PRODUKSI GAS OKSIGEN MELALUI PROSES ELEKTROLISIS AIR LAUT SEBAGAI SUMBER ENERGI RAMAH LINGKUNGAN OXYGEN EVOLUTION IN SEAWATER ELECTROLYSIS AS ECO-FRIENDLY ENERGY SOURCE Anindita Hardianti* dan Wahyono Hadi** Jurusan Teknik Lingkungan FTSP-ITS *email:
[email protected] **email:
[email protected] Abstrak Meningkatnya penggunaan BBM mengakibatkan kelangkaan BBM dan meningkatnya emisi. Gas oksigen hasil elektrolisis dapat meningkatkan efisiensi pembakaran BBM, sehingga dapat menghemat konsumsi BBM dan menurunkan emisi. Oleh karena itu, dilakukan penelitian dengan tujuan menganalisis produksi gas oksigen, menganalisis aplikasi gas oksigen menjadi energi ramah lingkungan dan mengetahui hubungan antara jenis elektrolit, kadar elektrolit dan tegangan listrik terhadap oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis. Pada penelitian ini dilakukan elektrolisis larutan elektrolit dengan elektroda grafit. Variasi penelitian yang digunakan adalah jenis elektrolit (NaCl dan KOH), kadar elektrolit (untuk larutan NaCl adalah 0,5‰, 10‰ dan 35‰, sedangkan untuk larutan KOH adalah 0,00982M, 0,157M dan 0,559M) dan tegangan listrik (2,1 V, 9 V dan 13 V). Seluruh percobaan dalam penelitian ini menghasilkan gas oksigen. Gas oksigen dari penelitian ini belum dapat diaplikasikan sebagai energi ramah lingkungan, karena tidak dapat menghasilkan energi sebesar 50% dari energi yang digunakan. Selain itu, proses elektrolisis ini dipengaruhi dengan jenis elektrolit, kadar elektrolit dan tegangan listrik. Jenis elektrolit KOH menghasilkan gas oksigen terbesar, yaitu 26,3mL. Kadar elektrolit tertinggi (0,559M) menghasilkan gas oksigen terbesar yaitu 26,3mL. Tegangan listrik tertinggi (13 V) menghasilkan gas oksigen terbesar yaitu 26,3mL. Kata kunci : Elektrolisis,Gas Oksigen, KOH, NaCl Abstract Increased use of petrol resulted in petrol sortages and rising emissions. The oxygent that produced from electrolysis can increase petrol combution efficiency, thus saving petrol consumption and reduce emissions. Therefore conducted the research with the aim to determine to analyze oxygen production, to analyze the application of the oxygen as eco-friendly energy resource, and to know the connection between the type of electrolyte, the concentration of electrolyte and voltage to oxygen evolution from electrolyte electrolysis. Electrolysis electrolyte solution has been done by graphite as electrode. Variation in this research were type of electrolyte (NaCl and KOH), concentration of electrolite (0,5‰, 10‰ and 35‰ for NaCl solution otherwise, 0,00982M, 0,157M dan 0,559M for KOH solution), and voltage (2,1 V, 9 V dan 13 V). The entire
1
experiment in this research produced oxygen. The oxygen that produced cannot applicated as ecofriendly energy resource, because the energy that produced cannot seize 50% energy that had been used. Hence, electrolysis were influenced by its variable. Electrolyte type KOH produced the largest gas, 26,3mL. The highest electrolyte concentration produced the largest gas, 26,3mL. The highest voltage produced the largest gas, 26,3mL. Key word : Electrolysis, KOH, NaCl, Oxygen
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sebagian besar wilayah Indonesia kerap kali mengalami kelangkaan BBM, terutama di pulaupulau kecil. Kelangkaan BBM tersebut disebabkan oleh meningkatnya penggunaan BBM di Indonesia, sedangkan pasokan BBM semakin menurun. Kondisi tersebut sangat menghambat aktifitas penduduk, bahkan masyarakat tersebut sering kesulitan untuk mengakses fasilitas kesehatan karena kehabisan BBM. (Sriwijaya Post, 2011; Tribun News, 2011; Hans, 2009). Oleh karena itu dibutuhkan penelitian yang dapat menghasilkan materi untuk menghemat penggunaan BBM pada kendaraan bermotor. Peningkatan penggunaan BBM untuk transportasi meningkatkan gas-gas rumah kaca. Gas rumah kaca yang dihasilkan dari pembakaran BBM pada alat transportasi adalah CO2, CH4, NOx, SOx. Peningkatan gas rumah kaca dapat meningkatkan suhu bumi hingga 7°C yang menimbulkan ketidakseimbangan terhadap kehidupan di bumi. Oleh karena itu, dibutuhkan pula penelitian yang dapat menghasilkan materi untuk mengurangi emisi pada kendaraan bermotor (Waryono, 2008). Materi yang bila ditambahkan pada pembakaran BBM dapat menghemat penggunaan BBM dan menurunkan emisi gas buang adalah gas HHO (Fitriah, 2009; Halim, 2009; Wicaksono, 2009). Gas HHO ini merupakan gas campuran gas oksigen dan gas hidrogen yang dapat dihasilkan melalui proses elektrolisis air laut (Huang dkk., 2008; Abdel Ghany dkk., 2002; Belmont dkk., 1998; Abdel-Aal dkk., 1993; Bennett, 1980). Penelitian mengenai penambahan gas HHO pada ruang bakar mesin diesel hanya dapat menghemat bahan bakar sebesar 1%. Penurunan emisi mesin diesel dengan menambahkan gas HHO dalam ruang bakarnya dapat menurunkan kadar SOx hingga 59,5%. Selain itu, penambahan gas tersebut juga dapat menurunkan gas NOx hingga 62% (Sugianto, 2009). Penelitian lain mengenai penghematan BBM dan penurunan emisi dengan menambah gas HHO juga dilakukan oleh Fitriah (2009), Halim (2009), dan Wicaksono (2009). Menurut Halim (2009), penggunaan gas HHO dari elektrolisis larutan KOH dapat menghemat bahan bakar hingga 22% dengan produksi gas rata-rata 0,376 mL/detik. Selain itu, penggunaan gas HHO dari elektrolisis larutan KOH dan BBM dapat meningkatkan kualitas gas buang kendaraan bermotor. Penggunaan gas ini pada produksi gas sebesar 0,389mL/detik dapat mengurangi emisi gas CO hingga 95% dan HC sebesar 72%. Penyebab hematnya BBM tersebut adalah unsur hidrogen pada gas HHOyang dapat meningkatkan kalor dalam pembakaran ruang bakar. Selain itu, nilai oktan BBM ditingkatkan oleh unsur oksigen pada gas HHO. Oleh karena itu, panas yang dibutuhkan untuk menjalankan mesin berbahan bakar BBM dan gas HHO, dapat dicapai dengan jumlah BBM yang lebih sedikit dibandingkan mesin berbahan bakar BBM (Fitriah, 2009; Halim, 2009; Wicaksono, 2009).
2
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Fitriah (2009), Halim (2009), Sugianto (2009) dan Wicaksono (2009) penambahan gas HHO pada kendaraan bermotor juga dapat menurunkan emisi gas buang kendaraan. Penurunan emisi gas SOx, NOx, CO dan HC pada penelitian-penelitian tersebut disebabkan oleh pembakaran yang hampir sempurna dengan penambahan unsur oksigen dari gas HHO. Oleh karena itu, keberadaan gas oksigen dalam penelitian-penelitian elektrolisis perlu diperhatikan (Arijanto, 2010).
1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan uraian yang tercantum pada latar belakang, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Berapa volume gas oksigen yang dihasilkan dari elektrolisis air laut buatan/artificial dan larutan KOH? 2. Apakah gas oksigen yang dihasilkan dapat menghasilkan energi yang lebih besar dari energi yang digunakan? 3. Bagaimana hubungan antara jenis elektrolit, kadar elektrolit dan pemberian energi potensial terhadap gas oksigen yang dihasilkan melalui proses elektrolisis?
1.3. Tujuan Penelitian Berdasarkan rumusan malasah penelitian, maka ditetapkan tujuan dari penelitian ini. Tujuan penelitian ini adalah: 1. Menganalisis produksi gas oksigen; 2. Menganalisis aplikasi gas oksigen menjadi energi ramah lingkungan; 3. Menganalisis hubungan antara jenis elektrolit, kadar elektrolit dan pemberian energi potensial terhadap gas oksigen yang dihasilkan melalui proses elektrolisis.
1.4. Teori Elektrolisis air laut Penelitian-penelitian mengenai elektrolisis air laut dilakukan dengan menggunakan air laut alami dan ada pula yang menggunakan air laut artificial. Penelitian-penelitian tersebut memiliki berbagai tujuan seperti: 1. Menghasilkan gas hidrogen sebagai sumber energi terbarukan (Shannon, 1984; El-Bassuoni dkk., 1982; Bennett, 1979) 2. Menghasilkan energi terbarukan dengan “merecycle” gas karbon dioksida dengan gas hidrogen, hasil elektrolisis, untuk menghasilkan gas metana (CH4). Kemudian gas tersebut dibakar dengan gas oksigen untuk meningkatkan kualitas gas buang hasil pembakaran (Abdel Ghanny dkk., 2002; Hashimoto dkk., 1999; Izumiya dkk., 1998). 3. Meningkatkan kualitas udara dengan pembakaran gas hirogen dan gas oksigen hasil elektrolisis (Kotz dkk., 2006). 4. Menghasilkan desinfektan (Jung Jung dkk., 2010; Huang dkk., 2008; Belmont dkk., 1998; Abdel-Aal dkk., 1993).
3
5. 6.
Menghilangkan endapan pada elektroda menggunakan gas oksigen hasil elektrolisis air laut (Shannon 1984). Menghasilkan air bersih (Ferrigno dkk., 1998; El-Bassuoni dkk., 1982)
Produksi utama dalam elektrolisis air laut adalah gas hidrogen. Gas ini memiliki efisiensi yang sangat tinggi dalam proses elektrolisis air laut. Berdasarkan perhitungan nerst terhadap potensial standar elektroda, pembentukan gas hidrogen memiliki potensial standar yang lebih tinggi dibandingkan dengan reaksi ion yang lain pada sel elektrolisis (Abdel-Aal dan Hussein, 1993). Selain gas hidrogen, tidak terdapat pembentukan gas lain pada katoda. Ion positif, selain ion hidrogen, yang berada di sekitar katoda mengalami reaksi pembentukan endapan, Mg(OH)2 dan Ca(OH)2 (Ferrigno dkk., 1998; Abdel-Aal dan Hussein, 1993; El-Bassuoni dkk., 1982; Kirk dan Ledas, 1982; Bennett, 1979), serta reaksi ion hidroksil dan ion natrium membentuk basa kuat, natrium hidroksida. Persamaan reaksi pembentukan natrium hidroksida dari ion hidroksil dengan ion natrium berdasarkan Abdel-Aal dan Husein (1993) dan El-Bassuoni dkk. (1982), dapat dilihat pada Persamaan 2.21. Persamaan reaksi pembentukan natrium hidroksida dari natrium klorida dan ion hidroksil menurut Huang dkk. (2008) dapat dilihat pada Persamaan 2.22. OH- + Na+ NaOH
(1.1)
NaCl + 2OH- 2NaOH + Cl-
(1.2)
Gas hidrogen yang terbentuk pada proses elektrolisis berasal dari reaksi reduksi air pada katoda. Peningkatan pH pada larutan di sekitar katoda disebabkan oleh peningkatan ion hidroksil hasil reduksi air (Ferrigno dkk., 1998). Reaksi reduksi air laut menjadi gas hidrogen dan ion hidroksil menurut Kirk dan Ledas (1982), Skoog dkk. (2004), Fitriah (2010) dan Halim (2010) (dapat dilihat pada Persamaan 2.23). 2e- + 2H2O ⇌ H2 + OH-
(1.3)
Gas lain yang terbentuk pada sel elektrolisis ini adalah gas oksigen dan gas klorin. Reaksi pembentukan gas oksigen merupakan reaksi yang lebih anodik dibandingkan dengan reaksi pembentukan gas klorin. Energi yang dibutuhkan untuk membentuk gas oksigen lebih rendah dibandingkan dengan gas klorin. Produksi gas klorin akan menjadi reaksi utama di anoda pada elektrolisis air laut dengan kadar ion klor yang tinggi. Terdapat dua faktor utama pembentukan gas oksigen pada elektrolisis air laut netral: 1. Pada larutan yang bukan larutan buffer, seperti air laut, evolusi/pembentukan gas oksigen dan gas klor dapat membuat larutan yang berada di sekitar anoda menjadi asam. Hal ini jelas sekali terlihat pada reaksi pembentukan oksigen yang menghasilkan ion hidrogen (dapat dilihat pada Persamaan 2.24) (Abdel dkk., 1993; Fitriah, 2010; Halim, 2010). 2H2O ⇌ 4H+ + O2 + 4e-
(1.4)
Menurut Jung Jung dkk. (2010), Belmont dkk. (1998), Ferrigo dkk. (1998), Abdel dkk. (1993), El-Bassuoni dkk. (1982), Kirk dan Ledas (1982) dan Bennett (1979) produksi gas klorin juga menghasilkan ion hidrogen yang menyebabkan penurunan pH larutan di sekitar anoda (lihat Persamaan 2.26). Gas klorin dari reaksi oksidasi ion klor (lihat Persamaan 2.25)
4
bereaksi dengan air membentuk asam hidroklorit, ion hidrogen dan ion klor seperti Persamaan 2.26. 2Cl- ⇌ Cl2 + 2e-
(1.5)
Cl2 +H2O ⇌ H+ + Cl- + HClO
(1.6)
Huang dkk. (2008) menyatakan bahwa reaksi gas klorin hasil elektrolisis dengan air menghasilkan HCl dan HOCl, seperti Persamaan 2.27. HCl dan HOCl yang terbentuk selama proses elektrolisis menyebabkan penurunan pH larutan di sekitar anoda. Cl2 + H2O ⇌ HCl + HOCl
2.
(1.7)
Sebagaimana larutan pada anoda menjadi semakin asam, tegangan volt termodinamika untuk membentuk gas oksigen lebih anodik, dimana pembentukan gas klor tidak bergantung pada pH larutan. Bennett dalam Abdel-Aal dkk., (1993) menyatakan bahwa pada saat pH larutan pada sekitar anoda semakin rendah semakin banyak produksi gas oksigen yang dihasilkan bila dibandingkan dengan produksi gas oksigen. Selain itu, peningkatan potensial juga akan meningkatkan produksi gas oksigen.
Kesimpulan dari dua pernyataan diatas adalah elektrolisis air laut akan menghasilkan gas oksigen dan gas klorin. Gas oksigen yang dihasilkan pada sel elektrolisis tersebut akan lebih banyak dibandingkan dengan gas klorin. Namun menurut Abdel Ghany dkk. (2002), Hashimoto dkk. (1999), Izumiya dkk. (1997), Abdel-Aal dkk. (1993), dan Bennett (1979), reaksi pembentukan gas klorin lebih sederhana bila dibandingkan dengan reaksi pembentukan gas oksigen, sehingga gas klorin akan lebih banyak terbentuk pada elektrolisis air laut. Pernyataan-pernyataan tersebut berbeda dengan pernyataan Fitriah (2010) dan Halim (2010), bahwa elektrolisis larutan NaCl encer atau air laut akan menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen, seperti Persamaan 2.28. Gas klorin hanya akan terbentuk pada larutan NaCl pekat, seperti Persamaan 2.29. Katoda:4e- + 4H2O ⇌ 2H2 + 4OHAnoda:
Katoda: Anoda:
2H2O ⇌ 4H+ + O2 +4e6H2O ⇌ 2H2 + O2 + 4OH- + 4H+
2e- + 2H2O ⇌ H2 + 2OH2Cl- ⇌ Cl2 + 2e2H2O ⇌ H2 + Cl2 + 2OH-
Eo = - 0,83V Eo = - 1,23V+ Eo = - 2,06V (1.8)
Eo = - 0,83V Eo = - 1,36V+ Eo = - 2,19V (1.9)
Produksi gas oksigen, hidrogen dan gas klorin dipengaruhi oleh densitas arus. Peningkatan densitas arus, akan meningkatkan produksi gas tersebut (Belmont dkk., 1998; Ferrigo dkk., 1998; Abdel-Aal dan Husein, 1993; Abdel-Aal dkk., 1993; Kirk dan Ledas, 1982). Selain itu, proses pada sel elektrolisis ini juga dipengaruhi oleh konsentrasi elektrolit. Konsentrasi elektrolit yang tinggi akan meningkatkan transfer ion dan memperkecil hambatan di dalam larutan sehingga meningkatkan produksi gas (Belmont dkk., 1998; Abdel-Aal dan Hussein, 1993). 5
Sel eleltrolisis air laut memiliki kemungkinan untuk menghasilkan gas oksigen dan gas klorin seperti yang telah djelaskan sebelumnya. Pembuktian akan kehadiran gas klorin pada elektrolisis air laut dapat dilakukan dengan mereaksikan gas klorin dengan larutan kalium iodida (KI) (Abdel-Aal dkk., 1993). Cara untuk mereaksikan gas klorin dengan larutan KI adalah dengan melewatkan gas tersebut ke 50 g/L larutan KI. Reaksi gas klorin dengan larutan KI akan menghasilkan warna kuning pada larutan KI (Izumiya dkk., 1998). Reaksi tersebut menghasilkan iodine dengan jumlah mol yang sama dengan mol gas klorin yang bereaksi seperti pada Persamaan 2.30 (Kotz dkk., 2006; Abdel-Aal dkk., 1993). Cl2 + 2I- 2Cl- + I2
(2.30)
Elektrolisis larutan alkali (KOH) Pada umumnya proses elektrolisis yang dilakukan untuk menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen menggunakan larutan alkali. Larutan alkali yang umum digunakan adalah larutan NaOH dan KOH. Larutan tersebut merupakan elektrolit kuat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Secara teoritis, pemberian potensial energi lebih dari 5V akan menghasilkan gas oksigen, gas hidrogen dan logam kalium seperti persamaan 2.31. Katoda:
4e- + 4H2O ⇌ 2H2 + 4OH4K+ + 4e- ⇌ 4K(s)
Anoda:
4H2O ⇌ 8H+ + 2O2 +8e8H2O+4K+ ⇌ 2H2+4K++2O2+4OH-+8H+
Eo = - 0,83V Eo = -2,93V Eo = - 1,23V + Eo = - 4,99V (2.31)
Namun penelitian yang dilakukan oleh Halim (2009) dengan larutan KOH 1M menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen pada proses elektrolisisnya (dapat dilihat pada Persamaan 2.28).
2. METODA PENELITIAN Pada pelaksanaan penelitian ini akan dilakukan pengukuran gas oksigen yang dihasilkan melalui proses elektrolisis air dengan menggunakan grafit sebagai elektrodanya. Variasi yang akan diterapkan dalam penelitian ini adalah jenis elektrolit (NaCl dan KOH), kadar elektrolit (untuk larutan NaCl adalah 0,5‰, 10‰ dan 35‰, sedangkan untuk larutan KOH adalah 0,00982M, 0,157M dan 0,559M) dan tegangan listrik (2,1 V, 9 V dan 13 V). Hasil penelitian yang diharapkan adalah dapat mengidentifikasi volume gas oksigen yang dihasilkan dari proses elektrolisis larutan elektrolit dengan variasi yang digunakan, gas hasil penelitian dapat diaplikasikan dan mengetahui hubungan antara volume gas oksigen yang dihasilkan dengan variabel penelitian. Berdasarkan beberapa penelitian mengenai elektrolisis air laut, hasil yang didapatkan dari proses tersebut adalah gas klorin dan gas hidrogen. Beberapa penelitian yang sama mengungkapkan bahwa gas yang terbentuk pada proses elektrolisis air laut adalah gas oksigen, gas klorin dan gas hidrogen. Oleh karena itu, dilakukan variasi KOH untuk mengetahui efektifitas air laut dalam menghasilkan gas oksigen, kadar larutan KOH disetarakan molaritasnya dengan larutan NaCl.
6
Penelitian ini akan dilakukan dengan prinsip kerja secara batch yaitu perlakuan terhadap sampel tanpa adanya penambahan atau pergantian sampel secara terus menerus. Penelitian ini dilakukan menggunakan reaktor seperti pada Gambar 2.1. Agar hasil penelitian ini akurat maka pelaksanaan elektrolisis akan dilakukan secara duplo atau dilakukan percobaan yang sama, masing sebanyak dua kali percobaan.
Gambar 2.1 Reaktor Data yang akan diolah adalah data primer. Data tersebut adalah data mengenai volume gas yang dihasilkan pada anoda per satuan waktu, volume gas oksigen, gas hidrogen, salinitas larutan NaCl sebelum dan setelah proses elektrolisis, TDS larutan KOH sebelum dan setelah proses elektrolisis, dan pH larutan sebelum dan sesudah proses eletrolisis. Data-data tersebut diolah dengan cara dikelompokkan sesuai dengan variasi yang dilakukan. Data yang telah dikelompokkan tersebut kemudian ditabulasi dan dibentuk ke dalam grafik untuk memudahkan analisis data. Data mengenai
7
salinitas, TDS dan pH akan diolah dengan membandingkan data awal dengan data akhir dan kaitannya dengan literatur. Analisis data yang akan dilakukan untuk menjawab tujuan penelitian. Hasil pengolahan data kemudian dianalisis efektifitas produksi gas oksigen pada masing-masing variasi yang telah ditentukan. Selain itu, dilakukan pula analisis total gas yang dihasilkan dari masing-masing percobaan terhadap variabel penelitian sehingga dapat hasil analisis data mengenai hubungan variabel dengan produksi gas oksigen.
3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Elektrolisis pada penelitian ini menggunakan elektroda dengan bahan yang sama, grafit. Tegangan listrik searah diberikan pada elektroda untuk menimbulkan perbedaan potensial antara kedua elektroda. Perbedaan potensial tersebut membuat ion-ion dalam larutan elektrolit melakukan migrasi ke arah elektroda yang berlawanan muatannya dengan ion. Ion-ion pada larutan penelitian ini berasal dari disosiasi NaCl dan KOH. Disosiasi yang terjadi pada larutan NaCl menghasilkan ion Na+ dan Cl-, sedangkan hasil disosiasi KOH adalah ion K+ dan ion OH-. Ion bermuatan positif seperti ion natrium (Na+), ion hidrogen (H+) dan ion kalium (K+) pada larutan elektrolit melakukan migrasi ke arah katoda. Ion-ion bermuatan negatif seperti ion klor (Cl) dan ion hidroksil (OH-) bermigrasi ke anoda. Migrasi ion-ion tersebut menimbulkan hantaran arus listrik di dalam larutan, sehingga menimbulkan reaksi redoks pada elektroda (dapat dilihat pada Persamaan 1.8. Setelah dilakukan penelitian, didapatkan fakta bahwa gas yang terproduksi pada larutan NaCl hingga salinitas 35‰ dan tegangan sebesar 13V adalah gas oksigen dan gas hidrogen. Produksi gas oksigen lebih kecil dari produksi gas oksigen yang seharusnya sesuai dengan stokiometri Persamaan 1.8 dan produksi gas hidrogen. Perbedaan volume gas tersebut diprakirakan disebabkan oleh: 1. Perhitungan stokiometeri pada contoh perhitungan terjadi pada kondisi standar, suhu 25°C tekanan 1atm, sedangkan penelitian ini dilakukan pada suhu ruangan 28°C - 31°C; 2. Penambahan elektrolit mempengaruhi produksi gas, karena terdapat ion lain yang bersaing dengan air untuk tereduksi dan teroksidasi; 3. Gas oksigen yang dihasilkan dalam proses elektrolisis terlarut di dalam larutan elektrolit.
3.1. Pengaruh elektrolisis terhadap salinitas larutan NaCl Dilakukan pengukuran dan perbandingan salinitas pada larutan sebelum proses elektrolisis dan larutan setelah proses elektrolisis. Pengukuran salinitas sebelum proses elektrolisis dilakukan untuk memastikan bahwa salinitas larutan telah sesuai dengan perhitungan salinitas (dapat dilihat pada bab 3). Pengukuran salinitas setelah proses elektrolisis dilakukan pada larutan di bagian anoda dan katoda (prosedur perlakuan dapat dilihat pada bab 3). Pengukuran tersebut dilakukan untuk membandingkan antara salinitas awal dan salinitas sesudahnya serta perbedaan salinitas pada anoda dan katoda. Hasil dari pengukuran salinitas adalah terdapat perbedaan salinitas antara larutan sebelum proses elektrolisis dan larutan setelah proses elektrolisis. Selain itu, hasil dari pengukuran salinitas anoda dan katoda setelah proses elektrolisis memperlihatkan bahwa kadar
8
salinitas anoda lebih besar dibandingkan dengan kadar salinitas katoda (data salinitas larutan dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 dan 9 Lampiran A). Perbedaan salinitas larutan tersebut terjadi karena pergerakan ion/migrasi ion dalam larutan karena proses elektrolisis (Kirk dan Ledas, 1982). Muatan positif, yang mengalir pada permukaan anoda selama proses elektrolisis, menarik ion-ion klor yang terdapat di dalam larutan ke arah anoda. Hal tersebut terjadi karena gaya tarik-menarik ion-ion klor, bermuatan negatif, dengan anoda yang muatannya berlawanan dengan ion klor (Brady, 1999).
3.2. Pengaruh elektrolisis gas terhadap tds larutan KOH Dilakukan pengukuran TDS pada larutan sebelum proses elektrolisis dan larutan setelah proses elektrolisis. Pengukuran TDS setelah proses elektrolisis dilakukan pada larutan di bagian anoda dan katoda (prosedur perlakuan dapat dilihat pada bab 3). Pengukuran tersebut dilakukan untuk membandingkan antara TDS awal dan TDS sesudahnya serta perbedaan TDS pada anoda dan katoda. Hasil dari pengukuran TDS adalah terdapat perbedaan TDS antara larutan sebelum proses elektrolisis dan larutan setelah proses elektrolisis. Selain itu, hasil dari pengukuran TDS anoda dan katoda setelah proses elektrolisis memperlihatkan bahwa kadar TDS katoda lebih besar dibandingkan dengan kadar TDS anoda (data TDS larutan dapat dilihat pada Tabel 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 dan 18 Lampiran A). Perbedaan TDS tersebut disebabkan oleh perbedaan potensial pada elektroda. Perbedaan potensial elektroda tersebut telah menarik ion-ion yang memiliki muatan berlawanan dengan elektroda, sehingga terjadi migrasi ion (Svehla, 1985). Ion kalium pada larutan bermigrasi ke katoda pada proses elektrolisis, sehingga ion kalium di sekitar anoda berkurang. Selain itu, pada tegangan yang cukup, ion kalium diprakirakan mengalami reduksi membentuk kalium. Pada Gambar 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 dan 20 (lihat Lampiran B), dapat dilihat bahwa tidak terdapat logam kalium pada katoda. Logam kalium diprakirakan membentuk kalium hidroksida segera setelah beraksi dengan air membentuk KOH, sesuai dengan pernyataan El-Bassuoni dkk. (1982). Oleh karena itu, kadar TDS pada katoda lebih besar dari anoda (dapat dilihat kadar TDS larutan KOH pada Tabel 10-18 Lampiran A).
3.3. Pengaruh elektrolisis larutan NaCl terhadap pH larutan Elektrolisis pada penelitian ini menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen dari reaksi redoks air. Hasil samping dari reaksi redoks tersebut adalah ion hidroksil dan ion hidrogen (lihat persamaan 1.8). Menurut Huang dkk. (2008), ion hidroksil yang dihasilkan pada katoda membuat larutan di sekitar anoda menjadi lebih basa. Ion hidroksil yang dihasilkan di katoda membuat larutan di sekitar katoda menjadi lebih asam. Teori yang diungkapkan Huang dkk. (2008) tersebut sesuai dengan hasil penelitian. Proses elektrolisis pada tiap percobaan mengakibatkan perubahan pH di sekitar anoda dan katoda (dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 dan 18 Lampiran A). Peningkatan produksi gas juga meningkatkan selisih pH awal dengan pH akhir elektrolisis. Oleh karena itu, semakin banyak gas yang terbentuk, semakin asam larutan di sekitar anoda dan semakin basa larutan di sekitar katoda (dapat dilihat pada Tabel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 dan 18 Lampiran A). 9
3.4. Aplikasi Penelitian ini diharapkan dapat diaplikasikan sebagai alternatif dalam memecahkan masalah kelangkaan BBM dan pengurangan emisi kendaraan bermotor. Penelitian ini akan dapat diaplikasikan bila energi yang dihasilkan lebih besar dari 60% energi yang digunakan untuk menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen. Angka tersebut ditetapkan berdasarkan energi yang dihasilkan dari pengoperasian pembangkit listrik bertenaga bahan bakar fosil yang menghasilkan energi sebesar 40% energi yang digunakannya (Kortz, dkk., 2006). Aplikasi Hasil Percobaan Aplikasi teknologi ini diterapkan pada percobaan yang menghasilkan gas yang paling besar dalam elektrolisis larutan NaCl (N3V3) dan elektrolisis larutan KOH (K3V3). Hal tersebut dilakukan dengan mempertimbangkan arahan aplikasi teknologi ini, pemanfaatan sumber daya air laut, meskipun gas oksigen paling banyak dihasilkan pada K3V3. Oleh karena itu, dilakukan perhitungan energi yang digunakan untuk menghasilkan gas oksigen dan energi yang akan dihasilkan dari variasi tersebut. Aplikasi hasil percobaan N3V3 Daya listrik yang digunakan untuk menghasilkan gas oksigen sebanyak 8,2mL dan gas hidrogen sebanyak 59,5mL, adalah: P= V . i . h . 1kWH/1000WH = 13V . 0,07A . 3jam . 1kWH/1000WH = 0,002898 kWH = 9,898kJ Pembentukan gas hidrogen dengan gas oksigen maupun pembentukan gas HHO membutuhkan 1 mol gas hidrogen dan 0,5mol gas oksigen. pembakaran gas hidrogen dengan oksigen tersebut dapat menghasilkan 241,83kJ/molH2. Perhitungan energi yang dapat dihasilkan dilakukan berdasarkan volume gas yang dihasilkan pada percobaan tersebut. H2 + ½ O2 ⇌ H2O Gas oksigen yang dihasilkan jauh lebih sedikit, sehingga perhitungan molar gas hidrogen ditentukan dari molar gas oksigen. ( )
Mol O2 = =
, , ,
= 3,66 x 10 -4 Mol H2 = =
3,66 x 10-4 x 2 7,32 x 10-4
Energi yang dihasilkan per gas mol gas hidrogen adalah: =
7,32 x 10-4 x 241,83 kJ 10
=
0.177kJ
Energi yang dihasilkan pada percobaan ini belum mencapai 60% energi yang digunakan. Hal ini disebabkan oleh besarnya hambatan dalam sistem ini. Hambatan dapat diperkecil dengan memperkecil luas penampang elektroda dan memperpendek jarak elektroda. Hal-hal tersebut akan meningkatkan transfer ion dan kuat arus, sehingga gas yang dihasilkan akan lebih besar pada tegangan dan konsentrasi elektrolit yang sama. Aplikasi hasil percobaan K3V3 Daya listrik yang digunakan untuk menghasilkan 26,3mL gas oksigen dan 66,2mL gas hidrogen adalah 15,444kJ (perhitungan dapat dilihat pada Halaman 107). P= = = =
V . i . h . 1kWH/1000WH 13V . 0,11A . 3jam . 1kWH/1000WH 0,00429 kWH 15,444kJ
Pembentukan gas hidrogen dengan gas oksigen maupun pembentukan gas HHO membutuhkan 1 mol gas hidrogen dan 0,5 mol gas oksigen. pembakaran gas hidrogen dengan oksigen tersebut dapat menghasilkan 241,83kJ/molH2. Perhitungan energi yang dapat dihasilkan dilakukan berdasarkan volume gas yang dihasilkan pada percobaan tersebut. H2 + ½ O2 ⇌ H2O Gas oksigen yang dihasilkan jauh lebih sedikit, sehingga perhitungan molar gas hidrogen ditentukan dari molar gas oksigen. ( )
Mol O2 = =
, , ,
= 1,174 x 10-3 Mol H2 = =
1,174 x 10 -3 x 2 2,348 x 10 -3
Energi yang dihasilkan per gas mol gas hidrogen adalah: =
2,348 x 10 -3 x 241,83 kJ
=
0,568kJ
Energi yang dihasilkan pada percobaan K3V3 belum mencapai 60% energi yang digunakan. Hal ini disebabkan oleh besarnya hambatan dalam sistem ini. Hambatan dapat diperkecil dengan memperkecil luas penampang elektroda dan memperpendek jarak elektroda. Hal-hal tersebut akan meningkatkan tranfer ion dan kuat arus, sehingga gas yang dihasilkan akan lebih besar pada tegangan dan konsentrasi elektrolit yang sama.
11
Aplikasi Pada Electrolyzer Teknologi ini memang belum dapat menghasilkan energi yang lebih besar dibandingkan energi yang digunakan, namun teknologi ini dapat diterapkan dengan memanfaatkan pengubahan energi kinetik pada motor dengan dinamo DC menjadi energi listrik. energi listrik tersebut dapat digunakan sebagai sumber energi untuk elektrolisis air. Gas hasil elektrolisis air tersebut dapat dicampur dengan BBM pada ruang bakar sehingga dapat menghemat BBM dan menurunkan emisi. Larutan NaCl/Air Laut artificial Elektrolisis air laut ini ditujukan untuk menghemat bahan bakar sehingga dapat menghemat persediaan BBM bagi pulau-pulau kecil di Indonesia. Air laut di sekitar pulau kecil seperti Pulau Mentawai, Pulau mendanau, Pulau Sabu serta pulau kecil lainnya lebih jernih sehingga dapat digunakan langsung sebagai larutan elektrolit pada electrolyzer. Pada penelitian yang telah dilakukan didapatkan percobaan larutan NaCl yang paling efisien, yaitu percobaan N3V3. Salinitas larutan pada percobaan tersebut setara dengan salinitas air laut, sehingga dapat dikatakan produksi gas pada elektrolisis air laut akan efisien. Air laut dimasukkan ke dalam electrolyzer. Grafit yang digunakan sebagai elektroda dipasang pada karet sumbat dan disisipkan pada tutup electrolyzer. Grafit tetap digunakan sebagai elektroda, karena dapat menghantarkan arus listrik dengan baik dan tahan terhadap korosi. Pada aplikasi ini, panjang grafit anoda harus lebih pendek dari pada katoda agar gas oksigen yang terbentuk lebih banyak, sehingga pembakaran lebih efisien. Elektroda dihubungkan pada dinamo DC menggunakan kabel listrik. Pemasangan kabel ini harus diperhatikan dimana kabel bermuatan negatif dihubungkan pada elektroda yang lebih panjang (katoda) dan kabel bermuatan positif dihubungkan pada elektroda yang lebih pendek (anoda). Kemudian, electrolyzer dihubungkan dengan water trap yang akan menangkap uap air sehingga uap air tidak masuk ke dalam ruang pembakaran BBM. Pada water trap juga dipasang selang untuk mengalirkan gas HHO ke dalam ruang pembakaran BBM. Larutan KOH Mekanisme pemasangan alat pada aplikasi larutan KOH tidak jauh bebeda dengan larutan NaCl. Perbedaannya terletak pada pembuatan larutan. Air laut dapat pada 98% bagian bumi dan harga untuk mengambilnya adalah tidak ada. Selain itu, air laut tidak perlu ditambahkan elektrolit lagi ke dalamnya, sedangkan larutan KOH lebih baik terbuat dari aquadest, air murni, dengan kristal KOH yang harus dibeli. Berdasarkan hasil penelitian, didapatkan kadar KOH yang paling baik untuk menghasilkan gas oksigen secara efisien adalah 35‰. Oleh karena itu, perlu dibuat terlebih dahulu larutan KOH 35‰ untuk elektrolisis, yakni dengan menimbang KOH sebanyak 35gr kemudian dilarutkan dalam 1 liter aquadest.
3.5. Pengaruh variabel terhadap produksi gas Setelah dilakukan penelitian, didapatkan data dengan trend data yang sama. Seluruh penelitian ini menghasilkan gas oksigen dan gas hidrogen. Produksi gas oksigen terukur dan terpantau semakin meningkat bila tegangan listrik ditingkatkan. Selain itu, dengan meningkatnya 12
kadar elektrolit, peningkatan produksi gas oksigen juga semakin nyata. Larutan KOH lebih banyak menghasilkan gas oksigen dibandingkan larutan NaCl. Hal tersebut disebabkan oleh jenis elektrolit mempengaruhi produksi gas oksigen, karena tingkat keaktifan elektrolit berbeda-beda. Pernyataan=pernyataan tersebut telah sesuai dengan grafik total gas oksigen per percobaan seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Produksi Gas Oksigen Melalui Elektrolisis Larutan Elektrolit
4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1. Kesimpulan Setelah dilakukan percobaan laboratorium dan pengolahan data penelitian produksi gas oksigen melalui proses elektrolisis air laut sebagai sumber energi ramah lingkungan, diambil kesimpulan sebagai berikut: 1.
Seluruh percobaan dalam penelitian ini menghasilkan gas oksigen tanpa ada pembentukan gas klorin pada elektrolisis larutan NaCl. Volume gas oksigen terendah adalah 0,1mL yang terjadi pada percobaan N1V1 (NaCl; 5‰; 2,1V), N1V2 (NaCl; 5‰; 9V), N1V3 (NaCl; 5‰; 13V)
13
2.
3.
dan N2V1 (NaCl; 10‰; 2,1V). Volume gas oksigen tertinggi adalah 26,3mL yang dihasilkan pada percobaan K3V3 (KOH; 0,559M;13V). Gas oksigen yang terbentuk pada penelitian ini belum dapat diaplikasikan sebagai energi ramah lingkungan, karena hanya dapat menghasilkan energi sebesar 1,8% dari energi yang digunakan. Jenis elektrolit, kadar elektrolit dan tegangan listrik berpengaruh terhadap produksi gas oksigen, Jenis elektrolit KOH menghasilkan gas oksigen terbesar, yaitu 26,3mL. Kadar elektrolit tertinggi (0,559M) menghasilkan gas oksigen terbesar yaitu 26,3mL. Tegangan listrik tertinggi (13 V) menghasilkan gas oksigen terbesar yaitu 26,3mL.
4.2. Saran Penelitian ini belum sempurna, sehingga perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan produksi gas oksigen, sehingga aplikasi teknologi menjadi ini lebih efisien dari sebelumnya. 1. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan memperkecil jarak elektroda; 2. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mencari luas permukaan elektroda optimum; 3. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan aplikasi elektrolisis air laut pada motor nelayan dengan sumber energi kinetik motor yang diubah menjadi energi listrik dengan dinamo DC; 4. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut menggunakan laboratory DC power supply yang dapat mengatur arus dan tegangan; Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan mengukur DO (Dissolved Oxygen) pada larutan sebelum dan sesudah proses elektrolisis.
DAFTAR KEPUSTAKAAN Abdel-Aal, H.K., dan Hussein, I.A., 1993. “Parametric Study for Saline Water Electrolysis: Part III—Precipitate Formation and Recovery of Magnesium Salts”. International Journal Hydrogen Energy 18 (7), Hal 553-556. Abdel-Aal, H.K., Sultan, S.M., dan Hussein, I.A., 1993. “Parametric Study for Saline Water Electrolysis: Part II—Chlorine Evolution, Selectivity and Determination”. International Journal Hydrogen Energy 18 (7), Hal, 545-551. Abdel Ghany, N. A., Kumagai, N., Meguro, S., Asami, K., Hasimoto, K., 2002. “Oxygen Evolution Anodes Composed of Anodically Deposited Mn-Mo-Fe Oxides for Seawater Electrolysis”. Electrochimica Acta 48, Hal. 21-28. Arijanto, B.Y., 2010.” Pengujian Kompor Gas Hemat Energi Dengan Memanfaatan Elektrolisa Air Berlarutan KOH”. Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin. SNTTM ’10.
14
Belmont, C., Ferrigno, R., Leclerc, O., Gurault, H.H., 1998. “Coplanar Interdigitated Band electrodes for Electrosynthesis. Part 4. Application to Sea Water Electrolysis”. Electrochimica Acta 44, Hal. 597-603. Bennett, J.E., 1979. “Electrodes for Generation Of Hydrogen and Oxygen From Seawater”. International Journal Hydrogen Energy. Vol 5. 401-408. Brady, J.E., 1999. Kimia Untuk Universitas. 5th ed. Diterjemahkan oleh Sukmariah M., Kamianti A. dan Tilda S. S., Jakarta: Binarupa Aksara. Carey, F.A., 2000. Organic Chemistry. New York: McGraw Hill. Christian, G.D., 1980. Analytical Chemistry. New York: John Wiley & Sons. El-Bassuoni, A.-M.A., Sheffield, J.W., dan Veziroglu . 1982. “Hydrogen and Fresh Water Production from Sea Water” . International Journal Hydrogen Energy 7 (12), Hal 919923. Ferrigno, R., Comninellis, C., Redi, V., Modes, C., Scannell, R., Girault., H.H., 1998. “Coplanar Interdigitated Band Electrodes for Electrosynthesis. Part 6. Hypochlorite Electrogeneration from Sea Water Electrolysis”. Electrochimica Acta 44, Hal. 2871-2878. Fitriah, D., 2010. Pemanfaatan Air dan NaHCO3 dengan Menggunakan Metoda Elektrolisis Untuk Efisiensi Bahan Bakar dan Peningkatan Kualitas Gas Buang Kendaraan Bermotor. Surabaya: Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan-ITS. Gache, Gabriel . 2008 How Dynamos Work,
. Halim, D. Y., 2009. Penghematan Bahan Bakar Serta Peningkatan Kualitas Emisi Pada Kendaraan Bermotor Melalui Pemanfaatan Air dan Elektrolit KOH Dengan Menggunakan Metode Elektrolisis. Surabaya: Tugas Akhir Jurusan Teknik LingkunganITS. Hans. 2009. “BBM Langka di Pulau Sabu”. NTT Online (Kupang), 9 Februari. Hashimoto, K., Yamasaki, M., Fujimura, K., Matsui, T., Izumiya, K., Komori, M., El-Moneim, A. A., Akiyama, E., Habazaki, H., Kumagai, N., Kawashima, A., dan Asami, K., 1999. “Global CO2 Recycling-Novel Materials and Prospec For Prevention Of Global Warming And Bundant Energy Suply”. Material Science and Engineering A267, Hal. 200-206. Harvey, D., 1956. Modern Analytical Chemistry. 1 st ed. New York: McGraw Hill.
15
Hidayatullah, P., dan Mustari, F., 2008. Rahasia Bahan Bakar Air. Jakarta: Ufuk-Press. Huang, Yu-R., Hung, Yen-C., Hsu, Shun-Y., Huang, Yao-W., and Hwang, Deng-F., 2008. “Application of Electrolyzed Water in the Food Industry”. Journal of Food Control. 19. Hal 329-345. Izumiya, K., Akiyama, E., Habazaki, H., Kumagai, N., Kawashima, A., dan Hasimoto, K., 1998. “Anodically Deposited Manganese Oxide and Manganese-tungsten Oxide Electrodes for Oxygen Evolition from Seawater”. Electrochimica Acta 43 (21-22), Hal. 3303-3312. Jeffery, G.H., Bassett, J., Mendham, J., dan Denney, R.C., 1989. Vogel’s Textbook of Quantitative Chemical Analysis. New York: John Wiley & Sons. Jung Jung, Yeon., Woon Baek, Ko., Soo Oh, Byung., dan Kang, Joon-Wun . 2010. “An Investigation of The Formation of Chlorate and Perchlorate During Electrolysis using Pt/Ti Electrodes: The effects of pH and Reactive Oxygen Species and The Result of Kinetic Studies”. Water Research 44, Hal. 5345-5355. Khimiya, Moscow-L. 1964. Small Handbook For Chemistry. Moscow: Chemistry Publishing House Kirk, D.W., dan Ledas, A. E., 1982.”Precipitate Formation During Sea Water Electrolysis” . International Journal Hydrogen Energy 7 (12), Hal. 925-932. Kotz, J.C., Paul M.T., dan Gabriela C.W., 2006. Chemistry and Reactivity. 6th ed. United State of America: Thomson Learning, Inc. Nontji, A. 1987. Laut Nusantara. Jakarta: Djambatan. Pudjaatmaka, A.H., 2002. Kamus Kimia. Jakarta: Balai Pustaka. Rivai, H., 1995. Asas Pemeriksaan Kimia. Jakarta: UI-Press Rohmiati, Y. I., 2007. Pengaruh Komposisi Grafit Bekas Pada Pembuatan Elektroda Selektif Ion Iodida Melalui Kawat Berlapis Membran Padat (Campuran Agi, Parafin, Dan Grafit Bekas), . Sawyer, C.N., McCarty, P.L., dan Parkin, G.F., 2003. Chemistry for Environmental Engineering and Science. 5th ed. Singapore: McGraw Hill. Sembiring, N., dan Subroto,A., 2007. Terapi Sari Air Laut. Jakarta: Penerbar plus+.
16
Shannon, R. H., 1984. “Synthetic Fuels Production In Small-Scale Plants With Hydrogen and Oxygen Requirements From Electrolysis”. International Journal Hydrogen Energy 10 (7/8), Hal. 483-489. Skoog, D.A., West, D.M., Holler, F.J., dan Crouch, S.T., 2004. Fundamentals of Analytical Chemistry.8th ed. United States of America: Brooks/Cole-Thomson Learning, Inc. Sriwijaya Post (Padang). 2011. 6 Mei. Suharman, M. M., 1995. Analisa Instrumental. Surabaya: Airlangga University-Press. Supriatna, P., 2008. “Kajian Teknologi Reaktor Kogenerasi Sebagai Pendukung Energi Terbarukan”. Sigma Epsilon ISSN 0853-9103 . Vol.12 No. 4 Supriharyono. 2007. Konservasi Ekosistem Sumberdaya Hayati di Wilayah Pesisir dan Laut Tropis. Yogyakarta: Pustaka Pelajar. Svehla, G., 1985. Vogel Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan Semimakro. Diterjemahkan oleh L. Setiono dan A. Hadyana Pudjaatmaka. Jakarta: PT Kalman Media Pustaka. Tribun News (Bangka). 2011. 2 Oktober Waryono, T., 2009. Upaya Pemberdayaan Masyarakat Dalam Pelestarian Hutan Sebagai Pencegah Pemanasan Global. Jakarta: Universitas Indonesia. Wicaksono, A. D., 2009. Peningkatan Kualitas Emisi dan Penghematan Bahan Bakar Pada Sepeda Motor Melalui Elektrolisis Air Menggunakan Elektrolit NaOH. Surabaya: Tugas Akhir Jurusan Teknik Lingkungan –ITS.
17
