KAJIAN ELEKTRODA PENANGKAP GAS BUANG SEPEDA MOTOR UNTUK PENURUNAN KADAR EMISI PENCEMAR LINGKUNGAN
NINDYA KHOIRUNISA
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
ii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Kajian Elektroda Penangkap Gas Buang Sepeda Motor Untuk Penurunan Kadar Emisi Pencemar Lingkungan adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Oktober 2014
Nindya Khoirunisa NIM G74100051
ABSTRAK NINDYA KHOIRUNISA. Kajian Elektroda Penangkap Gas Buang Sepeda Motor Untuk Penurunan Kadar Emisi Pencemar Lingkungan. Dibimbing oleh JAJANG JUANSAH dan IRMANSYAH. Penggunaan sepeda motor dapat mempercepat dan mempermudah aktivitas, sekaligus menimbulkan dampak buruk terhadap lingkungan melalui gas buangnya. Beberapa senyawa yang dikandung oleh gas buang sepeda motor diantaranya CO, NO, dan SO2. Jika konsentrasi ketiga senyawa tersebut melebihi batas ambang, maka akan berbahaya bagi kesehatan manusia. Salah satu upaya untuk mengurangi ketiga senyawa pencemar tersebut, yaitu dengan diletakkan elektroda penangkap gas yang telah dialiri arus listrik di belakang knalpot dengan modifikasi bahan elektrodanya. Berdasarkan hasil penelitian, bahan elektroda yang dapat menurunkan gas pencemar (CO, NO, dan SO2) paling banyak ialah tembaga. Hal ini disebabkan tembaga memiliki rapat muatan yang paling tinggi sehingga menghasilkan medan listrik yang lebih besar. Saat dilakukan variasi tegangan, hanya konsentrasi SO2 yang menurun. Pada tegangan 50 volt, nilai konsentrasi SO2 adalah 260.59 ppm. Kemudian elektroda tersebut diberikan tegangan sebesar 100, 200, dan 400 volt secara bergantian selang waktu 2 menit dan nilai konsentrasi pun berubah menjadi 151.61 ppm, 81.276 ppm, dan 55.746 ppm. Hasil penelitian masih kurang optimal karena banyak faktor, salah satunya sistem pembuangan emisi kendaraan tidak ideal. Kemudian hasil XRD menunjukkan bahwa setiap bahan plat elektroda mengalami penurunan derajat kristalinitas. Dengan demikian, terdapat pengotor dari gas buang sepeda motor yang menyebabkan kekristalan plat menurun. Kata kunci: gas pencemar, medan listrik, plat elektroda, sepeda motor
ABSTRACT NINDYA KHOIRUNISA. Studies Electrode Catcher Of Motorcycle Exhaust Gas For Degradation of The Environmental Pollutant Emission Levels. Supervised by JAJANG JUANSAH and IRMANSYAH. Usage of motorcycle can accelerate and simplify activities, at the same time generate bad impact to environment through exhaust gas. Some compound contained by exhaust gas from motorcyle among others CO, NO, and SO2. If the third concentration of the compound above threshold, hence it will be dangerous to human health. One of the effort to reduse the third compound of pollutant, that is put down the electrode arrester of gas which have been emited a stream of electrics current on rear knalpot with its electrode materials modification. Based on the results, electrode materials could to decrease pollutant gas of CO, NO, and SO2 at most effect was copper. This was caused by copper had highest density charge, so it produce larger electric field. When it was done by variation of
iii
voltage, only concentration of SO2 was decreased. At voltage of 50 volt, concentration value of SO2 was 260.59 ppm.Then the electrode was given by voltage equal to 100, 200, and 400 volt by alternately in the period of 2 minutes and concentration value even also turn into 151.61 ppm, 81.276 ppm, and 55.746 ppm. Result of this research was less optimal because many factors, one of them wasthe exhaust system of vehicle emission is not ideal. Then result of XRD indicated that each electrode plate materials would degradate the crystalinity degree. Thus, there were contained impurities of exhaust gas of motorcycle that caused decreasing of the cystalinity degree. Keyword: electric field, electrode plate, motorcycle, pollutant gases
KAJIAN ELEKTRODA PENANGKAP GAS BUANG SEPEDA MOTOR UNTUK PENURUNAN KADAR EMISI PENCEMAR LINGKUNGAN
NINDYA KHOIRUNISA
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014 v
Judul Skripsi : Kajian Elektroda Penangkap Gas Buang Sepeda Motor Untuk Penurunan Kadar Emisi Pencemar Lingkungan Nama : Nindya Khoirunisa NIM : G74100051
Disetujui oleh
Dr Jajang Juansah, MSi Pembimbing I
Dr Ir Irmansyah, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus:
vii
ix
PRAKATA Syukur Alhamdulillah kehadirat Allah SWT yang telah memberikan segala kekuatan, rahmat, serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul “Kajian Elektroda Penangkap Gas Buang Sepeda Motor Untuk Penurunan Kadar Emisi Pencemar Lingkungan”. Shalawat dan salam tercurah juga kepada junjungan kita Rasulullah Muhammad SAW dan para sahabat. Teriring doa dan harap semoga Allah meridhoi segala upaya yang telah penulis lakukan. Karya ilmiah ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Jajang Juansah dan Bapak Irmansyah selaku pembimbing yang telah memberikan arahan dan saran. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, seluruh keluarga, sahabat, dan rekan-rekan fisika 47 beserta civitas akademika fisika terkait yang selalu memberikan nasehat, motivasi, ataupun bantuan untuk penulis. Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi penulis sendiri dan bagi pembaca pada umumnya.
Bogor, Oktober 2014
Nindya Khoirunisa
x
DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR
xi
DAFTAR LAMPIRAN
xi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Gas Buang Sepeda Motor (CO, NO, dan SO2)
2
Medan Listrik di antara Plat Elektroda Sejajar
4
METODE
6
Waktu dan Tempat Penelitian
6
Alat
6
Bahan
7
Prosedur Penelitian
7
HASIL DAN PEMBAHASAN
10
Konsentrasi Gas Pencemar Setelah Melewati Plat Elektroda Aluminium, Plat Elektroda Tembaga, dan Plat Elektroda Seng 10 Konsentrasi Gas Pencemar Setelah Melewati Elektroda Tembaga Bertegangan 50, 100, 200, dan 400 Volt 14 Hasil Karakterisasi XRD Bahan Plat Sebelum dan Sesudah Perlakuan
16
Tampak Fisik Plat Elektroda Sebelum dan Sesudah Perlakuan
19
SIMPULAN DAN SARAN
20
Simpulan
20
Saran
20
DAFTAR PUSTAKA
22
LAMPIRAN
23
RIWAYAT HIDUP
27
xi
DAFTAR GAMBAR 1 2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Knalpot (saluran gas buang) sepeda motor Medan listrik di antara dua elektroda (a) Dipol-dipol listrik yang tersebar secara acak dari suatu dielektrik polar tanpa kehadiran medan listrik (b) dalam pengaruh medan listrik luar, dipol-dipol menyearahkan dirinya sejajar dengan arah medan listrik Medan listrik antara plat elektroda (a) tanpa dielektrik (b) dengan dielektrik Elektroda penangkap gas plat paralel (a) tampak dalam (b) tampak luar Desain penyangga plat-plat elektroda berbentuk persegi Penyangga plat berbahan akrilik dengan celah (a) sebelum diletakkan plat (b) setelah diletakkan plat-plat tembaga dan dihubungkan kawat Wadah balok akrilik (a) sebelum diisi plat (b) setelah diisi plat Nilai rata-rata konsentrasi gas CO setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng Nilai rata-rata konsentrasi gas NO setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng Nilai rata-rata konsentrasi gas SO2 setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng Nilai rata-rata konsentrasi CO setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt Nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt Nilai rata-rata konsentrasi SO2 setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt Pola XRD plat elektroda aluminium (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Pola XRD plat elektroda tembaga (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Pola XRD plat elektroda seng (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Contoh plat aluminium (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Contoh plat tembaga (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Contoh plat seng (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
4 5
6 6 7 8 9 9 12 12 13 15 15 16 17 18 18 19 19 20
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4
Diagram alir penelitian Contoh data kandungan gas buang sepeda motor yang melewati plat aluminium (ulangan) Data Joint Commite on Powder Diffraction Standars (JCPDS) (a) aluminium, (b) tembaga, dan (c) seng Tahapan penentuan luas fasa total dan luas fasa kristalin
23 23 24 25
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Sarana transportasi seakan menjadi kebutuhan primer dalam kehidupan masyarakat modern saat ini, baik sarana transportasi darat, laut, maupun udara. Dari berbagai jenis sarana transportasi yang ada di Indonesia, sepeda motorlah yang paling banyak jumlahnya.1 Tingginya ongkos kendaraan umum seiring dengan naiknya harga BBM bisa menjadi penyebab warga kota lebih memilih menggunakan kendaraan pribadi seperti sepeda motor yang dinilai lebih nyaman dan praktis atau cepat. Beberapa alasan lain orang lebih memilih sepeda motor untuk memenuhi kebutuhan transportasi mereka diantaranya harga beli yang terjangkau, irit BBM, biaya parkir murah, dan minim hambatan saat macet karena ukurannya yang ramping. Dengan demikian, terjadi peningkatan jumlah sepeda motor setiap tahunnya. Pada tahun 1987 jumlah sepeda motor di Indonesia ialah 5554305 buah, sedangkan tahun 2011 telah mencapai 68839341 buah.1 Jumlah sepeda motor yang terus bertambah setiap tahun memiliki korelasi positif dengan tingkat pencemaran udara. Bila pembakaran pada motor bensin terjadi secara sempurna, motor akan menghasilkan gas buang yang mengandung senyawa-senyawa sebagai berikut.2 C8H18 + 12 O2 + 47N2 8CO2 + 9H2O + 47N2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (1) Sementara bila selama proses pembakaran terdapat perbandingan kandungan bahan bakar yang lebih banyak dari oksigen, akan terjadi pembakaran tidak sempurna pada motor bensin. Proses pembakaran tidak sempurna menghasilkan gas buang yang dapat menimbulkan polusi udara karena mengandung unsur-unsur sebagai berikut. C8H18 + O2 + N2 CO + CO2 + HC + NOx + SO2 + partikel . . . . . . . . . (2) Polutan-polutan tersebut baik secara langsung maupun tidak langsung memberikan efek negatif bagi manusia seperti pembentukan karboksihemoglobin (COHb) dari pengikatan CO dengan hemoglobin, gangguan saluran pernafasan, dan hujan asam yang disebabkan reaksi antara NO atau SOx dengan air di udara.3 Salah satu upaya untuk mengurangi kadar emisi sepeda motor, khususnya CO, NO, dan SO2, adalah meletakkan elektroda-elektroda penangkap gas yang telah dialiri arus listrik di belakang knalpot. Elektroda-elektroda tersebut dihubungkan dengan sumber tegangan DC. Ada elektroda yang diberi potensial positif dan ada pula elektroda yang diberi potensial nol (ground). Medan listrik yang timbul diantara elektroda berpotensial positif dengan elektroda berpotensial nol akan mempolarisasi gas emisi. Jika gaya elektrostatik yang bekerja antara elektroda bermuatan positif dengan molekul gas emisi tidak seimbang, molekul dapat bergerak menuju salah satu sisi plat elektroda bermuatan positif tersebut. Gas yang telah menuju elektroda akan tertahan selama adanya medan listrik dan selanjutnya menempel pada bahan elektroda. Kemampuan penangkap gas itu sendiri dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya tegangan yang digunakan, luas penampang elektroda, debit aliran udara dan diameter partikel.
2 Perumusan Masalah Berbekal latar belakang di atas, penelitian ini memiliki rumusan masalah mengenai bagaimana bahan elektroda dan besar tegangan yang diberikan pada elektroda penangkap gas dapat mempengaruhi kemampuannya dalam mengurangi kadar emisi pencemar lingkungan (CO, NO, dan SO2) pada gas buang sepeda motor. Tujuan Penelitian Adapun tujuan dilakukannya penelitian ini yaitu untuk mengetahui pengaruh bahan elektroda dan besar tegangan yang diberikan pada elektroda penangkap gas terhadap kemampuannya dalam mengurangi kadar emisi CO, NO, dan SO2 pada gas buang sepeda motor. Manfaat Penelitian Manfaat yang diperoleh dari penelitian ini diantaranya : 1. Memberi informasi dan rekomendasi kepada masyarakat, khususnya pengguna dan produsen sepeda motor, mengenai metode penurunan kadar emisi gas buang yang mudah dilakukan. 2. Adanya cara alternatif untuk menurunkan pencemaran lingkungan. 3. Menjadi referensi untuk penelitian selanjutnya yang berkaitan dengan permasalahan serupa. Hipotesis Kinerja sebuah elektroda penangkap gas dipengaruhi bahan elektroda dan besar tegangan yang digunakan. Bahan elektroda dan besar tegangan yang menghasilkan kuat medan listrik lebih besar akan semakin menurunkan kadar emisi CO, NO, dan SO2 pada gas buang sepeda motor.
TINJAUAN PUSTAKA Gas Buang Sepeda Motor (CO, NO, dan SO2) Beberapa senyawa yang dikandung gas buang sepeda motor termasuk kedalam polutan, diantaranya CO, NO, dan SO2. Gas CO tidak berwarna, berbau, maupun berasa, dan tergolong mudah terbakar serta beracun.4 Pembentukan karboksihemoglobin (HbCO) 240 kali lebih stabil dibandingkan oksihemoglobin (HbO2).5 Kondisi tersebut akan menyebabkan pasokan oksigen ke seluruh tubuh
3 menurun tajam, sehingga melemahkan kontraksi jantung dan menurunkan volume darah yang didistribusikan. Pada CO terdapat dua ikatan kovalen dan satu ikatan kovalen koordinat antara atom karbon dan oksigen. Perbedaan muatan formal dan elektronegativitas saling meniadakan, sehingga terdapat momen dipol yang kecil dengan kutub negatif di atom karbon, walaupun oksigen memiliki elektronegativitas yang lebih besar. Alasannya adalah orbital molekul yang terpenuhi paling tinggi memiliki energi yang lebih dekat dengan orbital p karbon, yang berarti bahwa terdapat rapatan elektron yang lebih besar dekat karbon. Selain itu, elektronegativitas karbon yang lebih rendah menghasilkan ”awan elektron” yang lebih baur sehingga menambah momen dipol. Hal ini juga merupakan alasan mengapa kebanyakan reaksi kimia yang melibatkan CO terjadi pada atom karbon, bukan pada atom oksigen. 6 NO merupakan emisi gas buang yang tidak berwarna, tidak berbau, dan dihasilkan akibat suhu kerja yang tinggi. NO disebabkan oleh reaksi unsur-unsur N2 dan O2 pada temperatur 1800-2000 oC.2 NO yang berada di udara dapat membentuk partikel oksida nitrogen seperti nitrat yang berukuran sangat halus sehingga dapat masuk ke jaringan sensitif paru-paru dan menyebabkan atau memperburuk penyakit pernapasan seperti bronkhitis dan emphisema.5 NO mempunyai jumlah elektron yang ganjil. Molekul apapun yang mempunyai jumlah elektron ganjil tidak akan dapat memenuhi aturan oktet (sering ditemukan dalam atom nitrogen). Sama seperti CO, NO juga bersifat polar. Momen dipol adalah suatu ukuran terhadap derajat kepolaran. Besar momen dipol suatu molekul secara langsung bergantung pada besarnya muatan pecahan dan jarak pemisahan muatan negatif dan positif.7 Gas buang kendaraan dapat mengandung SO2 dikarenakan pembakaran bensin bercampur dengan pelumas atau oli. Kebanyakan oli yang dijual di pasaran mengandung sulfur di dalamnya. SO2 sangat mudah terlarut dalam air, memiliki bau namun tidak berwarna, tidak flammable, maupun tidak explosive. Sebagai pencemar, SO2 diperkirakan memiliki waktu tinggal di dalam udara selama 2-4 hari.8 Bagi kesehatan manusia, SO2 menyebabkan penyakit pernapasan ataupun kesulitan bernapas.5 SO2 yang terlarut dalam uap air akan membentuk asam dan turun sebagai hujan asam. Pemaparan belerang dioksida berlebihan pada daun menyebabkan kerusakan pada parenkim dalam mesopil diikuti oleh bagian palisade. Efek belerang dioksida juga dapat merusak material pembuat dinding bangunan salah satunya menyebabkan korosi.8 Sementara pada struktur molekul SO2 terdapat pasangan elektron yang tidak terbagi pada kulit valensi belerang. SO2 terdiri dari satu ikatan tunggal dan satu ikatan rangkap dua.9 SO2 memiliki geometri menekuk sehingga dikatakan polar karena kedua momen dipol tidak saling meniadakan satu sama lain. Ukuran kestabilan molekul terletak pada energi ikatannya, yang merupakan perubahan entalpi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan tertentu dalam satu molekul
4 gas. Energi ikatan molekul diatomik untuk ikatan C≡O, O═S, N═O dan N―O secara berturut-turut yaitu 1071 kJ/mol, 469 kJ/mol, 605 kJ/mol dan 176 kJ/mol.10
Gambar 1 Knalpot (saluran gas buang) sepeda motor Medan Listrik di antara Plat Elektroda Sejajar Oleh Michael Faraday medan listrik digambarkan sebagai vektor garis medan listrik yang keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif. Pada setiap titik di dalam medan listrik ada suatu kuantitas yang menyatakan tingkat kekuatan medan tersebut, yang disebut kuat medan listrik. Kuat medan listrik yang semakin besar digambarkan dengan garis medan yang semakin rapat. Kuat medan listrik (E) di sebuah titik dapat ditentukan dari gaya per satuan muatan yang dialami oleh sebuah muatan di titik tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai: E=
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit. Elektroda dapat berupa lapisanlapisan logam yang tipis. Ketika dua buah elektroda sejajar terhubung pada piranti yang bermuatan, contohnya seperti baterai, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2, muatan dipindahkan dari satu konduktor ke konduktor lainnya sampai perbedaan potensial antara konduktor-konduktor tersebut sama dengan beda potensial antara ujung-ujung baterai.11 Perbedaan potensial pada kedua elektroda terjadi akibat muatan-muatan yang sama dan berlawanan tanda yang dimiliki kedua elektroda tersebut. Jumlah muatan pada elektroda bergantung pada perbedaan potensial, luas dan jarak antar elektroda. Dua plat elektroda yang dihubungkan ke sumber tegangan akan menghasilkan medan listrik di antara kedua elektroda tersebut. Karena medan listrik antara bidang-bidang plat elektroda bersifat seragam12, perbedaan potensial antara bidang sama dengan medan dikali jarak pemisah13 : V = Es
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)
5 Persamaan di atas menunjukkan bahwa semakin besar tegangan yang diberikan pada kedua elektroda maka medan listrik yang dihasilkan akan semakin besar. Suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil disebut bahan dielektrik. Momen dipol pada dielektrik secara normal tersebar acak seperti ilustrasi pada Gambar 3 (a). Namun, dalam pengaruh medan listrik di antara dua elektroda sejajar, momen dipol menerima suatu gaya torka yang memaksa momen dipol tersebut menyearahkan diri dengan arah medan listrik seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3 (b). Kemampuan momen dipol untuk menyearahkan diri dengan medan listrik bergantung pada kuat medan dan temperatur.11 Pengaruh total dari polarisasi suatu dielektrik homogen adalah hadirnya muatan permukaan pada bidang batas antara dielektrik dengan plat elektroda. Muatan yang terikat pada dielektrik ini menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan arah medan listrik yang disebabkan oleh muatan-muatan bebas pada konduktor-konduktor. Akibatnya, medan listrik di antara plat elektroda menjadi lebih lemah seperti diilustrasikan pada Gambar 4. Jika medan listrik awal antara keping-keping suatu kapasitor tanpa dielektrik adalah E0, medan dalam dielektrik adalah : E=
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5)
dimana Ƙ adalah konstanta dielektrik. Untuk suatu plat elektroda sejajar dengan jarak pemisah s, perbedaan potensial antara plat adalah : V = Es =
=
. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . (6)
dimana V adalah perbedaan potensial dengan dielektrik dan Vo = perbedaan potensial awal tanpa dielektrik.11
Gambar 2 Medan listrik di antara dua elektroda
adalah
6
(a)
(b)
Gambar 3 (a) Dipol-dipol listrik yang tersebar secara acak dari suatu dielektrik polar tanpa kehadiran medan listrik (b) dalam pengaruh medan listrik luar, dipol-dipol menyearahkan dirinya sejajar dengan arah medan listrik
Gambar 4 Medan listrik antara plat elektroda (a) tanpa dielektrik (b) dengan dielektrik
METODE Waktu dan Tempat Penelitian Pembuatan elektroda penangkap gas berlangsung di Bengkel Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor sejak bulan Februari sampai Mei 2014, sementara pengujian kadar emisi sepeda motor sebelum dan sesudah melewati elektroda penangkap gas dilaksanakan di Laboratorium Uji Kualitas Udara dan Kebisingan Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Pertanian Bogor. Alat Penelitian ini menggunakan beberapa alat diantaranya satu buah sepeda motor Honda Supra X 125D keluaran tahun 2008, seperangkat alat uji konsentrasi emisi kendaraan (Portable Flue Gas Analyser Lancom 4), sumber tegangan DC, kabel, gunting, lem, penggaris, saklar, dan alat lainnya untuk pembuatan elektroda penangkap gas.
7 Bahan Gas pencemar lingkungan dari knalpot sebuah sepeda motor, plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, plat elektroda seng, dan akrilik (isolator) merupakan bahan yang digunakan. Prosedur Penelitian Dalam penelitian ini terdapat beberapa tahapan yang dilakukan untuk mendapatkan hasil penelitian yang sesuai, yaitu sebagai berikut: Studi literatur Tahap ini merupakan penelusuran secara pustaka mengenai teknik pembuatan plat elektroda agar memiliki prinsip kerja sesuai tujuan penelitian. Penelusuran dimulai dari mencari tahu bahan-bahan yang bisa digunakan dan dibentuk sesuai tujuan, rentang tegangan DC tertentu yang bisa diberikan untuk setiap bahan elektroda, bahan perekat yang dapat digunakan, dan teori-teori dari buku maupun jurnal yang dapat mendukung penelitian ini. Studi pustaka akan membantu penulis dalam mengembangkan hasil penelitian yang diperoleh dari beberapa pengujian atau eksperimen yang dilakukan. Pembuatan desain elektroda penangkap gas Sebelum dibuat, elektroda penangkap gas didesain terlebih dahulu menggunakan perangkat Google Sketchup versi 8. Saat pengujian berlangsung, elektroda penangkap gas diletakkan di belakang knalpot motor. Oleh karena itu, ukuran elektroda disesuaikan dengan bahan baku yang tersedia dan knalpot motor yang digunakan. Bentuk elektroda yang diinginkan ditunjukkan pada Gambar 5 (a) dan (b).
(a)
(b)
Gambar 5 Elektroda penangkap gas plat paralel (a) tampak dalam (b) tampak luar
8 Elektroda penangkap gas tersebut terdiri dari balok berbahan akrilik (isolator) sebagai casing atau wadah dari plat-plat tipis berbentuk persegi yang bersifat konduktor. Wadah berbentuk balok itu ditetapkan dengan panjang 50 cm, lebar 13 cm, dan tinggi 13 cm, sedangkan ukuran platnya yaitu 12.5 cm x 12.5 cm. Plat-plat tipis yang berperan sebagai elektroda tersebut disusun secara paralel dan dihubungkan dengan kawat antara plat yang satu dengan yang lain sehingga arus listrik dapat mengalir dari plat pertama hingga terakhir. Agar plat dapat tersusun paralel, dibuat sejenis penyangga berbahan akrilik pula yang berbentuk mirip sisir dua sisi seperti pada Gambar 6.
Gambar 6 Desain penyangga plat-plat elektroda berbentuk persegi Garis-garis pada gambar tersebut merupakan celah-celah tempat diletakannya plat-plat tipis berbentuk persegi. Jumlah garis menunjukkan jumlah plat yang harus dibuat. Panjang garis atau celah sama dengan panjang plat. Sementara jarak antar garisnya sama dengan jarak antar plat. Asumsi penulis yakni semakin kecil jarak antar plat, semakin besar medan listrik yang dapat dihasilkan dengan pemberian besar tegangan tertentu. Maka jarak antar plat ditetapkan sebesar 0.5 cm. Pembuatan elektroda penangkap Gas Terdapat tiga variasi bahan yang digunakan untuk membuat plat-plat elektroda, yaitu aluminium, tembaga, dan seng. Masing-masing bahan dipotong persegi dengan ukuran 12.5 cm x 12.5 cm sebanyak 39 buah. Tebal setiap plat adalah 0.3 mm. Plat-plat yang sudah dipotong, diamplas setiap sisinya agar lebih rata dan halus. Kemudian salah satu sisi permukaan plat dilubangi pada bagian tengahnya menggunakan paku dan palu untuk tempat masuknya kawat penghubung. Kawat penghubung merupakan penghantar arus listrik dari sumber tegangan DC menuju plat pertama hingga plat ke-39. Masing-masing elektroda penangkap gas membutuhkan dua buah penyangga plat dan satu buah wadah balok (tempat diletakannya plat-plat elektroda). Untuk satu buah penyangga, akrilik dipotong dengan ukuran 13 cm x 20 cm. Dengan menggunakan gergaji, dibuat celah pertama sepanjang 12.5 cm dari sisi sebelah kanan. Kemudian dari sisi sebelah kiri dibuat pula celah kedua sepanjang 12.5 cm juga, dengan jarak 0.5 cm dari celah pertama. Selanjutnya dibuat celah ketiga dari sisi sebelah kanan dengan panjang dan jarak yang sama seperti sebelumnya. Begitu seterusnya sampai celah berjumlah 39 buah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 (a).
9 Plat tembaga yang berjumlah 39 buah, direkatkan pada dua penyangga akrilik agar dapat tersusun paralel. Penyangga direkatkan pada bagian atas dan bawah plat. Begitupula untuk plat seng dan plat aluminium. Setelah rekat, dilanjutkan dengan memasukkan kawat konduktor melewati lubang yang telah dibuat pada masing-masing plat tadi. Hasilnya akan seperti Gambar 7 (b).
(a) (b) Gambar 7 Penyangga plat berbahan akrilik dengan celah (a) sebelum diletakkan plat (b) setelah diletakkan plat-plat tembaga dan dihubungkan kawat Untuk satu buah wadah balok, mula-mula akrilik dipotong dengan ukuran 50 cm x 13 cm sebanyak empat buah dan ukuran 13 cm x 13 cm sebanyak dua buah. Akrilik persegi yang berukuran 13 cm x 13 cm tersebut diberi lubang dengan diameter 9 cm (menyesuaikan diameter knalpot motor). Salah satu lubang digunakan sebagai tempat masuknya gas buang sepeda motor, sedangkan lubang lainnya digunakan sebagai tempat diletakannya probe sensor alat uji konsentrasi emisi kendaraan. Potongan-potongan akrilik tersebut direkatkan hingga membentuk balok seperti pada Gambar 8 (a) dan (b).
(a) (b) Gambar 8 Wadah balok akrilik (a) sebelum diisi plat (b) setelah diisi plat Wadah balok tersebut mempunyai salah satu sisi yang bisa dibuka-tutup seperti pintu agar jenis plat bisa diganti-ganti saat pengujian, sehingga wadah balok yang dibuat cukup satu buah saja. Pengujian elektroda penangkap gas Langkah awal pada tahap ini adalah mengetahui apakah kawat terhubung dari plat pertama hingga plat ke-39, yaitu dengan cara menghubungkan elektroda ke sumber tegangan DC. Plat urutan ganjil dihubungkan ke potensial positif, sementara plat urutan genap dihubungkan ke potensial nol atau ground. Kemudian
10 setiap pasangan plat (plat bermuatan positif dan plat tidak bermuatan) diukur beda potensialnya menggunakan multimeter. Setelah dipastikan bahwa kawat terhubung ke setiap plat, plat-plat tersebut dimasukkan ke dalam balok akrilik dan balok tersebut diletakkan tepat di belakang knalpot. Agar tidak terjadi kebocoran gas di sekeliling elektroda, maka setiap sisi wadah balok yang bercelah diberi lakban, sedangkan lubang tempat masuknya gas buang sepeda motor ditutup plastik dan karet ban bekas. Selanjutnya, mesin motor dipanaskan selama 3 menit. Kemudian display alat uji konsentrasi emisi kendaraan dihubungkan ke sebuah laptop melalui kabel USB. Hal tersebut dilakukan dengan tujuan untuk pembacaan data konsentrasi emisi sepeda motor oleh sensor ke dalam perangkat lunak Insight®. Pengujian elektroda penangkap gas pada sepeda motor dilakukan selama 10 menit dengan pergantian besar tegangan setiap 2 menit sekali, mulai dari 0, 50, 100, 200, dan 400 volt dan dilakukan pengulangan sebanyak satu kali.. Setiap selesai satu kali pengujian elektroda penangkap gas pada sepeda motor, sensor alat uji konsentrasi emisi kendaraan tersebut harus di purging atau dikalibrasi sampai tidak ada gas emisi yang menempel pada sensor dan terbaca oleh sensor lagi. Setelah sensor netral kembali, pengujian selanjutnya dapat dilakukan. Seluruh langkah pengujian tersebut dilakukan pada plat aluminium, plat tembaga, dan plat seng secara bergantian. Setelah itu, sampel plat aluminium, plat tembaga, dan plat seng sebelum dan sesudah pengujian (sebelum dan sesudah menangkap gas emisi sepeda motor) dikarakterisasi menggunakan XRD (X-Ray Diffraction) untuk dilihat perbedaannya.
HASIL DAN PEMBAHASAN Konsentrasi Gas Pencemar Setelah Melewati Plat Elektroda Aluminium, Plat Elektroda Tembaga, dan Plat Elektroda Seng Pertama kali melakukan pengujian, sepeda motor yang digunakan ialah Honda Astrea keluaran tahun 1999. Seperti yang dijelaskan pada prosedur penelitian bahwa wadah balok yang berisi plat elektroda diletakkan tepat di belakang knalpot sepeda motor. Agar gas emisi tidak keluar ke udara bebas, maka celah-celah di setiap sisi balok ditutup menggunakan double tip, sedangkan celah antara mulut lubang balok dengan knalpot ditutup menggunakan lilin mainan. Ilustrasinya dapat dilihat pada Gambar 8(b). Dipilihnya lilin mainan untuk menutup celah dikarenakan lilin mainan mudah dibentuk dan gas akan sulit menembus bahan seperti lilin tersebut. Saat itu mesin motor dipanaskan selama 5 menit, kemudian konsentrasi gas emisi diukur selama 15 menit tanpa menghubungkan plat elektroda ke sumber tegangan DC. Konsentrasi gas emisi yang terukur dianggap sebagai data sebelum melewati medan listrik. Waktu 15 menit dinilai terlalu lama karena setiap selesai pengukuran, probe sensor harus dikalibarasi atau di purging sampai tidak ada gas emisi yang menempel atau terbaca oleh sensor lagi. Oleh karena itu, pengukuran selanjutnya dilakukan selama 10 menit saja. Konsentrasi gas emisi diukur kembali
11 dengan kondisi plat-plat elektroda diberi tegangan sebesar 100 volt. Konsentrasi yang terbaca dianggap sebagai data setelah melewati medan listrik. Pengukuranpengukuran tersebut dilakukan bergantian antara plat elektroda aluminium dengan plat elektroda seng. Banyak kesalahan yang timbul saat proses pengukuran berlangsung, diantaranya mesin sepeda motor Honda Astrea sering mati tiba-tiba, terjadi kebocoran oli, lilin mainan meleleh sehingga tidak rekat lagi, terjadi kebocoran gas di sisi-sisi balok akrilik dan di antara mulut lubang akrilik dengan knalpot, serta kesalahan penempatan probe sensor alat uji emisi yang membuat perhitungan konsentrasi menjadi terakumulasi. Konsentrasi CO, NO, dan SO2 yang terukur mencapai ratusan ribu ppm. Nilai-nilai konsentrasi CO, NO, dan SO2 sesudah melewati medan listrik justru lebih besar dibanding sebelum melewati medan listrik, sehingga pengujian elektroda penangkap gas dihentikan sebelum selesai (elektroda plat tembaga tidak diuji). Setelah pengujian pertama gagal, dicoba pengujian lagi dengan teknik yang berbeda. Kali ini digunakan sepeda motor dengan mesin yang lebih stabil dan memiliki gas emisi yang lebih sedikit yaitu Honda Supra X 125D keluaran tahun 2008. Untuk mencegah gas emisi keluar ke udara bebas, maka celah di setiap sisi balok ditutup menggunakan lakban, sedangkan celah antara mulut lubang balok dengan knalpot ditutup menggunakan plastik dan karet ban bekas. Tahapan yang dilakukan pada pengujian kedua ini sesuai dengan yang telah ditulis pada bab metode sub bab prosedur penelitian. Tahapan itulah yang menghasilkan data lebih baik dibandingkan data pada pengujian elektroda penangkap gas pertama kali. Nilai 1 ppm setara dengan 1.164 mg/m3, sementara 1 mg/m3 sama dengan 0.859 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas CO, NO, dan SO2 sebelum melewati medan listrik (tanpa melewati elektroda) yaitu 18496 ppm, 14.637 ppm, dan 562.17 ppm. Untuk pengukuran konsentrasi gas pencemar yang melewati plat elektroda aluminium, data diperoleh setiap 3 detik sekali dalam waktu 3 menit, sehingga data berjumlah 60 buah. Kemudian diambil nilai rata-rata dari data tersebut. Pengujian diulang sebanyak satu kali dan nilai-nilai konsentrasi CO, NO, dan SO2 pada data ulangan juga diambil rata-ratanya. Kedua nilai rata-rata dijumlah, lalu dibagi dua, dan hasilnya dimasukkan ke dalam grafik. Alat uji emisi kendaraan harus di purging atau dikalibrasi selama 30 menit untuk satu kali uji. Oleh karena itu, pengukuran konsentrasi gas pencemar yang melewati plat elektroda tembaga dan plat elektroda seng dipercepat menjadi 2 menit dengan pengambilan data setiap 2 detik sekali dan pengulangan sebanyak satu kali. Jadi, jumlah data akan sama yaitu 60 buah untuk satu kali pengujian. Ketiga jenis plat elektroda diletakkan di belakang knalpot sepeda motor dan dikenakan tegangan yang sama yaitu sebesar 100 volt. Nilai konsentrasi CO setelah melewati medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda berbahan aluminium, tembaga, dan seng secara berturut-turut ialah 23240 ppm atau 27051.36 mg/m3, 20792 ppm atau 24201.888 mg/m3, dan 22437 ppm atau 26116.668 mg/m3. Gas CO yang melewati medan listrik dari plat elektroda tembaga memiliki konsentrasi paling rendah dibandingkan gas CO yang melewati medan listrik dari plat elektroda aluminium ataupun seng seperti yang terlihat pada Gambar 9. Arus yang mengalir pada plat-plat elektroda kurang dari 1 mA, sehingga besar arus tidak terbaca pada display sumber tegangan.
Konsentrasi CO (ppm)
12 23500 23000 22500 22000 21500 21000 20500 20000 19500 Aluminium
Tembaga
Seng
Jenis Bahan Gambar 9 Nilai rata-rata konsentrasi gas CO setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng Ada dua nilai rata-rata konsentrasi NO untuk setiap jenis plat, yaitu nilai rata-rata konsentrasi NO dari data pengujian dan nilai rata-rata konsentrasi NO dari data ulangannya. Kedua nilai rata-rata tersebut dijumlah, lalu dibagi dua, sehingga hasilnya tertera seperti pada Gambar 10. Nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda aluminium ialah 18.384 ppm atau 21.399 mg/m3. Sedangkan nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda berbahan tembaga yaitu sebesar 16.353 ppm atau setara dengan 19.035 mg/m3. Terakhir, nilai rata-rata konsentrasi konsentrasi NO setelah melewati medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda berbahan seng adalah 17.664 ppm atau 20.561 mg/m3. Diperoleh juga nilai rata-rata konsentrasi SO2 yang terbaca oleh sensor di ujung plat aluminium terakhir (ke-39) yaitu sebesar 337.11 ppm atau setara dengan 392.396 mg/m3. Untuk nilai rata-rata konsentrasi SO2 yang terbaca oleh sensor di ujung plat tembaga terakhir ialah 151.61 ppm atau 176.474 mg/m3, dan nilai rata-rata konsentrasi SO2 yang terbaca oleh sensor di ujung plat seng terakhir adalah 166.67 ppm atau 194 mg/m3. Nilai-nilai tersebut membentuk grafik seperti yang ditunjukkan Gambar 11.
Konsentrasi NO (ppm)
19 18.5 18 17.5 17 16.5 16 15.5 15 Aluminium
Tembaga
Seng
Jenis Bahan Gambar 10 Nilai rata-rata konsentrasi gas NO setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng
13
Konsentrasi SO2 (ppm)
400 350 300 250 200 150 100 50 0 Aluminium
Tembaga
Seng
Jenis Bahan Gambar 11 Nilai rata-rata konsentrasi gas SO2 setelah melewati plat elektroda aluminium, plat elektroda tembaga, dan plat elektroda seng Jika dibandingkan nilai konsentrasi CO, NO, dan SO2 sebelum dan sesudah melewati medan listrik, hanya konsentrasi SO2 saja yang mengalami penurunan. Pada awal pengukuran kadar emisi sepeda motor, yakni pengukuran konsentrasi CO, NO, dan SO2 sebelum melewati medan listrik, kondisi mesin motor belum panas karena masih awal pemakaian. Sehingga kadar emisi yang dikeluarkan masih rendah. Semakin lama mesin motor dinyalakan, cenderung semakin bertambah pula emisi yang dikeluarkan dari knalpot. Hal tersebut menyebabkan konsentrasi CO dan NO sesudah melewati medan listrik lebih besar dibandingkan konsentrasi CO dan NO sebelum melewati medan listrik. Dapat disimpulkan bahwa medan listrik yang dilewati gas emisi sepeda motor belum cukup menahan gas CO dan NO. Berdasarkan grafik yang diperoleh dari nilai rata-rata konsentrasi CO, NO, dan SO2 yang melewati masing-masing jenis plat elektroda dengan tegangan 100 volt selama waktu tertentu, ketiga gas pencemar yang melewati medan listrik dari plat elektroda berbahan tembaga memiliki konsentrasi paling rendah dibandingkan setelah melewati medan listrik dari plat berbahan aluminium atau seng. Hal ini menunjukkan bahwa medan listrik yang dihasilkan plat elektroda berbahan tembaga lebih besar, sehingga dapat mereduksi konsentrasi gas pencemar lebih banyak. Diketahui bahwa konduktivitas listrik yang dimiliki tembaga lebih besar dibanding konduktivitas listrik aluminium atau seng. Nilai konduktivitas listrik bahan tembaga yakni 5.9 x 107 S/m. Sementara bahan seng dan aluminium memiliki nilai konduktivitas listrik sebesar 3.8 x 107 S/m dan 1.7 x 107 S/m. Konduktivitas listrik suatu bahan dipengaruhi oleh rapat muatan yang dimiliki bahan itu sendiri. Semakin rapat muatan pada bahan, maka semakin mudah bahan tersebut menghantarkan listrik. Sementara hubungan antara rapat muatan dengan medan listrik ialah berbanding lurus.
14 Konsentrasi Gas Pencemar Setelah Melewati Elektroda Tembaga Bertegangan 50, 100, 200, dan 400 Volt Pada analisis sebelumnya, hasil yang didapat menunjukkan bahwa bahan tembaga lebih berpengaruh dalam menurunkan konsentrasi gas pencemar daripada bahan plat lainnya. Oleh karena itu, analisis selanjutnya dilakukan pada bahan plat tembaga saja. Pengujian dilakukan selama 10 menit dengan pergantian besar tegangan setiap 2 menit sekali dimulai dari 50, 100, 200, dan 400 volt dan interval pembacaan data setiap 2 detik. Setelah itu, dilakukan satu kali ulangan. Nilai ratarata konsentrasi CO setelah melewati plat tembaga yang diberi tegangan 50, 100, 200, dan 400 volt dapat dilihat pada Gambar 12. Ketika plat elektroda tembaga diberi tegangan sebesar 50 volt, diperoleh nilai rata-rata konsentrasi CO sebesar 21766 ppm atau setara dengan 25335.624 mg/m3. Sementara untuk nilai rata-rata konsentrasi CO yang terukur setelah melewati plat elektroda tembaga pada tegangan 100, 200, dan 400 volt secara berturut-turut yaitu 20792 ppm atau 24201.888 mg/m3, 22799 ppm atau 26538.036 mg/m3, dan 22046 ppm atau 25661.544 mg/m3. Nilai rata-rata konsentrasi CO pada masing-masing tegangan diperoleh dengan cara yang sama seperti mendapatkan nilai rata-rata konsentrasi CO setelah melewati setiap jenis plat pada analisis sebelumnya. Nilai rata-rata konsentrasi CO menurun di tegangan 100 volt. Namun, mengalami kenaikan kembali pada tegangan 200 volt. Hal ini terjadi karena semakin lama mesin motor dinyalakan (pembakaran berlangsung), semakin tinggi temperatur gas buang yang dihasilkan. Gas pencemar yang memiliki temperatur relatif tinggi cenderung sulit terpolarisasi oleh medan listrik karena gerak molekul pada gas pencemar yang semakin acak. Jadi medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda tembaga bertegangan 200 volt tidak mampu membuat gas CO dengan temperatur saat itu, menempel pada salah satu sisi plat. Saat tegangan diatur menjadi 400 volt, konsentrasi CO menurun kembali secara perlahan. Hal ini disebabkan oleh perubahan medan listrik dari 200 volt menjadi 400 volt yang menambah kuat medan listrik diantara plat elektroda. Selain itu, kondisi temperatur gas CO di dalam plat elektroda mulai stabil atau menyesuaikan lingkungan. Dengan demikian, gas CO dapat ditahan di salah satu sisi plat oleh pengaruh medan listrik. Konsentrasi CO yang terukur oleh alat uji pun menurun. Nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati medan listrik yang dihasilkan dari plat elektroda tembaga pada tegangan 50, 100, 200, dan 400 volt secara berturut-turut ialah 16.002 ppm, 16.353 ppm, 17.676 ppm, 17.676 ppm. Bila dikonversi ke dalam bentuk massa per volume akan setara dengan 18.626 mg/m3, 19.035 mg/m3, dan 20.575 mg/m3. Bila nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati plat elektroda bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt ini disajikan dalam bentuk grafik, maka akan terlihat seperti pada Gambar 13.
15
Konsentrasi CO (ppm)
23000 22500 22000 21500 21000 20500 20000 19500 50
100
200
400
Besar Tegangan (Volt) Gambar 12 Nilai rata-rata konsentrasi CO setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt
Konsentrasi NO (ppm)
18 17.5 17 16.5 16 15.5 15 50
100
200
400
Besar Tegangan (Volt) Gambar 13 Nilai rata-rata konsentrasi NO setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt Semakin besar tegangan yang diberikan pada plat elektroda tembaga, nilai rata-rata konsentrasi NO cenderung meningkat. Grafik tersebut menunjukkan bahwa medan listrik tidak berpengaruh nyata pada gas NO. Lain halnya dengan nilai rata-rata konsentrasi SO2. Saat plat elektroda tembaga diberikan tegangan 50 volt, nilai konsentrasi SO2 adalah 260.59 ppm atau setara dengan 303.327 mg/m3. Kemudian elektroda tersebut diberikan tegangan sebesar 100, 200, dan 400 volt secara bergantian selang waktu 2 menit dan nilai konsentrasi pun berubah menjadi 151.61 ppm atau 176.474 mg/m3, 81.276 ppm atau 94.605 mg/m3, dan 55.746 ppm atau 64.888 mg/m3. Nilai rata-rata konsentrasi SO2 tersebut disajikan dalam bentuk grafik pada Gambar 14. Pembakaran yang terjadi pada sepeda motor menghasilkan gas yang tidak homogen meskipun motor dalam kondisi idle. Komposisi dari kandungan senyawa kimianya tergantung dari kondisi mengemudi, jenis bahan bakar, jenis mesin, alat pengendali emisi bahan bakar, suhu operasi dan faktor lain yang semuanya ini membuat pola emisi menjadi rumit atau sistem menjadi tidak ideal. Dengan demikian, pengaruh medan listrik terhadap gas pencemar cukup sulit diketahui.
Konsentrasi SO2 (ppm)
16 300 250 200 150 100 50 0 50
100
200
400
Besar Tegangan (Volt) Gambar 14 Nilai rata-rata konsentrasi SO2 setelah melewati plat elektroda tembaga bertegangan 50, 100, 200, dan 400 volt Ketika bahan dielektrik yang bersifat polar seperti CO, NO, dan SO2 diberikan medan listrik luar, maka dielektrik tersebut memiliki momen dipol permanen. Momen dipol yang permanen akan semakin mudah diarahkan ke salah satu sisi plat. Dalam penelitian ini apabila gas pencemar diurutkan dari yang paling tertahan oleh medan listrik sampai yang tidak terpengaruh oleh medan listrik yaitu SO2, CO, dan NO. Hal ini disebabkan SO2 memiliki momen dipol yang paling besar diantara CO dan NO yakni 1.62 D. Besar momen dipol CO dan NO adalah 0.12 D dan 0.15 D. Selain itu, SO2 juga memiliki beda keelektronegatifan yang paling besar yaitu 2 satuan. Sedangkan untuk beda keelektronegatifan CO dan NO ialah 1 dan 0.5 satuan. Semakin besar beda keelektronegatifan suatu molekul, maka semakin mudah molekul tersebut untuk dipolarisasikan oleh medan listrik (menempel ke salah satu sisi plat). Hasil Karakterisasi XRD Bahan Plat Sebelum dan Sesudah Perlakuan Plat aluminium, plat tembaga, dan plat seng yang digunakan pada penelitian ini dikarakterisasi menggunakan XRD untuk dilihat perbedaannya antara sebelum perlakuan dengan sesudah perlakuan. Plat aluminium sebelum perlakuan, plat tembaga sebelum perlakuan, dan plat seng sebelum perlakuan yang digunakan pada proses karakterisasi merupakan plat yang sama sekali belum diberi beda potensial dan belum tersentuh gas buang sepeda motor. Sedangkan plat aluminium sesudah perlakuan, plat tembaga sesudah perlakuan, dan plat seng sesudah perlakuan yaitu plat yang diberi beda potensial dan terpapar gas buang sepeda motor. Pola karakterisasi XRD bahan plat aluminium sebelum dan sesudah perlakuan diperlihatkan pada Gambar 15. Terdapat puncak-puncak dari fasa kristal yang dimiliki plat aluminium sebelum perlakuan di 2θ : 38.554o, 44.789o, 65.161o, dan 78.276o. Dan ada pula puncak-puncak dari fasa kristal plat aluminium sesudah perlakuan di 2θ yang hampir sama yaitu 38.487o, 44.734o, 65.111o, dan 78.219o. Meskipun pada gambar dapat dilihat bahwa puncak fasa kristal plat aluminium sesudah perlakuan memiliki nilai intensitas yang lebih besar dibanding sebelum perlakuan, derajat kristalinitas plat aluminium ternyata tetap menurun. Menurut hasil perhitungan,
17 derajat kristalinitas plat aluminium sebelum perlakuan mencapai 77.88949 %, sedangkan derajat kristalinitas aluminium sesudah perlakuan hanya 60.29447 %. Hasil karakterisasi XRD pada plat tembaga sebelum perlakuan menunjukkan adanya puncak di sudut 2θ : 43.319o, 50.436o, dan 74.082o. Pada plat tembaga sesudah perlakuan, puncak terdapat di sudut 2θ yang hampir sama dengan plat tembaga sebelum perlakuan yaitu : 43.361o, 50.477o, dan 74.116o. Namun, puncak-puncak pada plat tembaga sebelum perlakuan memiliki nilai intensitas yang lebih besar dibandingkan puncak-puncak pada plat tembaga sesudah perlakuan. Dengan demikian, derajat kristalinitas tembaga pun menurun dari 75.60393 % menjadi 72.40267 %. Pola karakterisasi XRD bahan plat tembaga sebelum dan sesudah perlakuan dapat dilihat pada Gambar 16. Berdasarkan hasil karakterisasi XRD pada plat seng sebelum perlakuan, dapat diketahui adanya puncak di sudut 2θ : 36.303o, 38.959o, 54.283o, dan 76.984o, sementara puncak-puncak dari plat seng sesudah perlakuan berada pada sudut 2θ : 36.282o, 43.236o, 54.313o, 70.635o, 70.83o, dan 76.946o. Sama seperti tembaga, puncak-puncak plat seng sebelum perlakuan memiliki nilai intensitas yang lebih besar dibandingkan setelah perlakuan. Oleh karena itu, derajat kristalinitas seng sebelum perlakuan juga lebih besar nilainya dibanding sesudah perlakuan. Nilai derajat kristalinitas plat seng sebelum dan sesudah perlakuan adalah 93.30903 % dan 92.4799 %. Pola karakterisasi XRD bahan plat seng sebelum dan sesudah perlakuan ditunjukkan melalui Gambar 17.
(a))
(b) )
Gambar 15 Pola XRD plat elektroda aluminium (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
18
(a))
(b) )
Gambar 16 Pola XRD plat elektroda tembaga (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
(a))
(b) )
Gambar 17 Pola XRD plat elektroda seng (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan Puncak-puncak pada plat yang dikarakterisasi merupakan fasa kristal dari plat tersebut. Selain dari itu dikategorikan fasa amorf. Identifikasi fasa bahan plat mengacu pada data JCPDS untuk Aluminium (04-0787), Tembaga (04-0836), dan Seng (04-0831) yang dapat dilihat pada Lampiran 3. Perbedaan angka di belakang koma untuk sudut 2θ hasil XRD dengan data JCPDS masing-masing bahan plat, dapat diabaikan karena dianggap kesalahan alat XRD itu sendiri. Sementara penyebab menurunnya derajat kristalinitas masing-masing bahan plat setelah perlakuan ialah adanya pengotor dari kandungan gas buang sepeda motor yang membuat kekristalan bahan menurun. Derajat kristalinitas diperoleh dari hasil
19 pembagian fasa kristal dengan fasa total (kristal dan amorf) bahan plat. Semakin tinggi nilainya, maka semakin kristal struktur bahan tersebut. Tampak Fisik Plat Elektroda Sebelum dan Sesudah Perlakuan Kondisi fisik plat aluminium dan plat tembaga yang digunakan sebagai elektroda tidak menunjukkan perubahan yang signifikan. Plat aluminium dan plat tembaga yang tidak diberi beda potensial dan tidak dilewati gas buang sepeda motor tampak bersih dan mengkilap. Lain halnya dengan plat aluminium dan plat tembaga yang telah diberi beda potensial, lalu dilewati gas buang dari sepeda motor, tampak sedikit lebih kusam. Perubahan fisik plat aluminium dan plat tembaga dapat dilihat pada Gambar 18 dan Gambar 19. Berbeda dengan plat aluminium dan plat tembaga, kondisi fisik plat seng yang digunakan sebagai elektroda menunjukkan perubahan yang signifikan. Plat seng yang tidak diberi beda potensial dan tidak dilewati gas buang sepeda motor tampak bersih dan mengkilap. Namun, plat seng yang telah diberi beda potensial dan dilewati gas buang dari sepeda motor tampak memiliki bercak-bercak berwarna putih pada permukaannya. Perubahan fisik plat seng dapat dilihat pada Gambar 20.
(a)
(b)
Gambar 18 Contoh plat aluminium (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
(a)
(b)
Gambar 19 Contoh plat tembaga (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
20
(a)
(b)
Gambar 20 Contoh plat seng (a) sebelum perlakuan (b) sesudah perlakuan
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan data-data yang diperoleh pada penelitian ini, tembaga merupakan bahan elektroda yang menghasilkan kuat medan listrik paling besar dibanding seng dan aluminium. Hal ini disebabkan tembaga memiliki rapat muatan yang lebih baik dibanding seng dan aluminium. Rapat muatan bahan sebanding dengan kuat medan listrik. Namun, kuat medan listrik yang dihasilkan elektroda berbahan tembaga tetap belum mampu mengurangi zat pencemar CO dan NO dari sisa pembakaran sepeda motor secara signifikan. Gas CO dan NO memiliki momen dipol dan beda keelektronegatifan yang lebih rendah dibandingkan dengan SO2. Suatu molekul yang memiliki momen dipol dan beda keelektronegatifan yang besar lebih mudah dipolarisasikan oleh medan listrik sehingga lebih mudah menempel ke salah satu sisi plat elektroda. Oleh karena itu, nilai rata-rata konsentrasi SO2 yang terukur oleh alat uji semakin menurun seiring bertambahnya tegangan yang diberikan pada plat elektroda tembaga. Gas pencemar dari sisa pembakaran cenderung meningkat suhunya seiring lamanya proses pembakaran. Komposisi dari sisa pembakaran juga tergantung dari jenis bahan bakar, jenis mesin, alat pengendali emisi bahan bakar, suhu operasi dan faktor lain yang juga mempengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada atom-atom gas pencemar. Dengan demikian pada penelitian ini pengaruh medan listrik terhadap gas pencemar masih sulit diketahui. Saran Dalam pengkajian hubungan medan listrik dengan gas pencemar, sebaiknya sampel atau bahan yang digunakan berupa gas pada sistem ideal seperti gas yang dijual dalam tabung dengan ukuran dan konsentrasi tertentu agar pengaruh medan listrik dapat terlihat lebih nyata (terlihat secara langsung). Teknik pengambilan data perlu diperbarui dengan tujuan menghasilkan data-data yang lebih menunjukkan adanya pengaruh medan listrik terhadap gas pencemar. Penggunaan alat uji yang lebih memadai, salah satunya penggunaan alat EDX
21 (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) untuk pengujian plat, dirasa lebih tepat agar unsur yang terdapat pada plat-plat elektroda dapat diketahui secara pasti. Sebaiknya, pengukuran konsentrasi kandungan gas buang sepeda motor menggunakan dua buah probe sensor atau dua buah alat uji emisi. Probe sensor pertama diletakkan di tempat keluarnya gas buang dari knalpot sepeda motor sebelum melewati elektroda penangkap gas. Sementara probe sensor kedua diletakkan di tempat keluarnya gas buang setelah melewati elektroda penangkap gas. Dengan demikian akan lebih terlihat perbedaan konsentrasi kandungan gas buang sepeda motor sebelum dan sesudah melewati elektroda penangkap gas, tentunya dengan volume gas buang yang sama. Disarankan juga untuk memberi tegangan tinggi, memperbesar arus, atau mengkombinasikan antara medan listrik dengan medan magnet pada elektroda agar dapat mengurangi konsentrasi gas pencemar lebih banyak. Selain itu variasi bentuk elektroda, dengan luas sama, bisa dilakukan untuk penelitian selanjutnya agar dapat diketahui pengaruh bentuk terhadap kemampuan elektroda dalam menangkap gas.
22
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3.
4.
5.
6. 7.
8.
9. 10. 11. 12.
13.
[BPS] Badan Pusat Statistik (ID). Perkembangan jumlah kendaraan bermotor menurut jenis tahun 1987-2012. [diunduh 2014 Februari 3]. Tersedia dari: http://www.bps.go.id/transportasi/daftar_tabel Nugraha BS. Aplikasi Teknologi Injeksi Bahan Bakar Elektronik (EFI) Untuk Mengurangi Emisi Gas Buang Sepeda Motor. Skripsi. Pendidikan Teknik Otomotif Fakultas Teknik Universitas Negeri Yogyakarta. 2007. Nur M, Wirawan BY, Wijaya WA, Suseno A, Sumariyah. Pereduksian COx, NO, SOx, HC, dari Kendaraan Bermotor dengan Menggunakan Plasma NonTermik. Berkala Fisika. 2010. 9(4):209-219. ISSN: 1410-9662. Sofyan A. Sistem Pendukung Keputusan Pengelolaan Kualitas Udara CO Di Kota Bandung Menggunakan Multi Kotak Eulerian. Tesis. Fakultas Teknologi dan Industri Institut Teknologi Bandung. 2001. [PSPDL] Pusat Sarana Pengendalian Dampak Lingkungan (ID). Pengkajian Baku Mutu Kualitas Udara Ambien Lampiran PP No.41/1999. Deputi Bidang Pembinaan. 2011. Kutzelnigg W. Einführung in die Theoretische Chemie. Wiley-VCH. ISBN 3527-30609-9. Keenan CW, Kleinfelter DC, Wood JH. Kimia Untuk Universitas. Edisi Keenam. Diterjemahkan oleh: A. Hadyana Pudjaatmaka. Jakarta: Erlangga. 1984. Pohan N. Pencemaran Udara dan Hujan Asam. [diunduh 2014 Juni 18]. 2002. Tersedia dari: http:// repository.usu.ac.id/ bitstream/ 123456789/ 1371/1/ kimia-nurhasmawaty2.pdf Brady JE. Kimia Universitas Asas & Struktur, Jilid 1. Diterjemahkan oleh: Sukmariah Maun, dkk. Tangerang: Binarupa Aksara. Chang R. Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti. Edisi Ketiga. Diterjemahkan oleh: Muhammad Abdulkadir Martoprawiro, dkk. Jakarta: Erlangga. 2004. Tipler PA. Fisika untuk Sains dan Teknik. Edisi Ketiga. Diterjemahkan oleh : Bambang Soegijono. Jakarta: Erlangga. 2001. Jhony. Pengaruh Busur Api Terhadap Kekuatan Dielektrik Gas SF6. Skripsi. Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 2011. Dachlan HS. Pengaruh Sudut Keruncingan dan Diameter Finial Franklin Terhadap Distribusi Medan Listrik Dan Tegangan Tembus. J EECCIS. 2008. 2(1).
23
LAMPIRAN Lampiran 1 Diagram alir penelitian Studi literatur
Sudah siap ?
Pembuatan desain elektroda penangkap gas
Pembuatan elektroda penangkap gas
Sesuai dengan literatur ?
Pengujian elektroda penangkap gas
Analisis hasil pengujian
Penyusunan Skripsi
Lampiran 2 Contoh data kandungan gas buang sepeda motor yang melewati plat aluminium (ulangan) Waktu (sekon) 1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346
CO (ppm)
O2 (%)
SO2 (ppm)
CxHy (%)
T_AMB
T_GAS
NO (ppm)
690.014 7093.247 16349.56 21322.83 25987.96 32015.04 31750.05 28298.96 27152.7 26252.95 24823.22 23054.53 23572.2 25772.27 26770.62 26006.45 24219.28 24225.44 25001.94 26314.58 28946.04 29525.33 29050.8 27066.43
20.9 20.9 20.9 16.13 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 11.06 5.69 0 0 0 0 0
758.304 1246.878 1224.676 1243.073 1448.331 1097.518 806.352 910.894 928.367 858.98 779.567 884.017 1047.46 1008.7 894.078 753.755 834.223 873.175 897.586 974.822 889.97 780.805 689.372 676.938
0.365504 1.290567 1.708155 1.863974 2.253612 2.445601 2.127569 1.947455 1.928274 1.830362 1.7003 1.606589 1.81246 1.930466 1.912564 1.747794 1.703953 1.763504 1.849543 2.010659 2.173785 2.081536 2.031484 1.864704
33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 34 34 34 34 34 34 34 34
26 26 26 27 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28
5.76 11.95 16.019 20.509 25.449 25.535 22.876 21.365 20.457 19.875 18.796 18.668 19.795 20.911 20.917 20.189 20 20.076 20.645 22.149 22.829 22.822 21.821 21.122
Tegangan (volt) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
24 361 376 391 406 421 436 451 466 481 496 511 526 541 556 571 586 601 616 631 646 661 676 691 706 721 736 751 766 781 796 811 826 841 856 871 886 901
26635.04 27442.35 27596.41 26893.87 25162.16 23485.92 24915.66 27830.6 27972.34 26524.11 25396.35 23578.36 21131.79 19874.6 20515.52 22185.6 22962.1 23572.2 23707.78 21587.82 21600.15 22937.44 23214.76 22727.91 20176.57 20004.02 20392.27 21261.2 21402.94 22111.65 23418.13 25038.91 26949.34 27232.82 26086.56 25063.56 25827.73
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
732.335 676.395 616.694 549.713 483.876 588.828 666.721 536.39 419.767 409.989 366.316 321.926 351.296 410.951 446.246 394.747 352.572 329.849 226.982 277.437 315.228 255.827 224.751 140.411 213.818 228.33 236.342 196.729 188.437 186.653 151.776 8.916 38.627 0 0 6.098 22.599
1.976865 2.012486 1.990017 1.876943 1.735738 1.744506 2.005544 2.135241 1.972115 1.900691 1.773917 1.637826 1.470133 1.511783 1.645864 1.758572 1.752544 1.825795 1.693358 1.581563 1.710164 1.790905 1.768254 1.600378 1.509408 1.56494 1.630702 1.664314 1.658285 1.771542 1.871281 2.01413 2.088843 1.971019 1.886807 1.86507 2.063816
34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35
28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28 28
21.066 21.149 21.473 20.493 19.771 19.572 21.034 21.769 21.682 20.63 19.592 18.47 17.673 17.537 18.059 19.09 19.165 19.205 18.741 18.849 18.871 19.039 19.034 17.691 17.345 17.325 17.408 17.514 17.523 17.993 18.584 19.592 19.815 19.797 19.212 19.065 19.987
Lampiran 3 Data Joint Commite on Powder Diffraction Standars (JCPDS) (a) aluminium, (b) tembaga, dan (c) seng
(a)
100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400 400
25
(b)
(c) Lampiran 4 Tahapan penentuan luas fasa total dan luas fasa kristalin Contoh pada sampel tembaga sesudah perlakuan 1. Melalui software PowderX, menentukan puncak fasa total (kristalin dan amorf) dengan menghilangkan Background
26 2. Fitting puncak fasa total
3. Fitting puncak fasa kristalin dengan data JCPDS
4. Derajat kristalinitas dihitung dengan membagi luas area fasa kristal dengan luas area fasa total (amorf dan kristal), kemudian hasilnya dikali 100 %
27
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan pada tanggal 9 Juli 1992 di Jakarta, sebagai anak kedua dari dua bersaudara dan diberi nama Nindya Khoirunisa oleh pasangan Hasim Seni Purnomo dan Purwaningsih. Pada tahun 1998 penulis menyelesaikan pendidikan tingkat kanak-kanak di TK Kartika Jaya dan pada tahun 2004 menyelesaikan pendidikan sekolah dasar di SDN Bojong Rawa Lumbu IX. Penulis melanjutkan studi ke SMPN 16 Bekasi. Tahun 2010 penulis berhasil menyelesaikan pendidikan di SMAN 6 Bekasi dan di terima di Institut Pertanian Bogor (IPB) pada tahun yang sama melalui jalur Ujian Seleksi Masuk IPB (USMI) sebagai mahasiswa Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam untuk sarjana strata satu (S1). Selama masa perkuliahan, penulis pernah aktif sebagai anggota Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Panahan dan pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) FMIPA IPB serta mengikuti kepanitiaan beberapa kegiatan seperti Seminar Robot 2011, Pesta Sains Nasional 2011 dan 2012, Masa Perkenalan Departemen Fisika 2012, Physics Expo 2012, Temu Alumni Fisika 2012, Temu Bisnis Badan Litbang Pertanian, FMIPA IPB, dan Dunia Usaha 2012, dan sebagainya.
