OPTIMASI ADSORPSI ION NaCl PADA ELEKTRODA CAPASITIVE DEIONIZATION DENGAN MEMBRANE ION EXCHANGE Ellys Kumala P 1111201206
Dosen Pembimbing Endarko, M.Si Ph.D Dr. Melania Suweni M, MT
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
Pendahuluan
LATAR BELAKANG - Air merupakan salah satu kebutuhan
terpenting bagi kehidupan manusia - Pada tahun 2025 manusia diperkirakan akan mengalami krisis air bersih(Buerkle,2007) - Air laut sebagai sumber air yang belum dimanfaatkan secara maksimal untuk kebutuhan air manusia - Teknologi CDI di mulai pada tahun 1960 oleh Blair tentang demineralisasi air secara elektrokimia dan berkembang hingga saat ini.
Perlu dilakukan peningkatan kinerja sistem desalinasi pada sistem kapasitif deionisasi sebagai teknologi hemat energi agar didapatkan peningkatan pengurangan kadar garam
Tujuan
Manfaat
• Melakukan pembuatan elektroda untuk sistem CDI • Merancang dan membuat sistem desalinasi CDI • Melakukan optimasi penyerapan ion NaCl pada elektroda sistem CDI
• Pemanfaatan teknologi baru yaitu Membrane capasitive deionization untuk pemenuhan kebutuhan air bersih dengan sistem desalinasi yang hemat energi dan ramah lingkungan • Meningkatkan penyerapan ion garam pada sistem CDI sehingga air tawar yang dihasilkan semakin banyak
Tinjauan Pustaka Capasitive Deionisation (CDI) Teknologi desalinasi yang menggunakan prinsip kerja kapasitor
dalam penyerapan ion NaCl dalam air. Digunakan elektroda karbon berporous dengan tegangan DC 1-1,8 V -
-
Air garam
- + + - +
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
-
Air tawar
+ +
+
+
(Park, 2011)
Air garam dialirkan diantara dua plat elektroda
ion negatif dan positif akan terpisah terikat elektroda karbon
Pembuatan Elektroda Bahan Penyusun Elektroda CDI Karbon aktif
Arang yang telah mengalami karbonisasi dan aktivasi secara kimia maupun fisika sehingga memiliki luas permukaan yang besar (300-3500 m2/g) yang menyebabkan daya serap terhadap ion tinggi Polimer Poli Vinil Alkohol
Polimer PVA dipilih sebagai binder karbon karena merupakan polimer hidrofilik sehingga meningkatkan tingkat kebasahan pada permukaan elektroda. PVA dapat dibentuk menjadi hidrogel dalam kandungan air dengan metode freeze/thawing, irradiasi gamma, crosslinking kimiawi dan fotopolimerisasi. (Zou, 2011)
Pembuatan Elektroda Pembentukan Ikatan Polimer Elektroda • Metode Crosslinking Proses kimiawi penggabungan dua atau lebih molekul dengan ikatan kovalen. Ikatan crosslinking polimer dibentuk oleh PVA dan glutaric acid yang diinisiasi oleh temperatur antara 100- 120 oC • Pembentukan Crosslinking PVA -Glutaric Acid
(Park, 2011)
Membran Penukar Ion
Membrane Capasitive Deionzation
Elektroda Karbon
Kolektor Arus
Membran Penukar Ion
(Biesheuvel, 2009)
Proses Penyerapan Ion garam Pergerakan ion 1. Konveksi karena adanya gaya mekanik berupa laju aliran 2. Migrasi karena adanya gaya listrik 3. Difusi karena adanya perbedaan konsentrasi pada permukaan elektroda dan larutan
∆V C
A
2e-
(+)
Anoda
2Cl-
Cl2
+
Cl2
H2
ClCl-
OH-
Cl-
Na+
Na+
2e(-) Katoda
2H2O
2eNaCl
+ 2e-
2OH- +H2
(Des Eaux, 1996)
Faktor-faktor yang mempengaruhi penyerapan ion garam Kapasitansi Elektroda CDI
Kapasitansi elektroda menunjukkan kemampuan elektroda dalam penyimpanan muatan. Kapasitansi ini ditentukan dengan pengujian menggunakan Electrical Impedance Spectroscophy. Laju Aliran
Laju aliran larutan ini menentukan kecepatan mobilitas ion-ion ketika terabsorb dalam elektroda. Laju aliran yang semakin cepat akan menyebabkan ion-ion garam sulit terserap kedalam elektroda. Tegangan listrik
Perbedaan potensial pada pergerakan muatan merupakan energi yang dibutuhkan agar muatan dapat bergerak menuju elektroda. Semakin besar beda potensial yang diberikan pada elektroda maka muatanmuatan akan semakin cepat bergerak menuju elektroda (Zou et al , 2011).
Sel CDI tanpa Membran
∆V
+ + -
(+)
Anoda
+ + +
- + -
-
-
-
-
+
+
+
+ -
-
+ + +
-
+
-
+
+
-
-
+
Larutan NaCl
+
-
+ + +
+ + - +
(-) Katoda
Penggunaan membran penukar ion
∆V C
A + + -
(+)
Anoda
-
- + + - + + -
+ +
-
-
++ +
-
-
+ + +
+ + + + + + + -+ - + +
Larutan NaCl
(-) Katoda
(Zhao, 2011)
Optimasi Model matematis Regresi Berganda Pembentukan model matematis pemasalahan dengan
2 atau lebih variabel untuk dianalisis hubungannya
Variabel Repons
Variabel Terikat
Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 +b3 X3 + b4 X12 + b5 X22 +b6 X32 + b7
X1 X2 + b8 X2 X3
(2.1)
Pembentukan Matrik Regresi Apabila dimisalkan X12 = X4 , X22 = X5 dan seterusnya Didapatkan : Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 +b3 X3 +b4 X4 + b5 X5+ b6 X6+b7 X7+b8 X8+ b9 X9 Maka dapat dibentuk matrik sebagai berikut :
𝑦1 𝑦2 Y= ⋮ ⋮ 𝑦𝑛
1 𝑥11 1 𝑥21 X = ⋮ ⋮ 1 𝑥𝑛1
𝑥12 𝑥22 ⋮ 𝑥𝑛2
… … …
𝑥1𝑘 𝑥2𝑘 B= ⋮ 𝑥𝑛𝑘
𝑏0 𝑏1 ⋮ ⋮ 𝑏𝑛
Maka didapatkan persamaan matriks Y = B X Matrik koefisien regresi didapatkan sebagai berikut : 𝑩 = 𝑿𝑿′
(2.2)
(2.3)
−𝟏 𝑿′𝒀
(Montgomery, 2005)
Algoritma Genetik Metode algoritma genetik diinspirasi oleh teori-teori dalam ilmu
biologi, yang didasarkan atas mekanisme evolusi biologi. Individu
Lingkungan
Populasi
Kompetisi
-Adaptasi - Berkembangbiak - Mutasi
Individu optimal
Metodologi Penelitian
Tahapan Penelitian
Pembuatan elektroda
Pengujian elektroda
Pembuatan sistem desalinasi
Pengujian sistem desalinasi
Optimasi sistem desalinasi
Pengujian optimasi sistem desalinasi
Pembuatan Elektroda Bahan elektroda
Karbon aktif
Karbon aktif berbentuk serbuk dengan ukuran 140 µm
PVA
Mw = 60.000 gr/mol Degree of hydrolysis 98%, Merck Germany
Glutaric Acid
Mr =132.11 gr/mol Sigma Aldrich Germany
Aluminium
Pembuatan elektroda
50 mL aquades dipanaskan hingga suhu 100 0C
1 gr PVA di tambahkan ke dalam aquades
Larutan PVA & aquades di stirrer di selama 30 menit hingga homogen
Setelah elektroda memadat dan kering. Elektroda kemudian di furnace dengan suhu 100-120 oC sesuai tipe elektroda
Pemanasan dimatikan. 20 gr Karbon aktif ditambahkan ke dalam larutan hingga suhu ruang
0.5 gr Glutaric Acid ditambahkan ke dalam campuran
Campuran dicetak dalam cetakan aluminium ukuran 8x6x0.5 cm3 di keringkan selama 4 hari
Campuran di stirrer selama 4 jam pada suhu ruang
Tabel Variasi Suhu Pembuatan Elektroda No.
Tipe Elektroda
Suhu Crosslinking (C)
1
A_T120
120
2
B_T110
110
3
C_T100
100
• Pengujian Elektroda • Pengujian SEM mengetahui struktur permukaan elektroda
• Pengujian Voltametri Siklik mengetahui sifat dan perilaku elektrokimia pada elektroda
• Pengujian Electrical Impedance Spectroscophy mengetahui nilai kapasitansi dan resistansi pada elektroda
Pembuatan Sistem Desalinasi
Sistem Desalinasi Larutan NaCl 0.5 M
Salinity Meter
Power Supply
Sistem CDI
Manual Valve
Tabel Variasi Pengujian Sistem CDI No
Parameter
Variasi
1
Kapasitansi
A_T120
B_T110
C_T100
2
Tegangan (Volt)
1,2
1,4
1,5
1,6
1,8
3
Laju Aliran (mL/ menit)
5
10
15
20
25
4
Membran
Membran
Tanpa membrane
Pembentukan Model Matematis Data Hasil Eksperimen
Pembentukan matrik variable bebas dan varibel terikat
Perhitungan matrik koefisien regresi dengan matlab
Hasil Optimasi dan Parameterparameternya
Optimasi Algoritma Genetik
Hasil dan Pembahasan
Hasil Pengujian Elektroda • Pengujian SEM
Elektroda A_T120
Elektroda B_T110
Elektroda C_T100
Hasil Pengujian Elektroda • Pengujian Voltametri Siklik
Tipe
Arus Maksimum (mA)
A_T120
5.75
B_T110
4.89
C_T100
4.1
(Wang,2007)
Hasil Pengujian Elektroda • Pengujian Electrical Impedance Spectrocophy Kapasitansi Spesifik
Resistansi
Park,2011
Rangkaian Ekulivalen hasil EIS Anoda
Katoda
Elektrolit e-
e-
Na+
Cl-
Rct,k
Rct,a
RΩ Cdl,a
Cdl,k
dl = double layer , ct = charge transfer
Tipe
Kapasitansi
A_T120
627 μMho
B_T110
362 μMho
C_T100
100 μMho
Hasil Pengujian Sistem CDI • Pengujian Osiloskop
Elektroda B_T110
Elektroda A_T120
Elektroda C_T100
Hasil Desalinasi Variasi Tipe Elektroda Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt
Tipe
Kapasitansi
Maks % pengurangan kadar garam
A_T120
627 μMho
58.58 %
B_T110
362 μMho
25.06 %
C_T100
100 μMho
15.99 %
Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran Pengukuran dilakukan pada tegangan1,5 Volt
Elektroda B_T110
Elektroda A_T120
Elektroda C_T100
Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran
Tipe
Laju Aliran
Maks % pengurangan kadar garam
A_T120
10 mL/mnt
58.58 %
B_T110
10 mL/mnt
25.06 %
C_T100
5 mL/mnt
16.86 %
Hasil Desalinasi Variasi Tegangan Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL /mnt
Elektroda A_T120
Elektroda C_T100
Elektroda B_T110
(Zou,2011)
Hasil Desalinasi Variasi Tegangan
Tipe
Tegangan
Maks % pengurangan kadar garam
A_T120
1.5 Volt
58.58 %
B_T110
1.8 Volt
31.87 %
C_T100
1.8 Volt
18.32 %
Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan Membran penukar ion Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt
Elektroda A_T120
Elektroda C_T100
Elektroda B_T110
(Zou,2011)
Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan Membran penukar ion
Tipe
Tanpa Membran
Dengan Membran
A_T120
58.58 %
59.09%
B_T110
25.06 %
26.21 %
C_T100
15.99 %
16.52%
Model Matematis Persamaan model matematis :
Grafik nilai respon data eksperimen dan Model matematis
Fungsi Fitness Algoritma Genetik
Hasil optimasi secara modeling
Nilai fitness maksimum 70.34 % dengan parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho, kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt, dan penggunaan membrane X4 (1).
Hasil Optimasi Hasil Eksperimen
Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 59,09 % dengan parameter –parameter kapasitansi 627 μMho, kecepatan aliran 10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane. Hasil Model Matematis Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 70.34 % dengan parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho, kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt, dan penggunaan membrane X4 (1).
Kesimpulan • Telah dilakukan pembuatan sistem desalinasi CDI dengan menggunakan dapat menggunakan metode pembentukan ikatan crosslinking dengan komposisi karbon aktif dari tempurung kelapa, PVA dan glutaric acid adalah 20: 1: 0,5 gr • Hasil eksperimen menujukkan Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 59,09 % dengan parameter – parameter kapasitansi 627 μMho kecepatan aliran 10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane.
• Hasil optimasi secara model matematis nilai fitness maksimum yang didapatkan 70.34 % dengan parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho, kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt, dan penggunaan membrane X4 (1).
Saran • Pembuatan Elektroda CDI dengan penggunaan arus kolektor yang lebih baik misalnya mengunakan bahan-bahan inert seperti grafit sheet agar memiliki daya tahan yang lama terhadap proses elektrokimia yang terjadi didalam sel CDI. • Desain sistem CDI dengan penambahan membran perlu diperbaiki agar didapatkan pengurangan kadar garam yang lebih besar. • Penggunaan pompa peristaltik diperlukan agar dapat menjaga aliran larutan garam konstan sesuai laju aliran yang diharapkan.
Terimakasih Referensi 1. Haibo Li, Linda Zou, 2011, Ion-Exchange Membrane Capacitive Deionization: A New Strategy For Brackish Water Desalination, Desalination, 275, 62–66 2. R.Zhao,O Satpradit, H.H.M Rijanaarts, P.M Biesheuvel, A. van del val, 2013 ,“Optimization Of Salt Adsorption Rate In Membrane Capacitive Deionization “, Water Research ,47, 1941-1952 3. Park Byeong-Hee et al,2011 Capacitive deionization using a carbon electrode prepared with watersoluble poly(vinyl alcohol) binder, Journal of Industrial and Engineering Chemistry , 717–722
