Studi Eksperimen Konfigurasi Komponen Sel Elektrolisis untuk Memaksimalkan pH larutan dan Gas Hasil Elektrolisis Dalam Rangka Peningkatan Performa dan Reduksi SOx - NOx Motor Diesel Oleh : Achmad Suyuty Dosen Pembimbing : I Made Ariana, ST, MT, DR. MarSc. Abstrak Gas dan senyawa nitrogen oxides (NOx) dan sulphur oxides (SOx) dari emisi motor diesel pasti memberikan andil besar terhadap polusi udara yang mempengaruhi kesehatan ribuan mahkluk hidup, lingkungan dan pemanasan global. Pemanfaatkan hasil elektrolisis air laut (mengandung NaC), yang berupa HClO + HCl pada kutub positif dan NaOH pada kutub negatif, dapat mereduksi kadar SOx dan NOx dengan persentase yang sangat tinggi. Selain dipakai pada proses reduksi emisi, juga dipakai pada proses elektrolisis H2O untuk mendapatkan hydrogen sebagai bahan bakar alternative. Pada penelitian ini akan dilakukan studi eksperimen konfigurasi komponen elektrolisis untuk mendapatkan pH larutan dan gas hasil elektrolisis dalam rangka peningkatan performa dan reduksi SOx - NOx motor diesel. Variasi konfigurasi sel elektrolisis ini meliputi variasi jenis elektrolit, jenis dan bentuk elektroda, konfigurasi jarak antar elektroda, dan pemakaian tegangan terhadap hasil elektrolisis. Pada proses elektrolisis, terbentuknya gas hasil elektrolisis sangatlah penting untuk dianalisa lebih dalam. Hal ini menyangkut tentang pengaruh kandungan gas-gas hasil elektrolisis terhadap performa motor diesel. Pada penelitian ini hal tersebut tidak dilakukan karena keterbatasan pada alat penguji. Dari sini diharapkan selanjutnya dapat dikembangkan ke tahap pemaksimalan hasil elektrolisis untuk reduksi emisi dan bahan bakar alternative hasil elektrolisis. Kata Kunci : sel elektrolisis, elektrolit, elektroda, variasi, konfigurasi, maksimal I.
PENDAHULUAN Latar Belakang Gas dan senyawa nitrogen oxides (NOx) dan sulphur oxides (SOx) dari emisi motor diesel pasti memberikan andil besar terhadap polusi udara yang mempengaruhi kesehatan ribuan mahkluk hidup, lingkungan dan pemanasan global. Peraturan yang mengatur tentang polusi udara atau emisi dibidang marine, ada pada Marine Pollution (MARPOL) 73/78 Annex VI oleh International Marine Organisation (IMO) dan telah diberlakukan sejak 19 Mei 2005. Hal ini dikarenakan permasalahan polusi yang sangat serius dari kapal-kapal yang berlayar sejauh 200 mill laut dari pantai dengan kelas diesel engine lebih dari 130 Kw. Pada bidang marine, nitrogen oxides (NOx) dan sulphur oxides (SOx) dihasilkan oleh kapalkapal bermotor diesel yang berbahan bakar high speed diesel oil (HSDO atau solar), medium diesel oil (MDO) dan heavy fuel oil (HFO). Nitrogen oxides (NOx) dapat direduksi jika direaksikan dengan Cl2 dan HClO (gas dan larutan asam) yang menghasilkan HNO3 dan sulphur oxides (SOx) dapat direduksi jika direaksikan dengan air laut dan NaOH (larutan basa) yang menghasilkan Senyawa Cl2, HClO dan NaOH Na2SO4. dihasilkan dari elektrolisis air laut (H2O dan NaCl) pada reaksi utama kutub positif dan negatif sel elektrolisis tersebut.[1] Selain dipakai pada proses reduksi emisi, elektrolisis juga dipakai pada proses mendapatkan
hydrogen sebagai bahan bakar alternative dari hasil elektrolisis H2O.[2] Pada penelitian ini akan dilakukan studi eksperimen konfigurasi komponen sel elektrolisis untuk mendapatkan pH larutan dan gas hasil elektrolisis dalam rangka peningkatan performa dan reduksi SOx - NOx motor diesel. Variasi konfigurasi sel elektrolisis meliputi variasi jenis elektrolit, jenis, geometri, dan konfigurasi jarak antar elektroda serta pemakaian tegangan akan berpengaruh pada pelepasan ion sehingga mempengaruhi laju reaksi dimana hasil elektrolisis tergantung pada laju reaksi.[3] Untuk memaksimalkan hasil elektrolisis maka akan dilakukan studi lebih lanjut. Pada proses elektrolisis, terbentuknya gas hasil elektrolisis sangatlah penting untuk dianalisa lebih dalam. Hal ini menyangkut tentang pengaruh kandungan gas-gas hasil elektrolisis seperti Hydrogen, gas brown (H-H-O), Flourade gas terhadap performa motor diesel. Dari sini diharapkan selanjutnya dapat dikembangkan ke tahap pemaksimalan hasil elektrolisis untuk reduksi emisi dan bahan bakar alternative dari hasil elektrolisis.
1
Perumusan Masalah Perumusan masalah dalam Tugas Akhir ini adalah 1. Bagaimana pengaruh bentuk/geometri elektroda terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan? 2. Bagaimana pengaruh larutan elektrolit dan penambahan katalis terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan? Tujuan Penulisan Dari latar belakang permasalahan yang telah dijelaskan di atas, maka dapat ditentukan bahwa tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah 1. Mengetahui pengaruh bentuk/geometri elektroda terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan. 2. Mengetahui pengaruh larutan elektrolit dan penambahan KOH terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan Manfaat Penulisan Dari penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi berbagai pihak yang membutuhkan. Adapun manfaat yang dapat diperoleh antara lain : 1. Variasi konfigurasi komponen sel elektrolisis terhadap hasil elektrolisis. 2. Dasar eksperimen reduksi SOx dan NOx dari motor diesel dengan metode elektrolisis. 3. Dasar eksperimen bahan bakar alternative hasil elektrolisis. 4. Membantu mengurangi SOx dan NOx dari motor diesel kapal dengan metode elektrolisis air laut. II.
TINJAUAN PUSTAKA Pada bidang marine, nitrogen oxides (NOx) dan sulphur oxides (SOx) dihasilkan oleh kapalkapal bermotor diesel yang berbahan bakar high speed diesel oil (HSDO atau solar), medium diesel oil (MDO) dan heavy fuel oil (HFO). Nitrogen oxides (NOx) dapat direduksi jika direaksikan dengan Cl2 dan HClO (gas dan larutan asam) yang menghasilkan HNO3 dan sulphur oxides (SOx) dapat direduksi jika direaksikan dengan air laut dan NaOH (larutan basa) yang menghasilkan Na2SO4. Senyawa Cl2, HClO dan NaOH dihasilkan dari elektrolisis air laut (H2O dan NaCl) pada reaksi utama kutub positif dan negatif sel elektrolisis tersebut.[1] Melihat perkembangan Bahan Bakar Air dari hari ke hari makin mengasikkan walaupun masih sebagai suplement BBM. Banyak sekali artikel-artikel mengenai penghematan BBM ini, mulai dari menambahkan boster pada pengapian, sampai metoda elektrolisa ini.
Gambar 2.2 : Electrolizer Gambar 2.2 adalah salah satu model Electrolizer yang dapat menghemat penggunaan BBM pada kendaraan bermotor hingga 50% lebih dan meningkatkan performa kendaraan hingga 20%. Alat yang disebut electrolizer ini menghasilkan HHO (2 part Hydrogen + 1 Oxygen) gas yang sangat mudah terbakar yang kemudian HHO ini dimasukan ke intake manifold pada kendaraan bermotor. Dengan adanya campuran BBM + HHO yang kaya ini memungkinkan pembakaran menjadi lebih sempurna sehingga BBM menjadi efisien. [2] II.1 Elektrolisis Peristiwa elektrolisis terjadi ketika arus listrik dialirkan melalui senyawa ionik dan senyawa tersebut mengalami reaksi kimia. Larutan elektrolit dapat menghantar listrik karena mengandung ion-ion yang dapat bergerak bebas. Ion-ion itulah yang menghantarkan arus listrik melalui larutan. Hantaran listrik melalui larutan elektrolit terjadi sebagai berikut, sumber arus searah memberi muatan yang berbeda pada kedua elektroda. Katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub negativ) bermuatan negativ, sedangkan anoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub positiv) bermuatan positiv. Spesi (ion, molekul atau atom) tertentu dalam larutan akan mengambil elektron dari katoda, sementara spesi lainnya melepas elektron ke anoda. Selanjutnya elektron akan dialirkan ke katoda melalui sumber arus searah. Elektrolit kuat mempunyai daya hantar yang relativ baik meskipun konsentrasinya relativ kecil, sedangkan elektrolit lemah mempunyai daya hantar yang relativ buruk meskipun konsentrasinya relativ besar. Pada proses elektolisis selain jenis larutan, jenis elektroda juga mempengaruhi hasil elektrolisis. Disini elektroda dipilih berdasarkan kemampuannya untuk menghantarkan listrik (bersifat konduktor). Maka elektroda yang dipilih adalah bersifat logam. Jenis elektroda kita pilih berdasarkan deret volta dan segi ekonomis. II.2 Elektrolisis air Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirinya arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua
2
elektron, tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidrokida (OH-). Sementara itu pada anoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O2), melepaskan 4 ion H+ serta mengalirkan elektron ke katoda. Ion H+ dan OH- mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan pada persamaan i sebagai berikut. Anoda : H2O → 2H+ + ½ O2 + 2eKatoda : H2O → ½ H2 + OH2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g) …………(i)
II.4 Deret Volta/Nerst Deret volta merupakan urutan logam-logam (ditambah hidrogen) berdasarkan kenaikan potensial elektroda standarnya. Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au Semakin ke kiri letak suatu logam dalam deret volta, maka logam tersebut semakin mudah teroksidasi. sebaliknya, semakin ke kanan suatu logam dalam deret volta, maka logam tersebut [5] semakin mudah tereduksi.
Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen.
II.5 Redoks Istilah redoks berasal dari dua konsep, yaitu reduksi dan oksidasi. Hal tersebut dapat dijelaskan sesuai pada persamaan ii & iii dengan mudah sebagai berikut: • Reduksi menjelaskan penambahan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion. Oxidant + e- → Product ………..(ii) • Oksidasi menjelaskan pelepasan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion Reductant → Product + e- ………. (iii)
II.3 Sifat Logam Unsur-unsur logam memperlihatkan sifat-sifat yang spesifik, yaitu mengkilap, menghantarkan listrik dan panas, dapat ditempa serta dapat direntang menjadi benang logam yang halus. Sifat-sifat diatas tidak dimiliki oleh unsur-unsur bukan logam. Ditinjau dari konfigurasi electron, unsur logam cenderung melepaskan electron (memiliki energy ionisasi yang kecil). Sedangkan unsur-unsur bukan logam cenderung menangkap electron (memiliki keelektronegatifan yang besar). Dalam system periodic terlihat bahwa sifat logam bertambah dari atas ke bawah, dan sifat logam berkurang dalam satu periode dari kiri ke kanan. Atom-atom logam mempunyai electron valensi yang kecil, sehingga electron valensi dapat bergerak bebas dan sangat mudah dilepaskan akibatnya elektron-elektron valensi tersebut bukan hanya milik salah satu ion logam tetapi merupakan milik bersama ion-ion logam yang terjejal dalam kisi Kristal logam. Dapat dikatakan bahwa electron valensi dalam logam terdelokalisasi, membaur membentuk awan electron yang menyelimuti ionion positif logam yang telah melepaskan sebagian electron valensinya. Akibatnya terjadi interaksi antara kedua muatan (electron bermuatan negative dengan ion logam yang bermuatan positif) yang berlawanan dan membentuk ikatan logam. Gaya tarik menarik ini cukup kuat sehingga pada umumnya unsur logam mempunyai titik didih dan titik leleh yang tinggi. [3] Kekuatan ikatan logam dipengaruhi oleh : a. Jari-jari atom, makin besar jari-jari atom menyebabkan ikatan logam semakin lemah. b. Jumlah elektron valensi, semakin banyak elektron valensinya ikatan logam semakin kuat. c. Jenis unsur (golongan utama atau transisi) ikatan logam unsur transisi lebih kuat dari pada ikatan logam-logam golongan utama.
II.6 Oksidator dan reduktor Senyawa-senyawa yang memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa lain dikatakan sebagai oksidatif dan dikenal sebagai oksidator atau agen oksidasi. Oksidator melepaskan elektron dari senyawa lain, sehingga dirinya sendiri tereduksi. Oleh karena ia "menerima" elektron, ia juga disebut sebagai penerima elektron. Senyawa-senyawa yang memiliki kemampuan untuk mereduksi senyawa lain dikatakan sebagai reduktif dan dikenal sebagai reduktor atau agen reduksi. Reduktor melepaskan elektronnya ke senyawa lain, sehingga ia sendiri teroksidasi. Oleh karena ia "mendonorkan" elektronnya, ia [6] juga disebut sebagai penderma elektron. II.7 Berat zat yang dihasilkan pada proses elektrolisis Untuk menentukan berat zat yang dihasilkan pada proses elektrolisis, digunakan hukum Faraday, yaitu: [3] w = E x F ………. (iv) w = berat zat hasil elektrolisis E = massa ekivalen zat elektrolisis F = jumlah arus listrik E=
Ar ( Mr ) Ar ( Mr ) atau E = v n
Ar = massa atom relatif Mr = massa molekul relatif n = jumlah elektron yang terlibat
3
F=
it ………. Persamaan v 96500
i = arus (ampere) t = waktu (detik) w=
it Ar ( Mr ) x 96500 n
……….(vi)
II.8 Konsep MOL Satu mol menyatakan banyaknya zat yang mengandung L partikel (atom, nolekul, ion) yang dinyatakan di dalam rumus kimia zat tersebut. Sebagai standart mol, dipilih isotop karbon-12 yang massanya 12 gram dan mengandung 6,023 x 1023 atom C-12. Bilangan 6,023 x 1023 merupakan tetapan Avogadro yang dinyatakan dengan lambang L. Jadi satu mol zat dapat diartikan sebagai sejumlah L partikel baik atom, molekul, maupun ion, yang dinyatakan dalam rumus kimianya. Secara sederhana pada ilustrasi gambar 2.5 disajikan bagan konsep mol, hubungan antara mol dengan jumlah partikel, massa, dan dengan volume (dalam keadaan [7] STP=Standart Temperature and Pressure). dikali Ar/Mr
dikali 22,4
Massa (gr)
Volume (dm3)
MOL dibagi Ar/Mr
dibagi 22,4 dibagi L
dikali L
L=bilangan Avogadro =6,023 x 1023
Partikel
III.
Gambar 2.5 : Bagan Konversi Mol Jika keadaan gas tidak STP Hukum”Boyle Gay Lussac” P .V = n . R .T Dengan : P=Tekanan gas (atm) (0,082 L atm-1 k-1 mol-1) V=Vol gas (liter) n=jumlah mol gas
Contoh : Jika kubus dengan rusuk 1 cm (luas permukaan 6 cm2) dipotong-potong menjadi kubus dengan rusuk 1 μm, maka luas total permukaannya menjadi 100003 x 6 x (10-4 cm x 10-4 cm ) = 6 m2 . Kepingan yang lebih halus bereaksi lebih cepat. Pada campuran pereaksi yang heterogen, reaksi hanya terjadi pada bidang batas campuran yang selanjutnya kita sebut bidang sentuh. Oleh karena itu, makin luas bidang sentuh maka makin cepat reaksi. -Konsentrasi Pereaksi Semakin besar konsentrasi suatu larutan pereaksi, maka akan semakin besar pula laju reaksinya. -Tekanan Banyak reaksi yang melibatkan pereaksi dalam bentuk wujud gas. Penambahan tekanan dengan memperkecil volume akan memperbesar konsentrasi, dengan demikian dapat memperbesar laju reaksi. -Suhu Laju reaksi dapat dipercepat atau diperlambat dengan mengubah suhunya. Jika suhu dinaikkan, energy molekul-molekul akan meningkat, sehingga semakin banyak molekul yang mencapai energy pengaktifan dan dengan demikian reaksi berlangsung lebih cepat. Peningkatan suhu juga menyebabkan molekulmolekul bergerak lebih cepat. -Katalisator Katalisator adalah zat yang dapat mempercepat laju reaksi, tetapi zat tersebut tidak mengalami perubahan yang kekal (tidak dikonsumsi atau tidak dihabiskan). Katalisator mempercepat reaksi karena dapat menurunkan energi pengaktifan. METODOLOGI PENELITIAN Eksperimen Metode penelitian pada tugas akhir ini diilustrasikan pada gambar 3.1 dan kemudian akan dijelaskan detail tiap poin kegiatan pada sub bab sebagai berikut. Mulai
R=Tetapan T=Suhu (oK)
II.9 Laju Reaksi Laju menyatakan besarnya perubahan yang terjadi dalam satu satuan waktu. Laju reaksi dinyatakan sebagai laju berkurangnya pereaksi atau laju terbentuknya produk. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi: [3] -Luas Permukaan Sentuh Suatu reaksi mungkin melbatkan pereaksi dalam bentuk padat. Luas permukaan (total) zat padat akan bertambah jika ukurannya diperkecil.
Identifikasi dan Perumusan Masalah
Studi Literatur Pembuatan kotak elektrolisis dan variasi komponen sel elektrolisis
Menentukan variasi komponen sel elektrolisis yang meliputi: -jenis elektrolit -jenis, bentuk, dan konfigurasi elektroda -tegangan
Pengambilan data elektrolisis meliputi pH,volume gas hasil elektrolisis, arus, voltase dan suhu.
4
Visualisasi Data
Analisa Data
Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1: Flow Chart Metode Penelitian III.1
III.2
III.3
Studi Literatur Studi literatur dilakukan untuk mempelajari tentang teori-teori dasar permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini. Dengan tujuan untuk mendapatkan pengetahuan dasar dan data dari penelitian-penelitian sebelumnya yang dapat digunakan sebagai acuan penelitian selanjutnya. Pada tahap ini dilakukan study terhadap referensi-referensi yang terdapat pada jurnal tugas akhir, internet, dan bukubuku materi penunjang. Informasi yang dibutuhkan pada tahap ini adalah data base tentang prinsip dasar sel elektrolisis, fungsi elektrolisis, faktorfaktor yang mempengaruhi elektrolisis dan pengaruh dari komponen sel elektrolisis yang divariasikan terhadap hasil elektrolisis. Perumusan Masalah Dalam perumusan masalah haruslah menimbang dan memperkirakan masalah apa yang akan diangkat untuk dianalisa, dan bisa diselesaikan. Dalam tugas akhir ini yang diangkat adalah isu terkini yaitu metode elektrolisis yang dipakai untuk usaha mereduksi emisi dan bahan bakar alternativ dari hasil elektrolisis. Dimana permasalahan yang diangkat adalah bagaimana pengaruh bentuk/geometri elektroda terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan dan pengaruh larutan elektrolit dengan penambahan katalis terhadap laju pembentukan gas dan pH larutan. Menentukan Variasi Komponen Sel Elektrolisis dan Perhitungan Elektrolisis Setelah kita melakukan studi literatur dan mengumpulkan bahan pustaka. Maka selanjutnya kita menentuan Variasi
III.4
Komponen Sel Elektrolisis berdasarkan dasar teori yang ada dengan pertimbangan-pertimbangan tertentu. Komponen sel elektrolisis yang divariasikan meliputi jenis elektrolit, dimana semakin kuat elektrolit semakin cepat laju reaksi maka semakin banyak gas hasil elektrolisis yang terbentuk. Jenis elektrolit yang kita pilih berdasarkan sifatnya dan ditinjau juga dari segi ekonomis, maka dipilih NaCl, H2O, H2O + KOH. Selanjutnya adalah jenis, bentuk, dan konfigurasi elektroda. Jenis elektroda kita pilih berdasarkan deret volta dan segi ekonomis. Konfigurasi elektroda meliputi dimensi, dan jarak antar elektroda. Variasi bentuk elektroda meliputi variasi batang, spiral, lempengan halus, dan lempengan parut. Kemudian yang terakhir adalah variasi tegangan. Pembuatan Kotak Elektrolisis dan Variasi Komponen Sel Elektrolisis Pada tahap ini dilakukan pembuatan kotak elektrolisis. Yaitu sebuah kotak dimana proses elektrolisis akan berlangsung. Pada kotak tersebut diberi sekat menggantung (terdapat celah pada bagian bawah) dibagian tengahnya dan terdapat lubang dibagian atas kotak yang nantinya dihubungkan pada suatu plastik penampung gas. Hal ini ditujukan untuk mengukur gas hasil elektrolisis yang terbentuk meliputi jenis-jenis dan laju aliran gas yang dihasilkan. Kemudian kita membuat beberapa variasi bentuk/geometri konfigurasi elektroda yang jenisnya telah kita tentukan sebelumnya.
Gambar 3.2 : Rangkaian Percobaan Elektrolisis III.5 Pengambilan Data Elektrolisis Pada tahap ini, akan dicatat hasil eksperimen sesuai dengan kenyataan yang terjadi dan nantinya akan dibandingkan dengan teori pendukung yang ada. Pada tahap ini akan kita dapat data antara lain adalah pH larutan,
5
gas hasil elektrolisis, suhu awal dan akhir elektrolit, serta arus (I). Adapun rangkaian peralatan percobaan elektrolisis sesuai dengan gambar 3.2. Dimana kutub (-) adaptor dihubungkan pada ampere meter yang selanjutnya dihubungkan pada elektroda (katoda), sedangkan kutub (+) adaptor dihubungkan dengan elektroda (anoda) pada kotak elektrolisis. III.6 Visualisasi Data yang Didapat Pada tahap ini, data yang diperoleh meliputi pH larutan elektrolit, laju aliran gas pada masing-masing variasi jenis larutan elektrolit, elektroda, dan tegangan yang nantinya akan diolah sedemikian hingga didapatkan visualisasi dalam bentuk tabel, grafik dan kurva. III.7 Analisa Data dan Pembahasan Dari data yang telah didapat maka dilakukan analisa dengan membandingkan dengan perhitungan secara matematis dan berdasarkan teori yang ada dengan hasil penelitian. Faktorfaktor apa sajakah yang mempengaruhi elektrolisis dan pengaruh apa sajakah yang terjadi pada variasi komponen sel elektrolisis terhadap hasil elektrolisis. Selain itu data yang didapatkan, nantinya bisa dibuat sebagai bahan pertimbangan untuk perencanaan konfigurasi komponen sel elektrolisis yang lebih efektif dan effisien untuk hasil elektrolisis yang optimal. III.8 Kesimpulan Setelah semua tahap dilakukan, selanjutnya adalah menarik kesimpulan dari analisa data yang didapatkan setelah pengujian. Kesimpulan berdasarkan dari data yang diperoleh meliputi pH larutan elektrolit, suhu, laju aliran gas pada masing-masing variasi jenis larutan elektrolit, elektroda, dan tegangan. Dari kesimpulan ini maka akan didapat juga rekomendasi perbaikan sebagai bahan untuk penelitian selanjutnya.
IV.
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN IV.1 Variasi Jarak Antar Elektroda
Gambar 4.1 : Arus Vs Waktu Pada Variasi Jarak Antar Elektroda
Gambar 4.2 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Jarak Antar Elektroda
Gambar 4.3 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Jarak Antar Elektroda
Gambar 4.4 : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Jarak Antar Elektroda
6
Gambar 4.5 : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Jarak Antar Elektroda Dapat dilihat pada gambar 4.1 hubungan arus dengan waktu dimana semakin dekat jarak antar elektroda maka kuat arus akan semakin besar sehingga berpengaruh terhadap perubahan pH (katoda) yang lebih cepat dan menaikkan suhu elektrolit, serta terjadi penambahan volume gas hasil elektrolisis. Pada jarak 1 cm nilai pH pada anoda seharusnya lebih rendah (lebih asam) daripada jarak 3 cm, tetapi pada kenyataanya pH lebih basah seperti yang terlihat pada gambar 4.2. Hal ini terjadi karena pada variasi jarak 1 cm terjadi gelembung yang lebih cepat daripada jarak 3 cm, sehingga menimbulkan pergerakan fluida disekitar kedua elektrodanya yang menyebabkan percampuran pH yang seharusnya lebih asam menjadi basa. Hubungan antara kuat arus dan hambatan adalah berbanding terbalik dimana V=I x R. Jika pada tegangan yang sama nilai hambatan diperkecil maka nilai kuat arus akan menjadi besar, begitu juga sebaliknya. Hambatan disini dianalogikan pada jarak antar elektroda. Dimana semakin jauh jarak antar elektroda maka besar hambatan pergerakan elektron akan besar sehingga arus bernilai kecil. Semakin dekat jarak antar elektroda maka hambatan bernilai kecil sehingga nilai kuat arus menjadi besar dan mempengaruhi laju reaksi. IV.2 Variasi Bentuk Elektroda
Gambar 4.7a : Arus Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (spiral, lempeng, dan batang)
Gambar 4.7b : Arus Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (parutan dan lempeng)
Gambar 4.8a : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (spiral, lempeng, dan batang)
Gambar 4.8b : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (parutan dan lempeng)
Gambar 4.9a : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (spiral, lempeng, dan batang)
7
Gambar 4.9b : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (parutan dan lempeng)
Gambar 4.10a : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (spiral, lempeng, dan batang)
Gambar 4.10b : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (parutan dan lempeng)
Gambar 4.11b : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (parutan dan lempeng) Dari data yang diperoleh terlihat bahwa perbedaan hasil pengamatan tidak begitu mencolok antara bentuk elektroda spiral, lempeng, dan batang. Dimana bentuk lempeng menghasilkan gas yang lebih banyak dibandingkan dengan bentuk spiral dan batang, hal tersebut dapat dilihat pada gambar 4.7a-4.11a. Kemudian pada jenis yang sama (stainlesstel), dibandingkan antara bentuk lempeng dengan parut dengan ukuran dasar yang sama. Terlihat pada gambar 4.7b-4.11b bahwa elektroda bentuk parut menghasilkan gas yang lebih banyak dibandingkan dengan bentuk lempeng. Hal ini disebabkan oleh tambahan luasan dari tonjolan lancip pada parutan. Sehingga luas permukaan sentuh pada bentuk parutan lebih besar. Hal ini sesuai yang ada pada dasar teori yang menyebutkan bahwa salah satu yang mempengaruhi laju reaksi adalah luasan dari permukaan sentuh (antara elektroda dan elektrolit). Elektrode dengan bentuk parut mempunyai luasan yang lebih luas daripada elektroda dengan bentuk lempeng. Reaksi hanya terjadi pada bidang batas campuran yang selanjutnya kita sebut bidang sentuh. Oleh karena itu, makin luas bidang sentuh maka makin cepat reaksi. IV.3 Variasi Luas Dasar Elektroda
Gambar 4.13 : Arus Vs Waktu Pada Percobaan Variasi Luas Dasar Elektroda
Gambar 4.11a : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Bentuk Elektroda (spiral, lempeng, dan batang)
8
luas permukaan sentuh. Dimana semakin luas permukaan sentuh elektroda dengan elektrolit maka laju reaksi semakin cepat. Hasil pada variasi luasan elektroda adalah semakin luas elektroda maka laju reaksi semakin cepat. IV.4 Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.14 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Percobaan Variasi Luas Dasar Elektroda
Gambar 4.19 : Arus Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.15 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Percobaan Variasi Luas Dasar Elektroda
Gambar 4.20 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.16 : Temperature Vs Waktu Pada Percobaan Variasi Luas Dasar Elektroda
Gambar 4.21 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.17 : Volume Gas Vs Waktu Pada Percobaan Variasi Luas Dasar Elektroda Pada penelitian diperoleh hasil yang terlihat pada gambar 4.13-4.17 bahwa elektroda dengan luasan 4x8 cm menghasilkan arus dan gas hasil elektrolisis yang lebih besar daripada elektroda dengan luasan 1x7 cm. Hal ini disebabkan karena salah satu yang mempengaruhi laju reaksi adalah
9
Hasil dari variasi jenis elektrolit ini adalah elektrolit berupa air laut memiliki hasil laju reaksi yang lebih cepat. IV.5 Variasi Jenis Elektroda
Gambar 4.22 : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.25 : Arus Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektroda
Gambar 4.23 : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektrolit
Gambar 4.26 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektroda
Gambar 4.24: Gambar elektroda hasil elektrolisis pada variasi elektrolit. Dari data yang diperoleh sesuai dengan gambar 4.19 sampai 4.24 dapat dilihat bahwa semakin korosif sifat suatu elektrolit maka semakin cepat mempengaruhi laju reaksi. Terlihat dari ketiga elektrolit yang dicoba [H2O, H2O+KOH, dan Air laut(NaCl)], laju reaksi dengan menggunakan elektrolit Air laut terbukti lebih cepat dari yang lainnya. Hal ini dapat ditunjukkan dengan adanya perubahan pH yang sangat signifikan dan waktu reaksi yang cepat (menghabiskan elektoda, bersifat sangat korosif). Dari hasil elektrolisis dengan elektrolit yang berbeda, dihasilkan bentuk akhir elektroda yang berbeda juga. Dimana elektroda dengan elektolit H2O + KOH yang dielektrolisis selama 90 menit tidak tergerus habis hanya terjadi perubahan warna saja dan itu tidak permanen. Sedangkan pada elektroda dengan elektrolit air laut, luasan yang tercelup elektrolit tergerus habis dalam 19 menit.
Gambar 4.27 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektroda
Gambar 4.28 : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektroda
10
Gambar 4.29 : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Jenis Elektroda
Gambar 4.32 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Besar Tegangan
Dari data diatas sesuai dengan gambar 4.25-4.29 terlihat bahwa stainlesteel menghasilkan arus lebih besar dari yang lainnya. Selain itu stainlesteel juga tidak habis bereaksi dan menghasilkan gas hasil elektrolisis yang konstan dan relative besar. Dari sini dapat direkomendasikan elektroda stainlesteel digunakan sebagai elektroda pada hydrogen generator penghasil brown gas. Dimana yang diperlukan adalah hasil gas yang banyak dan konstan dalam jangka waktu lama. Selain itu elektroda stainlesteel juga direkomendasikan sebagai elektroda pada elektrolisa air laut dalam rangka mengdapatkan larutan asam dan basah yang nantinya digunakan untuk penurunan kadar emisi pada mesin diesel. Dimana jenis elektroda ini dipadukan dengan elektrolit air laut akan menghasilkan arus yang tinggi dan elektroda lebih lama habis jika dibandingkan dengan elektroda yang lainnya.
Gambar 4.33 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Besar Tegangan
IV.6 Variasi Besar Tegangan (Voltase)
Gambar 4.34 : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Besar Tegangan
Gambar 4.31 : Arus Vs Waktu Pada Variasi Besar Tegangan
Gambar 4.35 : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Besar Tegangan
11
Dari gambar 4.31 hubungan arus dengan waktu terlihat bahwa pada variasi 24 V menghasilkan arus yang lebih besar daripada variasi 12 V. Dimana V=I x R, dengan I=arus R=hambatan Dari hubungan tersebut dapat kita ketahui jika pada hambatan yang tetap nilai tegangan dinaikkan maka nilai arus akan naik karena kuat arus berbanding lurus dengan tegangan. Fungsi waktu akan menyebabkan material yang habis tergerus sehingga menyebabkan luas permukaan sentuh berkurang dan mempengaruhi besar arus selanjutnya (menit ke 60-90) yang kemudian akan mempengaruhi gas dan pH hasil dari elektrolisis itu sendiri. Pada persamaan (vi) pada dasar teori diatas disebutkan hubungan antara kuat arus dengan hasil elektrolisis. Dimana semakin besar nilai kuat arus maka nilai w (berat hasil elektrolisis) akan bertambah besar.
Gambar 4.38 : pH (katoda) Vs Waktu Pada Variasi Penambahan Katalis
IV.7 Variasi Penambahan Katalis (KOH)
Gambar 4.39 : Temperature Vs Waktu Pada Variasi Penambahan Katalis
Gambar 4.36 : Arus Vs Waktu Pada Variasi Penambahan Katalis
Gambar 4.40 : Volume Gas Vs Waktu Pada Variasi Penambahan Katalis
Gambar 4.37 : pH (anoda) Vs Waktu Pada Variasi Penambahan Katalis
Penambahan katalisator (KOH) akan mempengaruhi besar konsentrasi larutan (elektrolit). Dapat dilihat dari gambar 4.36-4.30 dimana semakin besar konsentrasi suatu larutan pereaksi, maka akan semakin besar pula laju reaksinya. Pada dasar teori menyatakan bahwa katalisator dan besar konsentrasi dari elektrolit mempengaruhi laju reaksi. Katalisator adalah zat yang dapat mempercepat laju reaksi, tetapi zat tersebut tidak mengalami perubahan yang kekal (tidak dikonsumsi atau tidak dihabiskan). Katalisator mempercepat reaksi karena dapat menurunkan energi pengaktifan.
12
IV.8 Variasi kapasitas aliran fluida (Q)
Gambar 4.41 : pH Vs Waktu Pada Variasi Kapasitas Aliran Fluida
Gambar 4.42 : Temperatur Vs Waktu Pada Variasi Kapasitas Aliran Fluida
Gambar 4.43 : Temperatur Vs Waktu Pada Variasi Kapasitas Aliran Fluida
Gambar 4.44 : Temperatur Vs Waktu Pada Variasi Kapasitas Aliran Fluida
Proses elektrolisis dilakukan pada 33 menit pertama, sehingga anoda menjadi asam dan katoda menjadi basa kemudian dilanjutkan dengan mengaliran elektrolit pH awal=9 dengan nilai kapasitas aliran yang divariasikan (Q=10 ml/s dan Q=23 ml/s) selama beberapa menit. Dari gambar 4.41-4.44 terlihat bahwa semakin besar kapasitas aliran fluida maka laju reaksi penetralan akan semakin cepat. Pada perhitungan terlihat bahwa nilai laju penetralan dengan Q=23 ml/s lebih besar dari pada nilai laju penetralan dengan Q=10 ml/s. Hal ini terjadi akibat kapasitas fluida dengan pH awal=9 yang dialirkan semaikin besar maka laju alirannya pun besar. Semakin besar laju aliran maka semakin cepat proses penetralan elektrolit tersebut. V. PENUTUP V.1. Kesimpulan Dari analisa data dan pembahasan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Semakin dekat jarak antar elektroda maka kuat arus akan semakin besar sehingga berpengaruh terhadap perubahan pH yang lebih cepat dan menaikkan suhu elektrolit, serta terjadi penambahan volume gas hasil elektrolisis. 2. Variasi bentuk dengan luasan yang sama tidak mempengaruhi laju reaksi. Tetapi semakin luas permukaan sentuh elektroda dengan elektrolit maka laju reaksi semakin cepat. Elektroda dengan bentuk parut menghasilkan laju reaksi yang cepat dibandingkan dengan variasi bentuk yang lainnya (lempeng, batang, dan spiral). Pengikisan elektroda akibat proses elektrolisis mempengaruhi luas permukaan sentuh elektroda dengan elektrolit sehingga besar arus dan gas hasil elektrolisis semakin lama semakin berkurang seiring dengan terkikis habisnya elektroda. 3. Elektroda dengan jenis stainlesteel menghasilkan arus yang besar dan gas hasil elektrolisis yang konstan/stabil dengan menggunakan elektrolit KOH. Selain itu stainlesteel menghasilkan arus yang besar dan perubahan pH yang besar dengan menggunakan elektrolit air laut. Oleh karena itu elektroda dengan jenis stainlesteel direkomendasikan dipakai sebagai elektroda pada hydrogen generator penghasil brown gas dan diesel reduksi SOx-NOx dari motor dengan metode elektrolisis (wet scrubber). 4. Penambahan katalis akan mempercepat laju reaksi dimana Katalis dapat
13
menurunkan energi pengaktifan menaikkan konsentrasi elektrolit.
dan
V.2. Saran Pada proses elektrolisis, terbentuknya gas hasil elektrolisis sangatlah penting untuk dianalisa lebih dalam. Hal ini menyangkut tentang pengaruh kandungan gas-gas hasil elektrolisis seperti Hydrogen, gas brown (H-H-O), Flourade gas terhadap performa motor diesel. Sehingga perlu diadakan pengujian pada kandungan gas hasil elektrolisis. VI. DAFTAR PUSTAKA 1. Totok Sugianto, Jurnal TA, PENURUNAN KADAR Nox DAN Sox PADA MOTOR DIESEL BERBAHAN BAKAR MDO DENGAN METODE ELEKTROLISA AIR LAUT, Surabaya, 2009 2. Gunawan, Hemat BBM dengan methode elektrolisis / Brown Energy (Electrolyzer), (http://wap.unisurf.co.il/lnk000/=my.opera.com/sury agunawan/) 3. Purba Michael, KIMIA untuk SMA KELAS XI, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2001 4._____,Sifat Kimia dan Fisika Air,http://id.wikipedia.org/wiki/Air 5._____,DERET VOLTA, (http://id.wikipedia.org/wiki/Deret_volta) 6. _____,Reduksi dan Oksidasi, (http://id.wikipedia.org/wiki/Redoks) 7. Purba Michael, KIMIA untuk SMA KELAS X, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2000
14
