gamma}{r}$

Tetes dan gelembung kecil memiliki tekanan dalam yang lebih tinggi daripada yang besar. Karena itu zat di dalam tetes kecil cenderung berpindah ke tetes besar, dan gelembung busa kecil menyusut sementara yang besar membesar. Contoh 2 menghitung besarnya.

Struktur surfaktan: kepala dan ekor

Surfaktan, singkatan dari zat aktif permukaan, adalah molekul dengan dua bagian yang berlawanan sifat: kepala yang suka air (hidrofilik) dan ekor hidrokarbon yang suka minyak (hidrofobik). Buku kimia umum dalam sumber mencatat bahwa garam empedu, sama seperti natrium stearat, memiliki ujung hidrofobik dan ujung hidrofilik. Karena dua bagian itu, surfaktan berkumpul di antarmuka, dengan kepala di air dan ekor menjauhi air, dan menurunkan tegangan permukaan.

Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa lemak dan minyak nabati adalah bahan baku untuk surfaktan, bahan pembersih, dan kosmetik. Ekor surfaktan biasanya rantai 10 sampai 18 karbon dari asam lemak, alkohol lemak, atau minyak bumi. Kepalanya menentukan golongan surfaktan.

Golongan surfaktan menurut muatan

Surfaktan digolongkan menurut muatan kepalanya di air:

1. Anionik: kepala bermuatan negatif, seperti karboksilat pada sabun dan sulfonat pada deterjen sintetis. Buku kimia tingkatan 5 dalam sumber mencatat bahwa deterjen adalah garam natrium dari asam alkilbenzena sulfonat atau asam alkil sulfonat. Daya bersihnya kuat dan busanya banyak.
2. Nonionik: kepala tidak bermuatan, biasanya rantai etoksilat (gugus eter berulang) atau gula. Tidak terpengaruh kesadahan, kuat mengangkat minyak, dan banyak dipakai sebagai surfaktan rendah busa.
3. Kationik: kepala bermuatan positif, seperti amonium kuaterner. Melekat kuat pada permukaan bermuatan negatif, sehingga dipakai sebagai pelembut kain dan sanitaiser, bukan sebagai pencuci utama.
4. Amfoter: kepala memiliki muatan positif dan negatif, muatannya bergantung pH. Lembut dan sering dipakai bersama surfaktan lain.

Surfaktan anionik dan kationik yang bertemu saling menetralkan muatan dan dapat mengendap bersama. Itulah sebabnya pelembut kain kationik dimasukkan pada bilasan terakhir, setelah deterjen anionik dibilas.

Adsorpsi di antarmuka dan konsentrasi misel kritis

Ketika surfaktan dilarutkan sedikit demi sedikit, molekulnya mula-mula menempati permukaan air, dan tegangan permukaan turun tajam. Setelah permukaan penuh, molekul tambahan tidak lagi menurunkan tegangan permukaan; molekul itu justru berkumpul di dalam larutan membentuk misel, gumpalan bulat kecil berisi puluhan sampai ratusan molekul dengan ekor di tengah dan kepala di luar. Kadar saat misel mulai terbentuk disebut konsentrasi misel kritis (CMC).

Di atas CMC, tegangan permukaan hampir tetap, tetapi kemampuan melarutkan minyak meningkat, karena minyak dapat masuk ke inti misel yang hidrofobik. Proses ini disebut solubilisasi dan menjadi salah satu mekanisme pelepasan kotoran berminyak yang dibahas di Bab 6 · Laundry. Dalam pelarut minyak, susunannya dapat terbalik, dengan kepala di dalam dan ekor di luar; buku elektrokimia modern dalam sumber menyebut susunan ini misel terbalik.

CMC berbeda besar antargolongan. Natrium dodesil sulfat, surfaktan anionik acuan, memiliki CMC sekitar 8 mmol/L (nilai baku). Surfaktan nonionik etoksilat dengan ekor setara memiliki CMC sekitar seratus kali lebih kecil, karena kepalanya tidak saling tolak. CMC turun bila rantai ekor lebih panjang dan bila garam ditambahkan pada surfaktan ionik. Dalam praktik pencucian, sebagian surfaktan habis teradsorpsi pada kain, kotoran, dan dinding mesin, sehingga dosis produk dirancang jauh di atas CMC larutan murni (Contoh 4).

Pembasahan, sudut kontak, dan kapilaritas

Tetes cairan di atas permukaan padat membentuk sudut kontak $\theta$ yang ditentukan keseimbangan tiga tegangan antarmuka. Persamaan Young menyatakannya:

$\gamma_{SV} = \gamma_{SL} + \gamma_{LV}\cos\theta$

Sudut kecil berarti cairan membasahi dan menyebar; sudut di atas 90° berarti cairan menolak dan membentuk butir. Air di atas kaca bersih membasahi, sedangkan air di atas permukaan berminyak atau berlilin membentuk butir. Surfaktan menurunkan $\gamma_{LV}$ dan $\gamma_{SL}$, sehingga sudut kontak mengecil.

Inilah kerja bahan bantu bilas di mesin pencuci piring, yang dibahas di Bab 7 · Dispensing Kimia: surfaktan nonionik rendah busa menurunkan tegangan permukaan air bilas, sehingga air meluncur sebagai lapisan tipis dari gelas dan piring alih-alih membentuk tetes yang mengering menjadi bercak.

Pembasahan juga menentukan seberapa cepat cairan masuk ke pori kecil, seperti celah antarserat kain. Kenaikan kapiler di pori berjari-jari $r$ adalah:

$h = \frac{2\gamma\cos\theta}{\rho\,g\,r}$

Pada permukaan berminyak, sudut kontak air besar dan $\cos\theta$ kecil, sehingga air sulit masuk walau tegangan permukaannya tinggi. Surfaktan menurunkan $\gamma$, tetapi menaikkan $\cos\theta$ jauh lebih besar, sehingga penetrasi bertambah (Contoh 3).

Pengaruh kesadahan, suhu, dan garam

Buku kimia tingkatan 5 dalam sumber mencatat bahwa keefektifan sabun turun dalam air sadah dan bahwa deterjen lebih efektif daripada sabun dalam air sadah. Ion kalsium dan magnesium mengikat dua kepala karboksilat sabun dan membentuk endapan yang tidak larut, yaitu kerak sabun. Setiap mol ion kalsium menghabiskan dua mol sabun (Contoh 5). Kepala sulfonat deterjen sintetis membentuk garam kalsium yang lebih larut, sehingga lebih tahan, tetapi tetap terganggu. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa builder dipakai untuk menaikkan pH dan mengikat ion kalsium dan magnesium agar tidak mengganggu surfaktan.

Suhu memengaruhi dua golongan secara berlawanan. Surfaktan ionik memiliki titik Krafft, suhu di bawahnya surfaktan mengkristal dan tidak membentuk misel, sehingga sabun dengan rantai panjang jenuh bekerja buruk di air dingin. Surfaktan nonionik etoksilat sebaliknya memiliki titik keruh: ketika dipanaskan, ikatan hidrogen antara rantai etoksilat dan air melemah, dan pada suhu tertentu surfaktan memisah sehingga larutan menjadi keruh. Di dekat titik keruh, surfaktan nonionik paling aktif di antarmuka dan paling sedikit berbusa. Pemasok memilih surfaktan bahan bantu bilas dengan titik keruh yang cocok dengan suhu bilas mesin, sehingga data titik keruh produk berasal dari pemasok.

Garam menekan tolak-menolak antarkepala ionik, sehingga menurunkan CMC dan pada kadar tinggi dapat mengendapkan surfaktan. Prinsip ini dipakai untuk mengentalkan sampo dengan garam, dan juga menjelaskan mengapa air bergaram tinggi dapat merusak kerja deterjen.

HLB dan pemilihan emulsifier

Keseimbangan bagian hidrofilik dan lipofilik dinyatakan dengan bilangan HLB. Untuk surfaktan nonionik etoksilat, Griffin mendefinisikannya dari fraksi massa bagian hidrofilik:

$\text{HLB} = 20 \times \frac{M_h}{M}$

dengan $M_h$ massa bagian hidrofilik dan $M$ massa molekul total. Skala yang lazim: HLB 3 sampai 6 cocok sebagai emulsifier air dalam minyak, 7 sampai 9 sebagai zat pembasah, 8 sampai 18 sebagai emulsifier minyak dalam air, dan 13 sampai 15 sebagai deterjen (nilai baku pendekatan). Campuran dua emulsifier memiliki HLB rata-rata tertimbang menurut fraksi massanya, sehingga formulator dapat mencocokkan HLB yang dibutuhkan minyak tertentu (Contoh 6). HLB adalah pegangan awal, dan uji kestabilan emulsi tetap diperlukan.

Koloid: ukuran, efek Tyndall, liofil dan liofob

Buku diktat kimia dalam sumber mendefinisikan koloid sebagai campuran yang keadaannya di antara larutan dan suspensi, dan buku kursus kimia menyebut koloid sebagai jenis suspensi khusus. Partikel koloid berukuran sekitar 1 nm sampai 1 µm (nilai baku pendekatan): terlalu besar untuk disebut larutan sejati, tetapi terlalu kecil untuk mengendap dalam waktu yang wajar (Contoh 7). Buku kimia umum dalam sumber mencatat bahwa salah satu cara membedakan larutan dari koloid adalah efek Tyndall, yaitu hamburan cahaya oleh partikel koloid yang membuat berkas senter terlihat di dalam cairan. Sumber yang sama mencatat bahwa koloid yang terpenting adalah yang medium pendispersinya air.

Buku diktat kimia dalam sumber membedakan koloid dengan medium cair menjadi liofil dan liofob, dan menyebut gel sebagai koloid liofil yang setengah kaku. Koloid liofil, seperti larutan protein, pati, dan gelatin, berinteraksi kuat dengan air dan stabil dengan sendirinya. Koloid liofob, seperti lempung halus, oksida logam, dan tetes minyak, tidak menyukai air dan hanya stabil karena muatan permukaan atau lapisan pelindung. Buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat bahwa silikat dalam deterjen membentuk lapisan tipis silikat koloid yang melindungi logam, contoh koloid yang sengaja dimanfaatkan.

Kestabilan koloid: muatan, lapisan ganda, dan potensial zeta

Partikel koloid liofob di air biasanya bermuatan, misalnya negatif pada lempung dan bakteri. Ion bermuatan berlawanan dari larutan berkumpul di sekitarnya membentuk lapisan ganda listrik. Ketika dua partikel mendekat, lapisan gandanya saling tolak; pada jarak sangat dekat, gaya tarik van der Waals mengambil alih. Kestabilan koloid adalah hasil persaingan dua gaya itu.

Tebal lapisan ganda diwakili panjang Debye, yang untuk elektrolit 1 : 1 pada 25 °C kira-kira:

$\kappa^{-1}\ (\text{nm}) \approx \frac{0{,}304}{\sqrt{I\ (\text{mol/L})}}$

dengan $I$ kekuatan ion. Air lunak dengan sedikit ion memiliki lapisan ganda tebal sehingga partikel saling tolak dari jauh dan koloid stabil. Garam memampatkan lapisan ganda, sehingga partikel dapat mendekat dan menggumpal (Contoh 8).

Potensial zeta adalah potensial listrik pada bidang geser di sekitar partikel yang bergerak, dan dapat diukur dari kecepatan partikel dalam medan listrik. Sebagai pegangan umum, koloid dengan potensial zeta lebih besar dari sekitar 30 mV, positif atau negatif, cenderung stabil, sedangkan yang mendekati nol cenderung menggumpal (nilai pendekatan). Ion bermuatan berlawanan dengan valensi lebih tinggi jauh lebih kuat menggumpalkan koloid; menurut aturan Schulze-Hardy, daya penggumpalan sebanding kira-kira dengan pangkat enam valensi ion.

Koagulasi dan flokulasi di pengolahan air

Kekeruhan di air baku dan air limbah sebagian besar adalah koloid bermuatan negatif yang tidak mau mengendap. Koagulasi menetralkan muatan itu dengan garam logam bervalensi tiga, seperti aluminium sulfat dan besi(III) klorida, yang di air membentuk hidroksida dan ion bermuatan positif. Flokulasi kemudian menggabungkan partikel yang sudah netral menjadi flok besar dengan pengadukan pelan dan polimer pembantu. Flok yang besar mengendap dalam hitungan jam, sedangkan koloid aslinya tidak mengendap dalam hitungan hari (Contoh 7).

Narasi Teknik Air dan Lingkungan memuat contoh uji jar yang menunjukkan dosis besi(III) klorida 4,1 mg/L, dan mencatat bahwa arsen dihilangkan secara efektif dengan proses koagulasi. Dosis koagulan selalu ditentukan dengan uji jar, karena bergantung pada kekeruhan, alkalinitas, pH, dan suhu air. Koagulan logam juga mengonsumsi alkalinitas dan menurunkan pH, sehingga air beralkalinitas rendah dapat memerlukan tambahan basa (Contoh 9). Alur pengolahan air dibahas di Bab 2 · Air & Pengolahan Air dan limbah laundry di Bab 17 · Laundry.

Emulsi, busa, dan cara memecahkannya

Emulsi adalah dispersi tetes satu cairan di cairan lain. Emulsi minyak dalam air (M/A) memiliki air sebagai fase kontinu; buku diktat kimia dalam sumber mencatat bahwa kebanyakan makanan berupa emulsi minyak dalam air, seperti susu segar dan mayones. Emulsi air dalam minyak (A/M), seperti mentega, memiliki minyak sebagai fase kontinu. Jenis emulsi ditentukan terutama oleh emulsifiernya: emulsifier yang lebih larut di air menghasilkan M/A, sesuai aturan Bancroft.

Emulsi tidak stabil secara termodinamika, dan rusak melalui beberapa tahap: tetes naik atau turun karena beda massa jenis (creaming), menggumpal tanpa bergabung (flokulasi), bergabung menjadi tetes besar (koalesensi), dan akhirnya memisah menjadi dua lapisan. Perangkap lemak bekerja dengan memberi waktu bagi tetes minyak besar untuk naik. Narasi Teknik Air dan Lingkungan mencatat bahwa minyak dan lemak adalah komponen utama bahan pangan, dan buku perancangan plumbing dalam narasi Sistem Laundry mengharuskan perangkap lemak gravitasi dipasang sedekat mungkin dengan peralatan yang dilayaninya. Deterjen yang terbawa ke perangkap lemak mengemulsikan minyak menjadi tetes halus yang terlalu lambat naik, dan air panas melelehkan lemak sehingga ikut terbawa. Itulah penyebab perangkap lemak di kasus pembuka meloloskan air berwarna susu.

Emulsi dipecahkan dengan membalik faktor penstabilnya: menetralkan muatan dengan garam atau koagulan, menurunkan pH untuk mengubah sabun menjadi asam lemak yang tidak aktif, memanaskan, menambah pemecah emulsi, atau memisahkan secara mekanis dengan sentrifus dan flotasi udara terlarut.

Busa adalah dispersi gas di cairan, distabilkan oleh surfaktan dan protein yang membentuk selaput di dinding gelembung. Cairan di dinding gelembung mengalir turun karena gravitasi dan tekanan Laplace, sampai selaput pecah. Protein dari sisa telur dan susu adalah penstabil busa yang kuat, itulah sebab busa di mesin pencuci piring pada kasus pembuka. Mesin pencuci memerlukan produk rendah busa karena busa mengurangi daya semprot, menyebabkan pompa menghisap udara, dan dapat meluap. Penghilang busa, seperti silikon atau partikel hidrofobik halus, masuk ke selaput gelembung dan memecahnya. Pemakaian penghilang busa mengikuti petunjuk pemasok, karena sisa silikon dapat mengganggu pembilasan dan pengolahan limbah.

Contoh kerja

Contoh 1. Energi untuk mengemulsikan minyak. Minyak 1,0 mL ($1{,}0 \times 10^{-6}$ m³) dipecah menjadi tetes berjari-jari 1,0 µm. Luas antarmuka $3V/r = 3 \times 10^{-6}/10^{-6} = 3{,}0$ m². Dengan tegangan antarmuka 50 mN/m, kerjanya $0{,}050 \times 3{,}0 = 0{,}15$ J. Bila surfaktan menurunkannya menjadi 5 mN/m (angka latihan), kerjanya hanya 0,015 J, sepersepuluhnya.

Contoh 2. Tekanan Laplace. Gelembung udara berjari-jari 1,0 mm di air murni: $\Delta p = 2 \times 0{,}072/0{,}001 = 144$ Pa. Dengan surfaktan yang menurunkan $\gamma$ menjadi 30 mN/m: 60 Pa. Tetes minyak berjari-jari 1,0 µm dengan tegangan antarmuka 5 mN/m: $2 \times 0{,}005/10^{-6} = 10.000$ Pa, yaitu 10 kPa.

Contoh 3. Penetrasi air ke pori kain berminyak. Pori berjari-jari 10 µm (angka latihan). Air murni dengan sudut kontak 80° ($\cos\theta = 0{,}174$): $h = 2 \times 0{,}072 \times 0{,}174/(1.000 \times 9{,}81 \times 10^{-5}) = 0{,}26$ m. Larutan surfaktan dengan $\gamma = 0{,}030$ N/m dan sudut 20° ($\cos\theta = 0{,}940$): $h = 2 \times 0{,}030 \times 0{,}940/0{,}0981 = 0{,}57$ m. Gaya pendorong kapiler lebih dari dua kali lipat walau tegangan permukaan turun.

Contoh 4. CMC dan dosis. Natrium dodesil sulfat ($M = 288{,}4$ g/mol) dengan CMC 8,2 mmol/L: $8{,}2 \times 10^{-3} \times 288{,}4 = 2{,}37$ g/L. Untuk mencapai CMC di 50 L air diperlukan 118 g. Surfaktan nonionik dengan CMC seratus kali lebih kecil mencapai CMC dengan sekitar 1 g pada volume yang sama, sebelum memperhitungkan surfaktan yang teradsorpsi pada kain dan kotoran.

Contoh 5. Sabun yang hilang di air sadah. Kesadahan 200 mg/L sebagai $\text{CaCO}_3$ setara 2,0 mmol/L ion kalsium, yang mengikat 4,0 mmol/L sabun. Dengan natrium stearat ($M = 306{,}5$ g/mol): $4{,}0 \times 10^{-3} \times 306{,}5 = 1{,}23$ g/L. Di 50 L air, 61 g sabun habis menjadi kerak sabun sebelum mulai mencuci.

Contoh 6. HLB etoksilat dan campuran emulsifier. Alkohol laurat dengan 7 satuan etoksilat: bagian $\text{C}_{12}\text{H}_{25}$ 169,3 g/mol, rantai etoksilat $7 \times 44{,}05 = 308{,}4$ g/mol, dan gugus OH 17,0 g/mol, total 494,7 g/mol. $\text{HLB} = 20 \times 308{,}4/494{,}7 = 12{,}5$, cocok untuk emulsi M/A dan pencucian. Dengan 3 satuan etoksilat: $M = 318{,}5$ dan $\text{HLB} = 20 \times 132{,}2/318{,}5 = 8{,}3$, lebih cocok sebagai pembasah. Untuk HLB yang dibutuhkan 12 dari emulsifier HLB 15 dan HLB 5: $15x + 5(1 - x) = 12$, sehingga $x = 0{,}70$, yaitu 70 persen massa emulsifier HLB 15.

Contoh 7. Kecepatan mengendap menurut hukum Stokes. $v = (\rho_p - \rho)\,g\,d^2/(18\mu)$ dengan viskositas air $1{,}0 \times 10^{-3}$ Pa·s. Partikel lempung 1 µm ($\rho_p = 2.650$ kg/m³): $v = 1.650 \times 9{,}81 \times 10^{-12}/0{,}018 = 9{,}0 \times 10^{-7}$ m/s, yaitu 3,2 mm per jam. Partikel 0,1 µm mengendap seratus kali lebih lambat, 0,032 mm per jam, praktis tidak mengendap. Flok 100 µm dengan massa jenis 1.050 kg/m³ (angka latihan): $v = 50 \times 9{,}81 \times 10^{-8}/0{,}018 = 2{,}7 \times 10^{-4}$ m/s, sekitar 1 m per jam.

Contoh 8. Panjang Debye dan valensi koagulan. Untuk $I = 0{,}001$ mol/L: $\kappa^{-1} = 0{,}304/\sqrt{0{,}001} = 9{,}6$ nm. Untuk $I = 0{,}1$ mol/L: 0,96 nm, sepuluh kali lebih tipis. Menurut aturan Schulze-Hardy, daya penggumpalan ion bervalensi 1, 2, dan 3 berbanding sekitar $1 : 2^6 : 3^6 = 1 : 64 : 729$, sehingga ion aluminium dan besi(III) ratusan kali lebih efektif daripada ion natrium.

Contoh 9. Koagulan dan alkalinitas. Dosis besi(III) klorida 4,1 mg/L dari uji jar di sumber. Reaksinya: $2\,\text{FeCl}_3 + 3\,\text{Ca(HCO}_3)_2 \rightarrow 2\,\text{Fe(OH)}_3 + 3\,\text{CaCl}_2 + 6\,\text{CO}_2$. Alkalinitas yang dipakai $4{,}1 \times 3 \times 100{,}09/(2 \times 162{,}2) = 3{,}8$ mg/L sebagai $\text{CaCO}_3$, dan endapan besi(III) hidroksida $4{,}1 \times 106{,}87/162{,}2 = 2{,}7$ mg/L, belum termasuk padatan yang ikut terperangkap.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Busa meluap dari mesin pencuci atau tangki hingga mendekati komponen listrik, motor, atau panel. Matikan mesin, isolasi listrik, dan cari penyebabnya sebelum menyalakan lagi.
2. Penghilang busa, pemecah emulsi, atau koagulan akan ditambahkan ke instalasi tanpa uji jar atau petunjuk pemasok, atau ke aliran yang masuk ke instalasi pengolahan limbah biologis tanpa persetujuan pengelolanya.
3. Perangkap lemak akan dibersihkan tanpa ventilasi atau pelindung, atau dengan memasukkan orang ke ruang tertutup. Ruang tertutup dengan bahan organik membusuk dapat mengandung gas beracun; ikuti Bab 1 · Keselamatan.
4. Lantai licin karena larutan surfaktan atau busa belum dikeringkan dan diberi tanda.
5. Produk surfaktan kationik dan anionik akan dicampur di satu wadah atau satu jalur dosis.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Busa banyak berarti daya cuci tinggi." Busa hanya menunjukkan surfaktan di permukaan udara. Surfaktan nonionik rendah busa sering lebih kuat mengangkat minyak.

"Menambah deterjen selalu menambah daya cuci." Di atas CMC dan setelah permukaan jenuh, tambahan deterjen sebagian besar terbuang dan menambah busa serta beban bilas.

"Kekeruhan akan mengendap bila ditunggu cukup lama." Partikel koloid di bawah sekitar 0,1 µm praktis tidak mengendap tanpa koagulasi (Contoh 7).

"Perangkap lemak menahan semua minyak." Minyak yang sudah diemulsikan deterjen menjadi tetes halus lolos dari perangkap lemak.

"Garam tidak berpengaruh pada koloid." Garam memampatkan lapisan ganda dan dapat menggumpalkan koloid; ion bervalensi tinggi jauh lebih kuat.

"Surfaktan nonionik tidak terpengaruh suhu." Surfaktan nonionik memisah di atas titik keruhnya.

Hubungan dengan bab lain

Bab gaya antarmolekul memberi ikatan hidrogen dan polaritas, bab kimia organik gugus fungsi surfaktan dan saponifikasi, dan bab kelarutan kesadahan. Bab 6 · Laundry membahas kerja surfaktan dan pengkelat dalam pencucian, Bab 3 · Laundry kotoran dan noda, Bab 7 · Dispensing Kimia bahan bantu bilas, Bab 2 · Air & Pengolahan Air alur pengolahan air, Bab 17 · Laundry limbah laundry dan IPAL, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti. Bab polimer dan elastomer di tingkat ini membahas polimer yang juga dipakai sebagai flokulan dan pengental.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Berapa tekanan Laplace di dalam gelembung udara berjari-jari 0,50 mm di air murni ($\gamma = 72$ mN/m)?
2. Berapa luas antarmuka bila 1,0 mL minyak dipecah menjadi tetes berjari-jari 0,50 µm?
3. Berapa HLB surfaktan nonionik yang bagian hidrofiliknya 60 persen massa molekul?
4. Berapa fraksi massa emulsifier HLB 14 yang dicampur dengan emulsifier HLB 4 untuk HLB 10?
5. Mengapa sabun bekerja buruk di air sadah, sedangkan surfaktan nonionik tidak terganggu?
6. Mengapa garam aluminium jauh lebih efektif daripada natrium klorida untuk menggumpalkan kekeruhan?

Kunci jawaban beralasan

1. $\Delta p = 2 \times 0{,}072/0{,}0005 = 288$ Pa, dua kali gelembung 1 mm karena tekanan berbanding terbalik dengan jari-jari.
2. $3V/r = 3 \times 10^{-6}/(0{,}5 \times 10^{-6}) = 6{,}0$ m², dua kali luas tetes 1 µm dari volume yang sama.
3. $\text{HLB} = 20 \times 0{,}60 = 12$, sehingga cocok sebagai emulsifier minyak dalam air.
4. $14x + 4(1 - x) = 10$, sehingga $10x = 6$ dan $x = 0{,}60$, yaitu 60 persen emulsifier HLB 14.
5. Ion kalsium mengikat dua kepala karboksilat sabun menjadi kerak sabun yang tidak larut; kepala nonionik tidak bermuatan sehingga tidak bereaksi dengan ion kalsium.
6. Ion bervalensi tiga menetralkan muatan negatif koloid dan memampatkan lapisan gandanya jauh lebih kuat; menurut aturan Schulze-Hardy, daya penggumpalannya ratusan kali ion bervalensi satu.

Referensi