LAPORAN RESMI ELEKTROKIMIA PRAKTIKUM DASAR TEKNIK KIMIA II

LAPORAN RESMI PRAKTIKUM DASAR TEKNIK KIMIA II

Materi : ELEKTROKIMIA

Oleh : 1. Badar Ilham Anggawijaya

NIM : 21030114120032

2. Christine Indira Rinai Pangesti

NIM : 21030114120049

3. Surya Pandu Putra

NIM : 21030114120125

LABORATORIUM DASAR TEKNIK KIMIA TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2015

ELEKTROKIMIA

HALAMAN PENGESAHAN Laporan resmi Praktikum Dasar Teknik Kimia II yang berjudul Elektrokimia yang disusun oleh: Kelompok

: III / Kamis Pagi

Anggota

: 1. Badar Ilham Anggawijaya

NIM : 21030114120032

2. Christine Indira Rinai Pangesti NIM : 21030114120049 NIM : 21030114120125 3. Surya Pandu Putra

Telah disahkan pada: Hari

:

Tanggal

: Juni 2015

Semarang,

Juni 2015

Asisten Pengampu,

Angga Muhammad Kurnia NIM 21030112130126

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II iii

ELEKTROKIMIA

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat dan kuasa-Nya, sehingga dapat menyelesaikan laporan resmi Praktikum Dasar Teknik Kimia II ini dengan lancar dan sesuai dengan harapan. Laporan Resmi Praktikum Dasar Teknik Kimia II ini dibuat untuk memenuhi tugas Praktikum Dasar Teknik Kimia II. Kami mengucapan terima kasih kepada: 1. Tuhan Yang Maha Esa, atas karunia-Nya Laporan ini bisa selesai dengan baik dan tepat waktu 2. Ibu Ir. C. Sri Budiyati, M.T. selaku dosen pembimbing Praktikum Dasar Teknik Kimia II 3. Koordinator asisten laboratorium PDTK II Wahyu Arga Utama 4. Angga M. Kurnia sebagai Asisten Pengampu

Laporan Praktikum

Elektrokimia kami 5. Orang tua atas dukungan baik moral maupun materil Sehingga tugas laporan resmi ini dapat terselesaikan dengan baik dan sesuai harapan. Kepada teman-teman yang telah membantu baik dalam segi waktu maupun motivasi apapun, kami mengucapkan terima kasih. Tidak ada gading yang tak retak. Begitu pula dengan laporan resmi kami. Oleh karena itu, kami masih membutuhkan saran yang bersifat membangun untuk kesempurnaan laporan resmi kami.

Semarang, 27 Mei 2015

Penulis

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II iv

ELEKTROKIMIA

INTISARI Elektrolisis adalah proses peruraian elektrolit yang disebabkan oleh adanya arus listrik searah. Sedangkan elektrokimia mempelajari reaksi-reaksi disertai perpindahan elektron. Pada proses ini energi kimia diubah menjadi energi listrik atau sebaliknya. Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvani dan sel elektrolisis. Tujuan dalam percobaan ini adalah menentukan berat Cu yang menempel pada katoda. Setelah proses elektrolisis, menentukan kadar Cu2+ dalam larutan sisa elektrolisis dengan menggunakan titrasi iodimetri, menentukan pengaruh arus listrik terhadap konversi massa dan volume, serta menentukan pengaruh beda anoda dan katoda terhadap konversi massa dan volume. Bahan yang digunakan adalah CuSO4.5H2O, KI, Na2SO4, amilum. Alat yang digunakan adalah perangkat titrasi iodometri. Metode yang digunakan adalah elektrokimia dengan metode iodometri dengan CuSO4.5H2O dan amilum sebagai indikator. Berdasarkan praktikum yang kami lakukan, hubungan antara konversi massa dengan variasi arus berbanding lurus namun berbanding terbalik dengan konversi volume dan variasi waktu. Begitu pula hubungan konversi massa dengan variasi anoda yang berbanding lurus, dan konversi volume berbanding terbalik dengan variasi anoda. Hubungan konversi massa berbanding lurus dengan variasi katoda, dan konversi voume berbanding terbalik dengan variasi katoda.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II v

ELEKTROKIMIA

SUMMARY Electrolysis is the process of electrolyte decomposition caused by electric current. While studying electrochemical reactions are accompanied by the transfer of electrons. In this process the chemical energy is converted into electrical energy or vice versa. Electrochemical are generally divided into two groups, namely galvanic cells and electrolysis cells. The goal in this trial is to determine the weight attached to the Cu cathode. After electrolysis process, determine the levels of residual Cu2+ in solution using the titration iodimetri electrolysis, and determine the effect of the conversion of mass and volume in the different electric current, and determine the effect of different anode and cathode on the conversion of mass and volume. Materials used are CuSO4.5H2O, KI, Na2SO4, starch. The tools are used iodometric titration. The method is used electrochemical with iodometric method with CuSO4.5H2O and amylum as an indicator. Based on practical work, the relation between the mass conversion with electrical current is directly proportional but inversely proportiona with volume conversion and time variation. Similarly, relations between the mass conversion with different anode is directly proportional variation, and inversely proportional with volume conversion. Relation between mass conversion with variation of cathode is directly proportional and insentive proportional with volume conversion.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II vi

ELEKTROKIMIA

DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................................... iii KATA PENGANTAR ................................................................................................. iv INTISARI......................................................................................................................v SUMMARY ................................................................................................................. vi DAFTAR ISI ................................................................................................................ vii DAFTAR TABEL ........................................................................................................ ix DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... x BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................ 1 I.1 Latar Belakang ............................................................................................ 1 I.2 Tujuan Percobaan ....................................................................................... 1 I.3 Manfaat Percobaan ..................................................................................... 1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.................................................................................. 2 II.1 Pegertian Elektrokimia .............................................................................. 2 II.2 Reaksi pada Proses Elektrolisis ................................................................. 2 II.3 Faktor-faktor yang mempengaruhi proses Elektrokimia ........................... 3 II.4 Deret Volta ................................................................................................ 4 II.5Aplikasi Proses Elektrokimia.................................................................... 4 II.6 Pembuatan Elektrokimia ........................................................................... 5 II.6 Pembuatan Elektrokimia ........................................................................... 5 BAB III METODE PRAKTIKUM .............................................................................. 6 III.1 Bahan dan Alat yang Digunakan.............................................................. 6 III.2 Gambar Rangkaian Alat ........................................................................... 6 III.3 Prosedur Percobaan .................................................................................. 7 III.4 Analisa Hasil ............................................................................................ 8 III.5 Cara Perhitungan......................................................................................8 BAB IV HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN .......................................... 10 IV.1 Hasil Percobaan ..................................................................................... 10 IV.1.1. Variabel 1 ( K : Cu A : Cu 60 mA) ........................................... 10 IV.1.2 Variabel 2 ( K : Cu A : Cu 80 mA) ............................................ 10 IV.1.3 Variabel 3 ( K : Cu A : Fe 80 mA) ........................................... 10

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II vii

ELEKTROKIMIA

IV.1.4 Variabel 4 ( K : C A : Cu 80 mA) ............................................. 11 IV.2 Pembahasan............................................................................................ 11 IV.2.1 Pengaruh Arus Listrik Terhadap Konversi Massa .......................................... 11 IV.2.2 Pengaruh Arus Listrik Terhadap Konversi Volume ....................................... 12 IV.2.3 Pengaruh Beda Anoda TerhadapKonversi Massa .......................................... 12 IV.2.4 Pengaruh Beda Anoda Terhadap Konversi Volume ....................................... 12 IV.2.5 Pengaruh Beda Katoda Terhadap Konversi Massa ......................................... 13 IV.2.6 Pengaruh Beda Katoda Terhadap Konversi Volume ...................................... 14 IV.2.7 Pengaruh Waktu Elektrolisa Terhadap Konversi Massa dan Konversi Volume ........................................................................................................... 15 BAB V PENUTUP ..................................................................................................... 16 V.1 Kesimpulan ............................................................................................. 16 V.2 Saran ........................................................................................................ 16 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 17 LAMPIRAN Data Hasil Praktikum ....................................................................................... A-1 Lembar Perhitungan ......................................................................................... B-1 Lembar Perhitungan Grafik.............................................................................. C-1 Lembar Perhitungan Reagen ............................................................................ D-1 Lembar Kuantitas Reagen ................................................................................ E-1 Referensi .......................................................................................................... F-1 LEMBAR ASISTENSI

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II viii

ELEKTROKIMIA

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Hasil Percobaan Variabel 1 ........................................................................ 9 Tabel 4.2 Hasil Percobaan Variabel 2 ........................................................................ 9 Tabel 4.3 Hasil Percobaan Variabel 3 ........................................................................ 9 Tabel 4.4 Hasil Percobaan Variabel 4 ........................................................................ 10 Tabel A.1 Data hasil praktikum variabel 1 ................................................................ A-1 Tabel A.2 Data hasil praktikum variabel 2 ................................................................ A-1 Tabel A.3 Data hasil praktikum variabel 3 ................................................................ A-1 Tabel A.4 Data hasil praktikum variabel 4 ................................................................ A-2 Tabel C.1 Perhitungan grafik variabel 1 .................................................................... C-1 Tabel C.2 Perhitungan grafik variabel 2 .................................................................... C-1 Tabel C.3 Perhitungan grafik variabel 3 .................................................................... C-1 Tabel C.4 Perhitungan grafik variabel 4 .................................................................... C-2 Tabel C.5 Perhitungan grafik variabel 5 .................................................................... C-2 Tabel C.6 Perhitungan grafik variabel 6 .................................................................... C-3 Tabel C.7 Perhitungan grafik variabel 7 .................................................................... C-3 Tabel C.8 Perhitungan grafik variabel 8 .................................................................... C-4 Tabel C.9 Perhitungan grafik variabel 9 .................................................................... C-5 Tabel C.10 Perhitungan grafik variabel 10 ................................................................ C-5 Tabel C.11 Perhitungan grafik variabel 11 ................................................................ C-6 Tabel C.12 Perhitungan grafik variabel 12 ................................................................ C-6

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II ix

ELEKTROKIMIA

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Deret Volta ............................................................................................... ..4 Gambar 3.1 Rangkaian Alat Elektrolisis ...................................................................... ..6 Gambar 3.2 Rangkaian Alat Titrasi ........................................................................... ....7 Gambar 4.1 Hubungan Arus Listrik Terhadap Xm.......................................................11 Gambar 4.2 Hubungan Arus Listrik Terhadap Xv........................................................12 Gambar 4.3 Hubungan Anoda Terhadap Xm................................................................12 Gambar 4.4 Hubungan Beda Anoda Terhadap Xv........................................................13 Gambar 4.5 Hubungan Beda Katoda Terhadap Xm......................................................14 Gambar 4.6 Hubungan Beda Katoda Terhadap Xv ................................................... ...14

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II x

ELEKTROKIMIA

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Elektrokimia memiliki banyak kegunaan yang penting untuk kehidupan sehari-hari. Diantaranya membuat senyawa lain, seperti unsur logam, halogen, gas hidrogen, dan gas oksigen. Contohnya pada elektrolisa larutan NaCl. Cara itu untuk mengetahui konsentrasi ion logam dalam larutan. Kegunaan lainnya yaitu melapisi permukaan suatu logam dengan logam yang lain. Mahasiswa teknik kimia harus memahami teori yang berkaitan dengan proses

elektrolisis.

Banyak

aplikasi

elektrolisis

seperti

elektroplating,

elektrorefining, dan juga elektrowinning. Oleh karena itu, mahasiswa teknik kimia perlu melakukan percobaan elektrolisis, seperti menentukan berat Cu yang menempel pada katoda setelah proses elektrolisis.

1.2. Tujuan Percobaan 1. Menentukan berat Cu yang menempel pada katoda setelah proses elektrolisis dengan pengaruh variabel besar arus listrik, beda anoda, dan beda katoda 2. Menentukan kadar

Cu2+

dalam larutan sisa elektrolisis

dengan

menggunakan metode titrasi iodometri.

1.3. Manfaat Percobaan 1. Mahasiswa mampu menentukan berat Cu yang menempel pada katoda setelah proses elektrolisis dengan pengaruh beda variabel besar arus listrik, beda anoda , dan beda katoda. 2. Mahasiswa mampu menentukan kadar Cu2+ dalam larutan sisa elektrolisis dengan menggunakan metode titrasi iodometri.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 1

ELEKTROKIMIA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Pengertian Elektrokimia Elektrokimia mempelajari reaksi-reaksi

yang disertai perpindahan

elektron. Pada proses ini energi kimia diubah menjadi energi listrik atau sebaliknya. Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvani dan sel elektrolisis. Sel Galvani (sel Volta) merupakan sel elektrokimia yang dapat

menghasilkan energi listrik yang disebabkan oleh terjadinya reaksi redoks yang spontan. Sedangkan elektrolisa adalah proses peruraian suatu elektrolit yang disebabkan oleh adanya arus listrik searah. Dalam percobaan ini digunakan larutan CuSO4.5H2O sebagai elektrolitnya. Pada larutan CuSO4.5H2O tidak terbentuk endapan tembaga sulfit sehingga proses ini menunjukan proses pengolahan yang bersih, sederhana dan sangat baik untuk mengambil kembali tembaga yang mempunyai kemurnian tinggi yaitu sekitar 99%. Pada sel elektrolisa terjadi proses pelucutan ion-ion bermuatan. Selama proses berlangsung, arus listrik mengalir melalui elektrolit, memberikan energi yang cukup untuk menjalankan reaksi oksidasi dan reduksi. Ion-ion yang bermuatan bergerak, setelah arus listrik mengalir dalam elektrolit. Ion positif bergerak ke elektroda negatif (katoda) dan ion negatif bergerak ke elektroda positif (anoda). Saat ion-ion bermuatan saling bersinggungan dengan elektroda akan terjadi reaksi elektrokimia. Pada elektroda positif, ion negatif melepaskan elektron dan teroksidasi. Pada elektroda negatif, ion positif menangkap elektron dan tereduksi.

II.2. Reaksi pada proses Elektrolisis Reaksi reaksi pada proses elektrolisis merupakan reaksi reversibel dan merupakan reaksi redoks. Pada katoda berlangsung reaksi reduksi dan pada anoda berlangsung reaksi oksidasi. Pada percobaan ini, sebagai katoda digunakan batang tembaga dan sebagai anoda digunakan grafit. Elektrolitnya adalah larutan CuSO4.5H2O.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 2

ELEKTROKIMIA

Reaksi yang terjadi: CuSO4

↔

Cu2+ + SO42-

(1)

2H2O

↔

2H+ + 2OH-

(2)

2OH-

↔

H2O + ½ O2 +2e-

(3)

Cu

(4)

Anoda

Katoda Cu2+ + 2e- ↔ CuSO4 +H2O

↔

Cu + 2H+ + SO42- + ½ O2 (5)

Berdasarkan persamaan reaksi diatas, pada larutan akan tinggal asam sulfat, pada anoda akan terbentuk gas O2 dan logam Cu akan menempel pada katoda. Untuk analisa larutan sisa elektrokimia digunakan metode titrasi iodometri. Metode ini dilakukan untuk mengetahui kadar Cu2+ yang masih tersisa dalam larutan. Reaksi : 2 Cu2+ + 4I- →

2 CuI +I2

(6)

I2 + S2O32- →

2 I- + S4O62-

(7)

I3-

(8)

I2 + I-

→

Amilum (A) + I3- →

AI3- (Biru)

(9)

II.3. Faktor - faktor yang mempengaruhi proses elektrokimia  Arus listrik Semakin besar arus listrik maka elektrokimia akan berlangsung lebih cepat karena proses penghantaran ion-ion dalam larutan ke katoda lebih cepat.  Konsentrasi larutan Konsentrasi larutan akan mempengaruhi jumlah ion-ion yang terdapat dalam larutan, sehingga konsentrasi yang semakin tinggi akan mempercepat proses elektrokimia.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 3

ELEKTROKIMIA

 Suhu Semakin tinggi suhu menyebabkan konduktivitas larutan semakin besar sehingga dapat mempercepat hantaran arus listrik dari anoda menuju katoda sehingga akan mempercepat proses elektrokimia.  Waktu Semakin lama waktu untuk melakukan proses elektrokimia maka semakin banyak pula kation yang akan tereduksi dan menempel pada katoda.

II.4. Deret Volta Susunan unsur-unsur logam berdasarkan potensial elektroda standarnya disebut deret elektrokimia atau deret volta. Li K Ba Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H) Cu Ag Hg Pt Au Mudah mengalami oksidasi (Reduktor)

Mudah mengalami reduksi

(oksidator)

Gambar 2.1 Deret Volta Semakin ke kiri sifat reduktor semakin kuat artinya logam mampu mereduksi ionion di sebelah kanannya tetapi tidak mampu mereduksi ion di sebelah kirinya dan logam semakin reaktif (semakin mudah melepas elektron).

II.5. Aplikasi Proses Elektrokimia  Elektroplating Yaitu proses pelapisan suatu logam dengan logam lain dengan cara elektrolisis Prinsipnya: 1. Katoda sebagai logam yang dilapisi 2. Anoda sebagai logam pelapis 3. Menggunakan elektrolit garam dari logam anoda Contohnya : -

Pelapisan Tembaga-Nikel-Khrom

 Elektrorefining Yaitu cara mendapatkan logam dengan kemurnian yang tinggi dari bijih logam dengan kemurnian yang sudah cukup tinggi. Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 4

ELEKTROKIMIA

 Elektrowinning Yaitu untuk mendapatkan logam dengan kemurnian yang tinggi dari logam yang kadarnya rendah.

II.6 Pembuatan Elektrokmia Elektrokimia digunakan untuk menyalakan generator. Kebanyakan senyawa anorganik lebih beracun daripada senyawa organic. Unsur organik terkadang bisa berada di beberapa sampel yang berbeda. Contohnya As bisa berada di air, udara, senyawa biologi seperti darah dan urin. Untuk memisahkan senyawa-senyawa tersebut dilakukan dengan mengklasifikasikan sesuai jenisnya dan dipisahkan dengan metode masing-masing. Contohnya untuk As dapat dipisahkan dari senyawa lain dengan Vapor Generation (VG) dan berpasangan dengan Absorption Spectrometry (AAS). VG dan AAS memiliki ketepatan dan ketelitian yang cukup dalam meneliti As. Cara yang paling tepat untuk menganalisis pembuatan elektrokimia dari AsH3 adalah dengan Electrochemical Hydride Generation (EcHG) (Caiminagua, 2015).

II.7 Electrochemical Hydride Generation (EcHG) Metode EcHG ini digunakan untuk pembuatan hidrida. EcHG telah dijadikan sebagai alternatif cara kimia. EcHG terdiri dari reduksi elemen dalam permukaan katoda dalam sel elektrolit diikuti dengan reaksi dari elemen logam dengan hidrogen yang dihasilkan dalam sel atau masuk dalam media reaksi. Berdasarkan katodanya, EcHG dikelompokan menjadi 2, pertama sesuai absorpsi hydrogen yang tinggi dan sel volta yang tinggi. Katoda dengan tegangan tinggi dapat mengurangi berbagai hidrida yang membentuk elemen. Hidrogen dengan tegangan tinggi lebih rentan untuk gangguan tetapi lebih efisien dan lebih fleksibel dalam hal pembentukan hidrida. Sayangnya, beberapa dari katoda ini menunjukan mekanik rendah oleh karena itu harus diganti secara berkala (Caiminagua, 2015).

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 5

ELEKTROKIMIA

BAB III METODE PRAKTIKUM

III. 1.

Bahan dan Alat yang Digunakan

3.1.1. Bahan 1. CuSO4.5H2O

0,4 N

2. KI

12 % w

3. Na2S2O3

0,15 N

4. Amilum

Secukupnya

5. Aquadest

Secukupnya

3.1.2. Alat: 1. Tangki elektrokimia 2. Batang tembaga 3. Grafit 4. Voltmeter/ Amperemeter 5. Adaptor 6. Magnetic stirrer

III. 2. Gambar Rangkaian Alat

Gambar 3.1. Rangkaian Alat Elektrolisis Keterangan:

1. Tangki elektrolisis 2. Katoda (batang tembaga) 3. Anoda (grafit) 4. Adaptor, Amperemeter, Voltmete

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 6

ELEKTROKIMIA

Gambar Rangkaian Alat Titrasi

Keterangan : 1. Klem 2. Statif 3. Buret 4. Erlenmeyer

Gambar 3.2. Rangkaian Alat Titrasi

Data Yang Diperlukan 1. Konsentrasi larutan CuSO4.5H2O 2. Volume titran Na2S2O3 sebelum dan sesudah proses elektrolisa 3. Berat katoda sebelum dan sesudah proses elektrolisa

III.3. Prosedur Percobaan 1. Isi tangki elektrolisis dengan 500 ml larutan CuSO4.5H2O 2. Letakkan katoda dan anoda pada tangki dengan posisi yang permanen. Hubungkan anoda dengan kutub positif dan katoda dengan kutub negatif penyearah arus 3. Alirkan arus bertegangan rendah (60mA dan 80 mA) dan jalankan pengadukan dengan perlahan-lahan 4. Ketika mencapai waktu yang telah ditentukan (0,3,9,12 menit) hentikan pengadukan dan arus listrik, ambil katoda. Selanjutnya cuci katoda, keringkan dan timbang. Analisa cairan sisa elektrolisa dengan metode titrasi iodometri untuk mengetahui kandungan Cu2+ yang masih tersisa

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 7

ELEKTROKIMIA

III.4. Analisa Hasil Ambil 5 ml cairan sisa hasil elektrolisis, masukkan dalam erlenmeyer dan selanjutnya tambahkan 3 ml larutan KI 10% berat. Tutup mulut labu erlenmeyer dengan gelas arloji kecil dan biarkan selama 5 menit di tempat yang gelap agar reaksi berlangsung dengan sempurna. Selanjutnya cuci tutup gelas arloji dengan aquadest dan masukkan air cucian dalam erlenmeyer, kemudian titrasi larutan tersebut dengan larutan Na2S2O3 sampai warna larutan berubah menjadi kuning. Selanjutnya tambahkan 3 tetes indikator amilum ke dalam campuran dan dititrasi lagi dengan Na2S2O3 sampai warna biru tepat hilang (putih susu)

.

III.5. Cara Perhitungan 1. X1 =

𝑀−𝑀0 𝑀𝐶𝑢

.................................................................(1)

Keterangan : X1

=

konversi massa

M

=

berat katoda setelah proses elektrolisa

M0

=

berat katoda sebelum proses elektrolisa

MCu =

berat tembaga dalam cairan mula mula

2. X2 =

V0. N−V.N 𝑉0 .𝑁

=

𝑉0 −𝑉 𝑉0

...................................................(2)

Keterangan : X2

=

konversi volume

V0

=

volume larutan Na2S2O3 sebelum dielektrolisis

V

=

volume larutan Na2S2O3 setelah dielektrolisis

N

=

normalitas larutan Na2S2O3

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 8

ELEKTROKIMIA

BAB IV HASIL PRAKTIKUM DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil Percobaan IV.1.1 Variabel 1 ( K : Cu A : Cu 60 mA) Tabel 4.1 Hasil Percobaan Variabel 1 t (menit) 0

W (gr) V1 (mL) V2 (mL) Vtotal (mL) 6,144 11,4 9,2 20,6

3

6,146

8,3

13,1

21,4

9

6,147

9,7

17

26,7

12

6,149

10,8

15,8

25,8

IV.1.2 Variabel 2 ( K : Cu A : Cu 80 mA) Tabel 4.2 Hasil Percobaan Variabel 2 T (menit) W (gr) V1 (ml) V2 (ml) Vtotal (ml) 0 6,141 10,8 15,8 20,6 3 6,143 9,3 10 19,3 9 6,146 8,1 16,6 24,9 12 6,148 8,1 16,3 24,4

IV.1.3 Variabel 3 ( K : Cu A : Fe 80 mA) Tabel 4.3 Hasil Percobaan Variabel 3 T (menit) W (gr) V1 (ml) 0 6,139 8 3 6,141 7,9 9 6,144 10,3 12 6,148 5,5

V2 (ml) Vtotal (ml) 16,3 24,3 19,2 23 13,6 23,9 10,8 16,3

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 9

ELEKTROKIMIA

IV.1.4 Variabel 4 ( K : C A : Cu 80 mA) Tabel 4.4 Hasil Percobaan Variabel 4 T (menit) W (gr) V1 (ml) V2 (ml) 0 3 9 12

0,382 0,382 0,382 0,382

5,5 7,3 8,5 8,7

10,8 12,2 6,7 11,7

Vtotal (ml) 16,3 19,5 15,2 20,4

IV.2 Pembahasan IV.2.1 Pengaruh Arus Listrik Terhadap Konversi Massa 5.9 5.4 4.9 4.4 3.9 3.4 2.9 2.4 1.9 1.4 0.9 0.4 -0.1

y = 0.455x R² = 0.9961 y = 0.4047x R² = 0.9198

60 mA 80 mA Linear (60 mA) Linear (60 mA) Linear (80 mA)

0

3

6

9

12 15 18 21

Gambar 4.1 Hubungan arus listrik terhadap Xm Dapat diamati dari Gambar 4.1 bahwa kuat arus listrik berpengaruh pada konversi massa. Pada praktikum didapat masssa Cu pada arus 80 mA lebih besar dari arus 60 mA. Semakin besar arus massa semakin besar ion Cu yang menempel pada katoda. Faktor yang mempengaruhi ialah gerakan ion terlarut akan semakin besar (akibat tumbukan) pada arus yang semakin besar. Hal ini sesuai dengan praktikum, dimana massa Cu pada arus 80 mA lebih besar daripada 60 mA karena ion Cu2+ lebih cepat bergerak dan lebih cepat menempel pada katoda sesuai dengan hukum Faraday (Farid,2012). w = Z x I x t....................................(3) ket: w : berat endapan z: BE / 96500 I : kuat arus t : waktu

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 10

ELEKTROKIMIA

IV.2.2 Pengaruh Arus Listrik Terhadap Konversi Volume 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 0 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5

y = 0.2421x R² = 0.8278

60 mA 80 mA

y6= -0.1027x 9 12 R² = -0.476

3

15

Linear (60 mA) Linear (80 mA)

Gambar 4.2 Hubungan arus listrik terhadap Xv Gambar 4.2 menunjukan bahwa kuat arus listrik akan berpengaruh pada konversi massa. pada arus yang semakin besar maka konversi volkume semakin kecil. pada arus 80 mA dibutuhkan lebih sedikit volume titran daripada arus 60 mA. Hal ini disebabkan karena semakin besar arus listrik yang digunakan, maka pergerakan elektron dalam larutan semakin besar (Wiryawan, 2009). Sehingga ion Cu2+ akan lebih cepat menempel pada katoda dan kadar Cu2+ pada larutan akan berkurang pula, sehingga volume titran unturk menetralkan Cu2+ akan lebih sedikit. IV. 2.3 Pengaruh Beda Anoda TerhadapKonversi Massa 5.9 5.4 4.9 4.4 3.9 3.4 2.9 2.4 1.9 1.4 0.9 0.4 -0.1

y = 0.5867x R² = 0.9576

A : Fe y = 0.455x R² = 0.9961

A : Cu Linear (A : Fe) Linear (A : Cu)

0

3

6

9

12

15

Gambar 4.3 Hubungan anoda terhadap Xm Gambar 4.3 menunjukan pengaruh beda anoda pada konversi massa. Dapat dilihat bahwa anoda Fe akan menghasilkan endapan Cu yang lebih besar daripada anoda Cu.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 11

ELEKTROKIMIA

Hasil tersebut disebabkan oleh karena harga sel potensial Fe lebih besar dari Cu. Pengambilan logam dari campurannya dengan metode elektrokimia dapat dilakukan pada optimal meliputi penaruh potensial sel dari anoda-katoda terpasang (Havis, 2006). Hal ini menyatakan bahwa semakin besar nilai potensial sel maka semakin efektif reaksi elektrolisis yang terjadi. Nilai besar potensial sel dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Nerst (Haris,

2006) : 𝑡𝑠𝑒𝑙 = 𝑡𝑠𝑒𝑙 −

0,059 2

∙ log (

𝑃𝑜∙0,5∙𝑎𝐻 + 𝑎𝐶𝑢2+

).................................(4)

IV.2.4 Pengaruh Beda Anoda Terhadap Konversi Volume 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 0 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5

y = -0.0089x R² = -0.06 3

6

9

12

15

A : Fe A : Cu Linear (A : Fe) Linear (A : Cu)

y = -0.1027x R² = -0.476

Gambar 4.4 Hubungan beda anoda pada Xv Gambar 4.4 menunjukan konversi volume pada anoda Fe lebih besar daripada anoda Cu. Hal ini menunjukan beda anoda akan berpengaruh pada hasil elektrolisis. Jumlah volume titran yang dibutuhkan pada anoda Fe lebih besar karena elektrolisis dengan menggunakan Fe berjalan lebih efektif karena harga potensial sel Fe. Sesuai dengan pembahasan IV.2.3 harga potensial dapat dihitung dengan persamaan Nerst.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 12

ELEKTROKIMIA

IV.2.5 Pengaruh Beda Katoda Terhadap Konversi Massa 5.9 5.4 4.9 4.4 3.9 3.4 2.9 2.4 1.9 1.4 0.9 0.4 -0.1

y = 0.455x R² = 0.9961

K:C K: Cu Linear (K : C)

y=0 R² = #N/A 0

3

6

9

Linear (K: Cu) 12

15

Gambar 4.5 Hubungan beda katoda terhadap Xm Pada gambar 4.5 menunjukan pengaruh beda katoda terhadap konversi massa. Pada gambar 4.5 dapat dilihat bahwa konversi massa pada katoda Cu meningkat seiring dengan bertambahnya dan konversi massa pada katoda C bernilai 0 seiring bertambahnya waktu. Hal ini disebabkan karena elektroda C ialah elektroda inert yang tidak ikut bereaksi. Selain itu sisa anion pada larutan ion SO42-, anion tersebut memiliki potensial oksidasi lebih negatif dari air dan bilangan oksidasi atom pusatnya sudah/hampir maksimum. Maka air yang akan dioksidasi menurut reaksi 4H+ + O2 + 4e

2H2O

sehingga tidak ada ion Cu2+ yang bisa direduksi oleh katoda (Wiharti,2013). IV.2.6 Pengaruh Beda Katoda Terhadap Konversi Volume 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 0 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5

K: C

y = 0.126x R² = 0.052 3

6

9 12 y = -0.1027x R² = -0.476

K : Cu 15

Linear (K : C) Linear (K : Cu)

Gambar 4.6 Hubungan beda katoda pada Xv Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 13

ELEKTROKIMIA

Pada gambar 4.6 menunjukan katoda C membutuhkan lebih banyak zatv titran daripada katoda Cu. Katoda Cu menunjukan kebutuhan volume titran yang lebih sedikit karena ion Cu2+ telah direduksi sebelumnya pada katoda. Sedangkan pada katoda C tidak ada reduksi ion Cu2+. Hal ini sesuai dengan pembahasan IV.2.5 dimana ion Cu2+ yang tereduksi, sehingga kadar Cu2+ pada larutan tidak berkurang. Sedangkan pada katoda Cu ada reaksi reuksi ion Cu2+ sehingga volume zat titran lebih sedikit dibutuhkan. IV.2.7 Pengaruh Waktu Elektrolisa Terhadap Konversi Massa dan Konversi Volume Waktu elektrolisa berpengaruh pada nilai Xm dan Xv. Semakin lama waktu, maka semakin tinggi nilai Xm dan Xv. Pada kondisi arus listri konstan besar Cu yang menempel pada katoda akan semakin banyak seiring berjalannya waktu. Hal ini sesuai dengan persamaan (Farid, 2012): w = Z x I x t....................................(3) ket: w : berat endapan z: BE / 96500 I : kuat arus t : waktu dimana waktu berbanding lurus terhadap konversi massa. Pada waktu yang semakin lama maka Cu yang menempel pada katoda akan semakin banyak. Sehingga kadar Cu2+ pada larutan elektrolit akan semakin sedikit sehingga volume yang dibutuhkan untuk menetralkan Cu2+ semakin berkurang. Maka volume titran berbanding terbalik dengan konversi volume.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 14

ELEKTROKIMIA

BAB V PENUTUP

V.1 Kesimpulan 1. Hubungan konversi massa dengan variasi arus berbanding lurus dengan waktu 2. Hubungan konversi volume dengan variasi arus berbanding terbalik dengan waktu 3. Hubungan konversi massa terhadap variasi anoda berbanding lurus dengan waktu 4. Hubungan konversi volume terhadap variabel anoda Fe dan Cu berbanding terbalik dengan waktu 5. Hubungan konversi volume terhadap beda katoda C dan Cu berbanding lurus terhadap waktu 6. Hubungan konversi volume terhadap variabel katoda C dan Cu berbanding terbalik dengan waktu 7. Waktu elektrolisis berbanding lurus dengan Xm dan Xv, karena t berbanding lurus dengan massa (m) V.2 Saran 1. Menambah metode praktikum dengan variasi konsentrasi larutan untuk mengetahui pengaruh Xm dan Xv pada beda konsentrasi 2. Menambah metode raktium degan variasi pH larutan untuk mene\getahui pengaruh Xm dan Xv pada beda pH

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 15

ELEKTROKIMIA

DAFTAR PUSTAKA Badger, W.Z. dan Bachero, J.F. ”Introduction to chemical Engineering”. International student edition, Mc Graw Hill Book Co. Farid, Ahmad.2012.”Proses Elektrolisis Untuk Pengambilan Seng dari Limbah Pada Industri Galvanis”.Semarang. tidak diterbitkan. Haris,Abdul.2006.“Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd Secara Elektrokimia”.Semarang, tidak diterbitkan. Daniels, F.1961. “Experimental Physical Chemistry”,6thed., Mc Graw Hill book. Kogakusha.Tokyo. Wiharti.2013.”Aplikasi Metode Elektrolisis Menggunakan Elektroda Platina, Tembaga, dan Karbon untuk Penurunan Kadar Cr dalam Limbah Cair Industri Penyamakan Kulit di Desa Sitimulyo, Piyungan, Bantul, Yogyakarta”.Yogyakarta, tidak diterbitkan Wiryawan, Dody.2013.“Pengaruh Variasi Arus Listrik Terhadap Produksi Brown’s Gas Pada Elektroliser”.Malang, tidak diterbitkan.

Laboratorium Dasar Teknik Kimia II 16

DATA HASIL PRAKTIKUM LABORATORIUM DASAR TEKNIK KIMIA II JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO MATERI : ELEKTROKIMIA I. BAHAN DAN ALAT Bahan 1. CuSO4.5H2O

0,4 N

2. KI

12 % w

3. Na2S2O3

0,15 N

4. Amilum 5. Aquadest Alat: 1. Tangki elektrokimia 2. Batang tembaga 3. Grafit 4. Voltmeter/ Amperemeter 5. Adaptor 6. Magntic Stirrer

II. CARA KERJA 1. Isi tangki elektrolisis dengan 500 ml larutan CuSO4.5H2O 2. Letakkan katoda dan anoda pada tangki dengan posisi yang permanen. Hubungkan anoda dengan kutub positif dan katoda dengan kutub negatif penyearah arus 3. Alirkan arus bertegangan rendah (besar arus bisa divariasi) dan jalankan pengadukan dengan perlahan-lahan 4. Ketika mencapai waktu yang telah ditentukan (waktu elektrolisa bisa divariasi)

hentikan pengadukan dan arus listrik, ambil katoda.

Selanjutnya cuci katoda, keringkan dan timbang. Analisa cairan sisa

A-1

elektrolisa dengan metode titrasi iodometri untuk mengetahui kandungan Cu2+ yang masih tersisa Keterangan Variabel berubah : arus listrik, waktu elektrolisis, konsentrasi.

Analisa Hasil Ambil 5 ml cairan sisa hasil elektrolisis, masukkan dalam erlenmeyer dan selanjutnya tambahkan 3 ml larutan KI 10% berat. Tutup mulut labu erlenmeyer dengan gelas arloji kecil dan biarkan selama 5 menit di tempat yang gelap agar reaksi berlangsung dengan sempurna. Selanjutnya cuci tutup gelas arloji dengan aquadest dan masukkan air cucian dalam erlenmeyer, kemudian titrasi larutan tersebut dengan larutan Na2S2O3 sampai warna larutan berubah menjadi kuning. Selanjutnya tambahkan 3 tetes indikator amilum ke dalam campuran dan dititrasi lagi dengan Na2S2O3 sampai warna biru tepat hilang (putih susu)

.

Cara Perhitungan 1. X1 =

𝑀−𝑀0 𝑀𝐶𝑢

.........................................(1)

Keterangan : X1

=

konversi massa

M

=

berat katoda setelah proses elektrolisa

M0

=

berat katoda sebelum proses elektrolisa

MCu =

berat tembaga dalam cairan mula mula

2. X2 =

V0. N−V.N 𝑉0 .𝑁

=

𝑉0 −𝑉 𝑉0

.........................(2)

Keterangan : X2

=

konversi volume

V0

=

volume larutan Na2S2O3 sebelum dielektrolisis

A-2

V

=

volume larutan Na2S2O3 setelah dielektrolisis

N

=

normalitas larutan Na2S2O3

III. HASIL PRAKTIKUM a.

Variabel 1 ( K : Cu A : Cu 60 mA) Tabel A.1 Data hasil praktikum variabel 1 t (menit) 0

b.

W (gr) V1 (mL) V2 (mL) Vtota (mL)l 6,144 11,4 9,2 20,6

3

6,146

8,3

13,1

21,4

9

6,147

9,7

17

26,7

12

6,149

10,8

15,8

25,8

Variabel 2 ( K : Cu A : Cu 80 mA) Tabel A.2 Data hasil praktikum variabel 2 T (menit) 0 3 9 12

c.

W (gr) V1 (ml) V2 (ml) Vtotal (ml) 6,141 10,8 15,8 20,6 6,143 9,3 10 19,3 6,146 8,1 16,6 24,9 6,148 8,1 16,3 24,4

Variabel 3 ( K : Cu A : Fe 80 mA) Tabel A.3 Data hasil praktikum variabel 3 T (menit) W (gr) V1 (ml) 0 6,139 8 3 6,141 7,9 9 6,144 10,3 12 6,148 5,5

V2 (ml) Vtotal (ml) 16,3 24,3 19,2 23 13,6 23,9 10,8 16,3

A-3

d.

Variabel 4 ( K : C A : Cu 80 mA) Tabel A.1 Data hasil praktikum variabel 1 T (menit) W (gr) V1 (ml) V2 (ml) 0 3 9 12

0,382 0,382 0,382 0,382

5,5 7,3 8,5 8,7

10,8 12,2 6,7 11,7

Vtotal (ml) 16,3 19,5 15,2 20,4

MENGETAHUI PRAKTIKAN

Badar I.A Christine I. Surya P.

ASISTEN

ANGGA M. KURNIA 21030112130126

A-4

A-5

A-6

A-7

LEMBAR PERHITUNGAN PRAKTIKUM

A. Hubungan kuat arus terhadap Xm dan Xv 1. Variabel 1 (60 mA) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 20,6 𝑥 0,15

𝑁

= 0,618

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,618

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 38,54775 𝑔𝑟𝑎𝑚

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 38,54775 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 9,81075 𝑔𝑟𝑎𝑚



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

 0 menit 6,144 − 6,144 9,81075 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

B-1

 3 menit 6,146 − 6,144 9,81075 𝑋𝑚 = 2,038 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 9 menit 6,147 − 6,144 9,81075 𝑋𝑚 = 3,05 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 12 menit 6,149 − 6,144 9,81075 𝑋𝑚 = 5,096 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 20,6 − 20,6 20,6 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

 3 menit 21,05 − 20,6 20,6 𝑋𝑣 = 0,021 𝑋𝑣 =

 9 menit 26,7 − 20,6 20,6 𝑋𝑣 = 0,296 𝑋𝑣 =

B-2

 12 menit 25,8 − 20,6 20,6 𝑋𝑣 = 0,251 𝑋𝑣 =

2. Variabel 2 (80 mA) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 26,6 𝑥 0,15

𝑁

= 0,798

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,798

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 12,668 𝑔𝑟𝑎𝑚



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

B-3

 0 menit 6,141 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 3 menit 6,143 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 1,57 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 9 menit 6,146 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 3,94 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 12 menit 6,148 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 5,525 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

 3 menit 𝑋𝑣 =

19,3 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,274

B-4

 9 menit 24,9 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0646 𝑋𝑣 =

 12 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0833 𝑋𝑣 =

B. Hubungan beda Anoda terhadap Xm dan Xv 1. Variabel 1 (Anoda : Cu) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 26,6 𝑥 0,15

𝑁

= 0,798

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,798

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 12,668 𝑔𝑟𝑎𝑚

B-5



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

 0 menit 6,141 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 3 menit 6,143 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 1,57 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 9 menit 6,146 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 3,94 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 12 menit 6,148 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 5,525 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

B-6

 3 menit 19,3 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,274 𝑋𝑣 =

 9 menit 24,9 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0646 𝑋𝑣 =

 12 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0833 𝑋𝑣 =

2. Variabel 2 (Anoda : Fe) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 24,3 𝑥 0,15

𝑁

= 0,729

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,729

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 45,471 𝑔𝑟𝑎𝑚

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 45,471 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 11,572 𝑔𝑟𝑎𝑚

B-7



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

 0 menit 6,139 − 6,139 11,572 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 3 menit 6,141 − 6,139 11,572 𝑋𝑚 = 1,72 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 9 menit 6,144 − 6,139 11,572 𝑋𝑚 = 4,32 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 12 menit 6,148 − 6,139 11,572 𝑋𝑚 = 7,77 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 24,3 − 24,3 24,3 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

B-8

 3 menit 27 − 24,3 24,3 𝑋𝑣 = 0,111 𝑋𝑣 =

 9 menit 23,9 − 24,3 24,3 𝑋𝑣 = −0,016 𝑋𝑣 =

 12 menit 24,3 − 24,3 24,3 𝑋𝑣 = −0,329 𝑋𝑣 =

C. Hubungan beda Katoda terhadap Xm dan Xv 1. Variabel 1 (Katoda : Cu) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 26,6 𝑥 0,15

𝑁

= 0,798

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,798

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚

B-9

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 49,775 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 12,668 𝑔𝑟𝑎𝑚



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

 0 menit 6,141 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 3 menit 6,143 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 1,57 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 9 menit 6,146 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 3,94 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

 12 menit 6,148 − 6,141 12,668 𝑋𝑚 = 5,525 𝑥 10−4 𝑋𝑚 =

B-10



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

 3 menit 19,3 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,274 𝑋𝑣 =

 9 menit 24,9 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0646 𝑋𝑣 =

 12 menit 26,62 − 26,62 26,62 𝑋𝑣 = −0,0833 𝑋𝑣 =

2. Variabel 2 (Katoda : C) (𝑉. 𝑁)𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = (𝑉. 𝑁)𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 5𝑥𝑁

= 16,3 𝑥 0,15

𝑁

= 0,489

𝑁

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 𝑥 1000 𝑥 𝑉𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒

0,489

=

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂𝑥 1000 𝑥 2 249,5 𝑥 500

𝑔𝑟𝑎𝑚 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂 = 30,501 𝑔𝑟𝑎𝑚

B-11

Massa Cu 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

𝑀𝑟 𝐶𝑢 𝑥 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑀𝑟 𝐶𝑢𝑆𝑂4 ∙ 5𝐻2 𝑂

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 =

63,5 𝑥 30,501 𝑔𝑟𝑎𝑚 249,5

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑢 = 7,762 𝑔𝑟𝑎𝑚



Konversi Massa (Xm) 𝑋𝑚 =

𝑚 − 𝑚0 𝑚𝐶𝑢

 0 menit 0,382 − 0,382 7,762 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 3 menit 0,382 − 0,382 7,762 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 9 menit 0,382 − 0,382 7,762 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

 12 menit 0,382 − 0,382 7,762 𝑋𝑚 = 0 𝑋𝑚 =

B-12



Konversi Volume 𝑋𝑣 =

𝑉 − 𝑉0 𝑉0

 0 menit 16,3 − 16,3 16,3 𝑋𝑣 = 0 𝑋𝑣 =

 3 menit 19,15 − 16,3 16,3 𝑋𝑣 = 0,184 𝑋𝑣 =

 9 menit 15,2 − 16,3 16,3 𝑋𝑣 = −0,067 𝑋𝑣 =

 12 menit 20,4 − 16,3 16,3 𝑋𝑣 = 0,251 𝑋𝑣 =

B-13

B-14

LEMBAR PERHITUNGAN GRAFIK A. Fraksi Massa 1. Variabel 1 ( K : Cu A : Cu 60 mA 200 rpm ) Tabel C.1 Perhitungan grafik variabel 1 t (x) 0

XM (y)

3

x

2

0

x.y 0

2,038 𝑥 10−4

9

6,114 𝑥 10−4

9

3,05 𝑥 10−4

81

27,45 𝑥 10−4

12

5,096 𝑥 10−4

144

61,152 𝑥 10−4

0

m=

= 0,455

c=

= 0,00081

y = 0,455x + 0,00081 2. Variabel 2 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.2 Perhitungan grafik variabel 2 t (x) 0

XM (y)

3

1,57 𝑥 10−4

0

x

2

0

x.y 0

9

4,71 𝑥 10−4

9

3,94 𝑥 10−4

81

35,46 𝑥 10−4

12

5,525 𝑥 10−4

144

66,3 𝑥 10−4

m=

= 0,407

c=

= 0,00023

y = 0,407x + 0,00023

C-1

3. Variabel 3 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.3 Perhitungan grafik variabel 3 t (x) 0

XV (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

0,021

9

0,063

9

0,296

81

2.664

12

0,251

144

3,012

m=

= -0,1927

c=

= -1,09

y = 0,1927x - 1,09 4. Variabel 4 ( K : Cu A : Cu 60 mA 200 rpm ) Tabel C.4 Perhitungan grafik variabel 4 t (x) 0

XV (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

−0,274

9

−0,822

9

−0,0646

81

−0,5814

12

-0,0833

144

−0,279

m=

= 0,2421

c=

= -0,0034

y = 0,2421x – 0,0034

C-2

5. Variabel 5 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.5 Perhitungan grafik variabel 5 t (x) 0

XM (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

1,57 𝑥 10−4

9

4,71 𝑥 10−4

9

3,94 𝑥 10−4

81

35,46 𝑥 10−4

12

5,525 𝑥 10−4

144

66,3 𝑥 10−4

m=

= 0,407

c=

= 0,00023

y = 0,407x + 0,00023 6. Variabel 6 ( K : Cu A : Fe 80 mA 200 rpm ) Tabel C.6 Perhitungan grafik variabel 6 t (x) 0

XM (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

1,72 𝑥 10−4

9

5,16 𝑥 10−4

9

4,32 𝑥 10−4

81

38,88 𝑥 10−4

12

7,77 𝑥 10−4

144

93,24 𝑥 10−4

m=

= 0,5867

c=

= 0,00088

y = 0,5867x + 0,00088

C-3

7. Variabel 7 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.7 Perhitungan grafik variabel 7 t (x) 0

XV (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

0,021

9

0,063

9

0,296

81

2.664

12

0,251

144

3,012

m=

= -0,1927

c=

= -1,09

y = 0,1927x - 1,09

8. Variabel 8 ( K : Cu A : Fe 80 mA 200 rpm ) Tabel C.8 Perhitungan grafik variabel 8 t (x) 0

XV (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

0,021

9

0,063

9

0,296

81

2.664

12

0,251

144

3,012

m=

= -0,0089

c=

= -0,0023

y = -0,0089x – 0,0023

C-4

9. Variabel 9 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.9 Perhitungan grafik variabel 9 t (x) 0

XM (y)

3

1,57 𝑥 10−4

x

0

2

0

x.y 0

9

4,71 𝑥 10−4

9

3,94 𝑥 10−4

81

35,46 𝑥 10−4

12

5,525 𝑥 10−4

144

66,3 𝑥 10−4

m=

= 0,407

c=

= 0,00023

y = 0,407x + 0,00023 10. Variabel 10 ( K : C A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.10 Perhitungan grafik variabel 10 t (x) 0

XM (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

0

9

0

9

0

81

0

12

0

144

0

m=

=0

c=

=0

y=0

C-5

11. Variabel 11 ( K : Cu A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.11 Perhitungan grafik variabel 11 t (x) 0

XM (y)

3

1,57 𝑥 10−4

x

0

2

0

x.y 0

9

4,71 𝑥 10−4

9

3,94 𝑥 10−4

81

35,46 𝑥 10−4

12

5,525 𝑥 10−4

144

66,3 𝑥 10−4

m=

= 0,407

c=

= 0,00023

y = 0,407x + 0,00023

12. Variabel 12 ( K : C A : Cu 80 mA 200 rpm ) Tabel C.12 Perhitungan grafik variabel 12 t (x) 0

XM (y)

x

2

0

0

x.y 0

3

0,184

9

0,552

9

−0,067

81

−0,603

12

0,251

144

3,012

m=

= 0,126

c=

= 0,00046

y = 0,126x + 0,00046

C-6

C-7

C-8

LEMBAR PERHITUNGAN REAGEN

1. CuSO4.5H2O; 0,4 N; 500 mL 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 =

𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑥 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑥 1000

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 =

0,4 𝑥 249,5 𝑥 500 2 𝑥 1000

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 = 24,95 𝑔𝑟𝑎𝑚

2. Na2S2O3.5H2O; 0,15 N; 250 Ml 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 =

𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑥 𝑀𝑟 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑥 1000

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 =

0,15 𝑥 248 𝑥 250 2 𝑥 1000

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 = 4,65 𝑔𝑟𝑎𝑚

3. KI; 12% w; pKI = 3,13; ρ H2O = 1 gr/mL 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝐾𝐼 + 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝐴𝑞𝑢𝑎𝑑𝑒𝑠𝑡 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =

0,12 𝑤 0,88 𝑤 + 3,13 1

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,918 𝑤 𝑤

= 54,47 𝑔𝑟𝑎𝑚

𝑤𝐾𝐼 = 12% 𝑥 𝑤 𝑤𝐾𝐼 = 12% 𝑥 54,47 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑤𝐾𝐼 = 6,536 𝑔𝑟𝑎𝑚

D-1

D-2

LEMBAR KUANTITAS REAGEN LABBORATORIUM DASAR TEKNIK KIMIA II JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO

PRAKTIKUM KE MATERI HARI/TANGGAL KELOMPOK NAMA

:5 : ELEKTROKIMIA : 9 April 2015 : 3 KAMIS PAGI : 1. BADAR ILHAM ANGGAWIJAYA 2. CHRISTINE INDIRA R.P. 3. SURYA PANDU PUTRA

ASISTEN

: ANGGA MUHAMMAD KURNIA

KUANTITAS REAGEN NO 1. 2. 3. 4. 5.

JENIS REAGEN CuSO4.5H2O 0,4 N 12% W KI Na2S2O3 0,15 N Amilum Aquadest

KUANTITAS 500 mL 50 mL 250 mL Secukupnya Secukupnya

TUGAS TAMBAHAN:  Resume Jurnal Internasional Elsevier dimasukan di BAB II

CATATAN:

SEMARANG, 9 April 2015

K : Cu A:Cu; 60 mA ; 200 rpm K : Cu A:Cu; 80 mA; 200 rpm

ASISTEN

K : Cu A:Fe; 80 mA; 200 rpm K : C A:Cu; 80 mA; 200 rpm

Waktu : (0,3,9,12) menit

Angga Muhammad Kurnia NIM.21030112130126

E-1

E-2

PENGARUH VARIASI ARUS LISTRIK TERHADAP PRODUKSI BROWN’S GAS PADA ELEKTROLISER Dody Wiryawan; Denny Widhiyanuriyawan; Nurkholis Hamidi Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Jalan MT. Haryono 167, Malang 65145, Indonesia E-mail: [email protected] ABSTRACT Currently, demand of petroleum in the world is increasingly from day to day. Consuming petroleum continuously will gradually dwindling the petroleum availability. Therefore, alternative energy is needed to replace the use of petroleum. One of alternative energy that can replace petroleum is Brown's Gas (HHO gas) obtained from water electrolysis process. The process of water electrolysis using DC power source with electrical current variations of 2A, 4A, 6A and 8A using wet cell electrolyzer. The solution used is pure distilled water, pure drinking water and pure distilled water mixed with Sodium Bicarbonate (NaHCO3) with a mass fraction of 0.99%, 1.15%, 1.31%, 1.48% and 1.64%. Obtained research data shows that the highest gas production on use of electric current 8A using distilled water mixed with a solution of NaHCO3 1,31% is 0.00171 l / s. Highest efficiency obtained on use of electric current 6A using distilled water mixed with a solution of NaHCO3 1,31% is 40.13%. Kata kunci: Brown’s Gas, petroleum, electrolyzer, electrical current, pure distilled water, sodium bicarbonate. yang melimpah dan dapat dimanfaatkan di bumi ini adalah air. PENDAHULUAN Air dapat Kebutuhan akan minyak bumi di dunia ini semakin hari semakin meningkat. Menurut Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) (2008), ketersediaan potensi sumber daya minyak bumi berkisar 56,6 miliar barrel sedangkan cadangan yang telah tereksplorasi sekitar 8,4 miliar barrel dan sementara yang telah diolah sudah mencapai 348 juta barrel. Minyak bumi yang dieksplorasi dan dikonsumsi setiap hari lambat laun akan habis, sedangkan proses terbentuknya minyak bumi memakan waktu jutaan tahun. Dengan adanya permasalahan tersebut, sudah seharusnya pemanfaatan bahan bakar alternatif yang baru dan ramah lingkungan dengan memanfaatkan ketersediaan sumber daya alam yang ada di bumi ini diterapkan. Salah satu sumber daya alam

1

F-1

dijadikan sebagai bahan bakar alternatif. Air dapat diubah menjadi salah satu bahan bakar alternatif yang ramah lingkungan dengan mengubahnya menjadi bentuk gas melalui proses elektrolisis. Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Proses elektrolisa memisahkan molekul air menjadi gas hidrogen dan oksigen salah satunya adalah dengan cara mengalirkan arus listrik ke elektroda ke tempat larutan elektrolit yaitu campuran air yang sudah ditambahankan katalis berada. Reaksi elektrolisis tergolong reaksi redoks tidak spontan, reaksi itu dapat berlangsung karena pengaruh energi listrik. Pada elektrolisis yang menghasilkan H2 dan O2, mulai timbulnya kedua gas ini setelah penggunaan tegangan lebih besar dari 1,7 Volt.

F-2

yang optimal. Elektrolisis air merupakan proses untuk menghasilkan gas H2 dan O2 murni dengan pemanfaatan energi listrik pada sistem. Molekul air dipecah menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirnya arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Faktor-Faktor yang memperngaruhi elektrolisis air : 1. Kualitas Elektrolit 2. Suhu 3. Tekanan 4. Resistansi Elektrolit 5. Material dari elektroda 6. Material pemisah Gas yang dihasilkan dari proses elektrolisis air disebut gas HHO atau oxyhydrogen atau disebut juga Brown’s Gas. Brown (1974), dalam penelitiannya melakukan elektrolisa air murni sehingga menghasilkan gas HHO yang dinamakan dan dipatenkan dengan nama Brown’s Gas. Untuk memproduksi Brown’s Gas digunakan elektroliser untuk memecah molekulmolekul air menjadi gas. Elektroliser terdiri atas katoda dan anoda. Reaksi yang terjadi pada elektroda pada proses elektrolisis adalah : Katoda :2H2O(l)+2e →2OH (aq)+H2(g) +

Anoda : 2H2O(l)→O2(g)+4H (aq)+4e

-

Gambar 1. Proses pembentukan Brown’s Gas pada elektroliser Pada penelitian ini, peneliti menggunakan larutan aquades murni, AMDK murni dan campuran antara aquades dengan katalisator NaHCO3 dan memvariasikan arus listrik hingga dicapainya produksi gas yang terbesar dengan penggunaan daya listrik yang relatif rendah agar tercapainya efisiensi F-3

Air Minum Dalam Kemasan (AMDK) merupakan air yang telah diolah dengan perlakuan khusus dan dikemas dalam botol atau kemasan lain dan memenuhi persyaratan air minum. AMDK yang terdapat di pasaran di dalamnya terkandung mineral-mineral tertentu. Mineral-mineral tersebut dapat dijadikan katalisator dalam larutan. Katalisator merupakan suatu zat yang ditambahkan ke dalam sistem yang akan direaksikan untuk mempercepat reaksi di dalamnya. Pada proses elektrolisis dibutuhkan suatu elektrolit yang dijadikan sebagai katalisator untuk mempercepat reaksi pertukaran ion-ion di dalamnya. Umumnya kenaikan konsentrasi katalisator mempengaruhi kecepatan reaksi dari proses elektrolisis. Semakin besar konsentrasi katalis maka akan mempercepat reaksi dan katalisator menurunkan tenaga aktivasi hingga kecepatan reaksi lebih besar. Kemampuan suatu katalis dalam mempercepat laju reaksi dipengaruhi oleh berbagai macam faktor. Faktorfaktor yang mempengaruhi kemampuan suatu katalis antara lain adalah sifat fisika dan kimia katalis, kondisi operasi seperti temperatur, tekanan, laju alir, waktu kontak, jenis umpan yang digunakan, dan jenis padatan pendukung yang digunakan. Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron-elektron yang mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Semakin besar arus listrik yang digunakan, maka pergerakan elektronelektron dalam larutan akan semakin cepat sehingga proses pemecahan molekul air akan semakin cepat dan produksi Brown’s gas meningkat. Pada penelitian ini, menggunakan rumus hukum ohm untuk menghitung besarnya tegangan dan hambatan yang terjadi pada proses F-4

tiap menitnya pada proses pengambilan data. Selanjutnya mempersiapkan elektrolisis. Rumus tersebut ditunjukkan pada persamaan berikut : V = I.R Rumus yang digunakan untuk menghitung daya listrik yang digunakan adalah sebagai berikut : P = V.I Efisiensi dari suatu elektroliser dapat dihitung dengan persamaan berikut, yaitu : ηHHO =

NaHCO3

100%

Produksi dari Brown’s Gas dapat dilihat dari volume alir gas tiap menit yang dihasilkan dari elektroliser. Oleh karena itu, dalam studi eksperimental ini dapat diteliti seberapa besar pengaruh produksi Brown’s Gas pada elektroliser Wet Cell dengan memvariasikan besaran arus listrik. METODE PENELITIAN Penelitian ini menggunakan metode penelitian eksperimental. Objek penelitian yang diamati adalah pengaruh variasi arus listrik terhadap produksi Brown’s Gas. Pengaruh yang diamati adalah debit (Q), temperatur (T), tegangan (V), daya (P) dan efisiensi (η). Penelitian dilakukan di Laboratorium Surya Fakultas Teknik Universitas Brawijaya pada bulan Juni. Instalasi utama penelitian yang digunakan seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Instalasi Penelitian Pada awal penelitian, dipersiapkan terlebih dahulu instalasi penelitian utama seperti pada gambar 2 dan stopwatch untuk menghitung waktu F-5

larutan yang akan di elektrolisis yaitu aquades murni, AMDK murni dan campuran antara aquades dengan NaHCO3. Setelah itu menimbang massa

yang digunakan yang ditentukan dengan fraksi massa. Fraksi massa NaHCO3 yang digunakan adalah sebesar 0.99%, 1.15%, 1.31%, 1.48% dan 1.64%. Lalu, larutan yang telah disiapkan dimasukkan ke dalam elektroliser. Elektroliser yang digunakan pada penelitian ini adalah berjenis wet cell dengan jumlah elektroda 6 buah pasang yang terdiri dari anoda dan katoda. Elektroda yang digunakan berbahan stainless Steel 304L. Bentuk elektroliser wet cell yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.

Gambar 3. Elektroliser Wet Cell Pada penelitian ini menggunakan variasi arus listrik sebesar 2A, 4A, 6A dan 8A. Arus listrik diatur dengan menggunakan regulator DC yang bersumber dari arus listrik AC. Pengambilan data dilakukan pada tiap variasi arus listrik yang digunakan disetiap fraksi massa NaHCO3 yang digunakan. Gas yang dihasilkan dari elektroliser dialirkan menuju gelas ukur dan diatur dengan menggunakan katup. Pengambilan data dilakukan tiap menit dengan menggunakan stopwatch.

F-6

1,8E-3 1,6E-3 1,4E-3 1,2E-3 1,0E-3 8,0E-4 6,0E-4 4,0E-4 2,0E-4 0,0E+0

50 Temperatur (C)

Volume Alir Gas (l/s)

HASIL DAN PEMBAHASAN

40 30 20 10 0

0

2

4

6

8

10

0

2

Arus (A)

Efisiensi (%)

Volume Alir Gas (l/s)

10

200

300

6

8

10

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

400

Daya (Watt)

0

2

4 Arus (A)

b.

e.

50

Aquades +NaHCO3 0.99%

40 Tegangan (V)

8

d.

1,8E-3 1,6E-3 1,4E-3 1,2E-3 1,0E-3 8,0E-4 6,0E-4 4,0E-4 2,0E-4 0,0E+0 100

6

Arus (A)

a.

0

4

1.15% 30

1.31%

20

1.48%

10

1.64% AMDK Murni

0 0

2

4

6

8

10

Aquades Murni

Arus (A)

c. Gambar 4. : a. Hubungan arus terhadap volume alir gas b. Hubungan daya terhadap volume alir gas c. Hubungan arus terhadap tegangan d. Hubungan arus terhadap temperatur F-7

e. Hubungan arus terhadap efisiensi

F-8

Arus listrik memiliki peranan penting dalam peningkatan produktivitas Browns Gas dari suatu proses elektrolisis berupa volume alir gas. Arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan elektron-elektron yang mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu. Pada gambar 4.a hubungan arus terhadap volume alir gas terlihat bahwa semakin besar arus yang digunakan maka volume alir gas akan semakin meningkat. Semakin besar penggunaan fraksi massa katalis NaHCO3 yang digunakan terlihat bahwa volume alir gas juga semakin besar seiring bertambahya arus. Namun, pada fraksi massa NaHCO3 1.48% hingga 1.64% mengalami penurunan produktivitas gas dikarenakan larutan mencapai keadaan jenuhnya. Pada keadaan jenuh ini, pergerakan ion menjadi sulit sehingga daya hantar menjadi lebih rendah. Pada penggunaan larutan aquades murni, volume alir gas yang dihasilkan dengan penambahan besaran arus tidak terlalu besar dibandingkan dengan penggunaan larutan lainnya. Hal tersebut dikarenakan hambatan pada larutan besar sehingga kemampuan larutan untuk dihantarkan arus listrik rendah yang ditunjukkan pada gambar hubungan larutan terhadap hambatan. Penggunaan AMDK (Air Minum Dalam Kemasan) sebagai larutan menghasilkan produktivitas gas berupa volume alir gas yang besar. Hal ini dikarenakan AMDK memiliki bermacam-macam kandungan yang dapat menjadi elektrolit di dalamnya untuk mempercepat laju reaksi pemecahan molekul air. Oleh karena itu, AMDK menghasilkan produktivitas Brown’s Gas yang cukup besar dengan pertambahan arus listrik dikarenakan air mineral memiliki banyak kandungan mineral di dalamnya yang akan bertugas

untuk menghantarkan arus listrik dengan cepat. Secara umum, terlihat pada gambar 4.b hubungan daya terhadap volume alir gas bahwa volume alir Brown’s Gas bertambah seiring dengan bertambahnya daya listrik yang dikonsumsi. Hal ini terjadi karena semakin besarnya daya yang dikonsumsi seiring pertambahan besaran arus listrik yang digunakan juga semakin besar seiring pertambahannya besaran tegangan yang terlihat pada gambar 4.c hubungan arus terhadap tegangan. Daya listrik yang digunakan dalam sembarang bagian dalam rangkaian DC sama dengan perkalian antara arus yang mengalir dengan voltase rangkaian. Gambar 4.b hubungan daya terhadap volume alir gas menunjukkan bahwa penggunaan katalis menurunkan konsumsi daya yang digunakan. Hal ini ditunjukkan pada penggunaan aquades murni sebagai larutan. Konsumsi daya yang digunakan untuk mengelektrolisis lebih besar dibandingkan dengan penggunaan larutan lainnya. Hal ini dikarenakan aquades murni tidak memiliki ion-ion yang membantu proses untuk memepercepat reaksi pemecahan molekul-molekul air sehingga hambatan dalam larutan aquades relatif besar. Hambatan yang besar akan membutuhkan tegangan yang relatif besar seiring bertambahnya besaran arus sehingga konsumsi daya menjadi besar. Penurunan konsumsi daya katalis ditunjukkan pada penggunaan aquades ditambahkan katalis NaHCO3 dan larutan AMDK murni. AMDK murni memiliki banyak kandungan mineral di dalamnya yang akan bertugas untuk menghantarkan arus listrik dengan cepat sehingga hambatan dalam larutan relatif lebih rendah dibandingkan dengan aquades murni dan menyebabkan konsumsi daya menjadi lebih rendah. F-9

AMDK murni memiliki hambatan Volume alir Brown’s Gas terbesar dihasilkan pada penggunaan aquades ditambahkan katalis NaHCO3 1.31% sebagai larutan dikarenakan aquades ditambahkan katalis NaHCO3 1.31% memiliki banyak anion dan kation yang terkandung di dalamnya yang akan bertugas untuk menghantarkan arus listrik dengan cepat. Konsumsi daya yang digunakan juga rendah dikarenakan hambatan yang terdapat dalam larutan rendah sehingga dengan tegangan yang relatif kecil menghasilkan arus yang besar. Namun, pada penggunaan larutan aquades ditambahkan katalis NaHCO3 1.48% pada konsumsi daya yang relatif sama menghasilkan volume alir gas yang lebih rendah dikarenakan larutan sudah mencapai keadaan jenuhnya sehingga menyebabkan anion dan kation sulit bergerak dan menyebabkan daya hantar untuk memecah molekul air menjadi rendah. Pada gambar 4.d hubungan arus terhadap temperatur menunjukkan semakin besar arus yang digunakan, maka temperatur larutan didalam elektroliser akan meningkat. Temperatur terbesar terjadi pada penggunaan aquades murni sebagai larutan. Hal ini dikarenakan aquades murni memiliki hambatan yang besar yang ditunjukkan pada gambar 5 hubungan larutan terhadap hambatan sehingga konsumsi daya yang digunakan besar seiring bertambahnya besaran arus. Konsumsi daya yang besar mengakibatkan energi untuk memecah molekul-molekul air menjadi gas berubah menjadi panas yang menyebabkan larutan dalam elektroliser meningkat temperaturnya. Penggunaan AMDK murni juga mengalami peningkatan temperatur pada proses elektrolisis. Namun peningkatan temperatur tidak sebesar dengan penggunaan aquades murni sebagai larutan. Hal ini dikarenakan F-10

terhadap energi listrik

larutan yang kecil sehingga konsumsi daya yang digunakan lebih rendah dibandingkan dengan konsumsi daya untuk mengelektrolisis larutan aquades murni. Dengan konsumsi daya yang lebih rendah, maka energi untuk memecah molekul air menjadi gas lebih optimal sehingga energi tidak sepenuhnya berubah menjadi panas. Pada penggunaan larutan aquades dengan penambahan katalis NaHCO3 pada berbagai macam fraksi massa menghasilkan temperatur larutan terendah. Temperatur larutan yang dihasilkan relatif sama dan peningkatannya tidak signifikan dibandingkan dengan penggunaan larutan aquades murni dan AMDK murni. Hal ini dikarenakan dengan penambahan katalis akan menurunkan hambatan dalam larutan yang akan dielektrolisis sehingga konsumsi daya yang digunakan rendah seiring pertambahan arus. Konsumsi daya yang rendah akan menyebabkan energi untuk memecah molekul-molekul air tidak sepenuhnya terbuang menjadi panas. Arus listrik yang digunakan mempengaruhi efisiensi yang dihasilkan pada elektroliser Wet Cell tersebut. Hal ini ditunjukkan pada gambar hubungan arus terhadap efisiensi. Penggunaan berbagai macam larutan menunjukkan perbedaan efisiensi yang dihasilkan. Semakin besar arus yang digunakan maka konsumsi daya yang digunakan juga semakin besar. Penurunan efisiensi disebabkan oleh kenaikan energi listrik yang digunakan yang perbandingannya lebih besar dibandingkan dengan energi Brown’s Gas yang dihasilkan pada proses elektrolisis. Pada gambar 4.e hubungan arus terhadap efisiensi terlihat bahwa efisiensi tertinggi pada penggunaan larutan aquades ditambahkan katalis NaHCO3 1.31% pada arus 6A. Hal ini dikarenakan perbandingan antara energi Brown’s Gas yang dihasilkan pada proses elektrolisis F-11

murni terlihat bahwa hambatan yang yang digunakan lebih besar energi Brown’s Gas yang dihasilkan. Efisiensi terendah terlihat pada penggunaan larutan aquades murni. Hal tersebut dikarenakan aquades tidak memiliki ion-ion yang membantu untuk mempercepat reaksi proses elektrolisis sehingga energi Brown’s Gas yang dihasilkan relatif lebih kecil dibandingkan larutan lainnya. Karena hambatan yang besar dalam proses elektrolisis dengan menggunakan larutan aquades murni, maka pada penambahan besaran arus, tegangan akan meningkat lebih besar dibandingkan dengan menggunakan larutan lainnya sehingga energi listrik yang dibutuhkan menjadi besar dan efisiensi menjadi rendah. Penggunaan AMDK murni sebagai larutan menghasilkan efisiensi yang lebih besar dibandingkan penggunaan aquades murni. AMDK murni mengalami kecendrungan penurunan efisiensi tiap pertambahan arusnya dikarenakan ion-ion yang terkandung dalam larutan AMDK murni sudah dalam titik optimumnya dalam menghantarkan listrik sehingga terjadi peningkatan konsumsi daya secara signifikan yang mengakibatkan penurunan efisiensi.

Gambar 5. Hubungan larutan terhadap hambatan Pada gambar 5 hubungan larutan terhadap hambatan menunjukkan bahwa penggunaan katalis menurunkan hambatan. Pada penggunaan aquades F-12

terjadi pada proses elektrolisis besar. Hal ini dikarenakan pada larutan aquades murni tidak terdapat ion-ion yang membantu dalam proses pemecahan molekul-molekul air menjadi gas sehingga reaksi yang terjadi lambat dibandingkan penggunaan larutan lainnya dan menyebabkan produksi Brown’s Gas relatif kecil yang ditunjukkan pada gambar hubungan arus terhadap volume alir gas. Pada penggunaan AMDK murni, hambatan yang terjadi pada larutan relatif lebih kecil dibandingkan dengan aquades murni. Hal tersebut dikarenakan pada larutan AMDK murni terdapat kandungan-kandungan mineral yang dapat membantu dalam mempercepat reaksi elektrlosis dalam memecah molekul-molekul air. Pada gambar 5 hubungan larutan terhadap hambatan terlihat bahwa penggunaan larutan aquades ditambahkan dengan katalis NaHCO3 menurunkan hambatan dengan signifikan. Hal ini disebabkan ion-ion katalis membantu dalam mempercepat reaksi dalam pemecahan molekulmolekul air untuk menjadi gas sehingga daya hantar menjadi lebih optimal dan produksi Brown’s Gas menjadi besar yang ditunjukkan pada gambar arus terhadap volume alir gas. KESIMPULAN 1. Pada percobaan yang dilakukan pada arus listrik 2A menunjukkan produksi gas tertinggi pada penggunaan larutan AMDK murni sebesar 0,000425 l/s, arus listrik 4A pada penggunaan larutan AMDK murni sebesar 0,000783 l/s, arus listrik 6A pada penggunaan larutan campuran aquades dengan NaHCO3 1.31% sebesar 0.00123 l/s dan arus listrik 8A pada penggunaan larutan campuran aquades dengan NaHCO3 1.31% sebesar 0.00171 l/s. F-13

2. Temperatur larutan dalam elektroliser mempengaruhi efisiensi dari Brown’s Gas. Peningkatan temperatur yang signifikan terjadi pada penggunaan larutan aquades murni. Hal tersebut dikarenakan hambatan dalam larutan tersebut besar sehingga pada penggunaan variasi arus listrik yang sama tegangan yang digunakan lebih besar dibandingkan larutan lainnya sehingga daya yang digunakan menjadi besar dan efisiensi menjadi rendah. 3. Hambatan dalam larutan mempengaruhi konsumsi daya listrik yang digunakan. Hambatan larutan terbesar dihasilkan oleh penggunaan larutan aquades murni sehingga konsumsi daya listrik terbesar pada penggunaan larutan aquades murni. 4. Efisiensi tertinggi dihasilkan pada penggunaan larutan campuran aquades dengan NaHCO3 1.31% pada arus listrik 6 A sebesar 40,13%.

Pengaruh Marlina, Ena. 2013. Prosentase Katalis NaHCO3 Terhadap Produksi Brown’s Gas Hasil Elektrolisis. Malang: Universitas Brawijaya. Putra, Arbie Marwan. 2010. Analisis Produktifitas Gas Hidrogen dan Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan KOH. Jurnal Neutrino Vol.2, No.2. Rieke, R.D.; Thakur D.; Roberts B.; White T. 1997. Fatty Methyl Ester Hydrogenation to Fatty Alcohol Part II: Process Issues, JAOCS, vol. 74, No.4. Sukardjo. 1985. Kimia Fisika. Yogyakarta: Bina Aksara.

DAFTAR PUSTAKA Achmad, H. 1992. Elektro Kimia dan Kinetika Kimia. Citra Aditya Bakti: Bandung. Ardiansyah, Muhammad. 2011. Analisis Penambahan Gas Hasil Elektrolisis Air Pada Motor Bakar 4 Langkah Dengan Posisi Injeksi Sebelum Karburator Disertai Variasi Derajat Timing Pengapian. Depok: Departemen Teknik Mesin, UI. Bird, J. 2010. Electrical Principles and technology for engineering. United States of America: Elsevier. Lestari, Dewi Yuanita. 2012. Pemilihan Katalis Yang Ideal. Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA. Yogyakarta : UNY F-14

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

ALKALINE WATER ELECTROLYSIS Isao Abe Office Tera, Chiba, Japan Keywords: Water electrolysis, alkaline, hydrogen, electrode, diaphragm, high pressure high temperature electrolyser, cell, electrocatalyst Contents 1. Introduction 2. Structure of Alkaline Water Electrolyzers 2.1 Unipolar Electrolyzer 2.2 Bipolar Water Electrolyzer 2.3 High Pressure Water Electrolyzer 3. Advanced Water Electrolyzers 4. High Temperature, High Pressure Operation 5. Structural Materials 5.1 Diaphragm Materials 5.2 Electrode Materials 6. System Design 6.1 Operating Temperature 6.2 Operating Pressure 6.3 Current Density 6.4 Total System Flow 6.5 Gas–Liquid Separator 7. Control System 7.1 Pressure Control System 7.1.1 The Combination of Pressure ControlCH APT ER Sand Pressure Difference Control

EOLSS

–

8.2

IMEUNESC OTechnolo gy Water Electroly zer

SAMPLE

7.1.2 Bottom Connection of the Gas–Liquid Separators 7.2 Other Controls 7.2.1 Electrolyte Flow Control 7.2.2 Temperature Control 7.2.3 Other Safety Measures 8. Examples of Advanced Electrolyzers 8.1 Sunshine Electrolyzer 8.3 GHW Water Electrolyzer 8.4 EI-250 Water Electrolyzer 9. Cost of Alkaline Water Electrolysis 9.1 Plant Cost 9.2 Cost of Electrolytic Hydrogen Production 10. Conclusion Glossary Bibliography Biographical Sketch

F-15

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-16

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

Summary Alkaline water electrolysis has a long history in the chemical industry. Its application for energy conversion in the hydrogen energy system is attracting attention, and advanced electrolyzers have been developed. The direction of development is towards higher efficiency by applying high temperature and high pressure operation. Although some successful results have been reported so far, whether this system can be actually used or not depends on the development of its competitors, solid polymer electrolyte (SPE) water electrolysis or high temperature steam electrolysis (HTE) . 1. Introduction The principle of water electrolysis is rather simple. Applying direct current to water causes electrolysis, splitting water into hydrogen and oxygen through the reaction shown in shown in Eqs. 1–3.

regenerated.

As

a

result,

one

molecule

of

CHAPTERSisdecomposedandanothermolecule of water moves to the anode.

water

(Cathode) (Anode) (Total)

2H2O +2e → 2OH + H 2 ↑ 2OH → H O + 2e + 1 O ↑ 2 2 2 1 2H O → H + O +H2 O 2 2 2 2

Through this reaction, two molecules of water and hydrogen evolves in

(1) (2) (3)

EOLSS

are decomposed

–

the cathode. In the anode, oxygen evolves and at the same time one molecule of water is

In industrial alkaline water electrolysis, 20–40% sodium hydroxide or potassium hydroxide aqueous solution is used for electrolyte instead of pure water, since pure water is highly resistive to electricity. Er, the reversible potential (equilibrium potential, namely theoretical voltage of

electrolysis) is given by following equation.

F-17

UNESCO 2F P 0SAMPLE

E =E r

−

RT

ln

P

(4)

0

0

where E is standard equilibrium potential, R is gas constant, T is absolute temperature, P0 and P are vapor pressure of pure water and electrolyte respectively. E0 is given by Go/2F, Go is increment of Gibbs free energy and F is Faraday constant (96519.4 coulomb), which is 1.226 V under 298 K and 1 atm. This is slightly higher than the decomposition voltage of 3 pure water under the same condition. Electricity required to produce 1 N m of hydrogen is, from Faraday's law, 2393 Ah (Ampere hours). As this reaction proceeds almost quantitatively, the minimum energy required is 2.94 kWh for 1 cubic meter of hydrogen. Since Er is theoretical equilibrium potential, actual cell voltage needed to continue the reaction is higher with the addition of ohmic loss of electrolyte and diaphragm and overvoltage (overpotential) by electrode reaction.

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-18

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

Actual cell voltage E is calculated according to the following equation. E = Er + Eir + Eohm

(5)

where E is electrolysis voltage (cell voltage), Er is reversible potential (reversible voltage, theoretical voltage of electrolysis), Eir is overvoltage (overpotential), and Eohm is ohmic loss. Reversible potential is theoretically decided according to the reaction condition, but overvoltage and ohmic loss vary with activity of electrodes and cell design. Overvoltage is loss due to “resistance” by the chemical reaction rate. To drive the chemical reaction of electrolysis, extra energy is required in addition to the reversible potential which corresponds to a zero reaction rate. In water electrolysis, overvoltage is decided by the reaction rate at the electrodes. Therefore electrodes with highly active electrocatalysts can reduce the

CHAPTERSEOLSS

overvoltage. Ohmic loss ismainlycausedbyelectricresistance of electrolyte, which can be reduced by shortening the distance between anode and

cathode. Ohmic loss is also caused by electric resistance of circuitry. Both overvoltage and ohmic loss increase with the increasing current density (current per unit area of electrode), hence increase of cell voltage and, therefore, increase of electric power to make hydrogen.

o

that means the volume at 0 C and 1atm. pressure. The water electrolyzers currently used in industry work at a cell voltage of 1.8–2.2 volts corresponding to 4.3–5.3 kWh per

–

Nm3hydrogen. “N” stand for “normal condition”

UNESCOSAMPLE

F-19

Figure 1. Distribution of cell voltage.

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-20

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

Figure 1 shows an example of distribution of cell voltage to its component. The enthalpy change, H , to electrolyze water is shown as follows: H= G+T S

(6)

The decomposition reaction of water by electrolysis is an endothermic reaction, where energy corresponding to G must be supplied in the form of electricity and the rest, T S, by heat. Cell voltage corresponding to T G is reversible voltage, about 1.2 V, and S , heat absorption potential, about 0.28 V. In actual electrolysis, cell voltage is higher than reversible potential and the difference is converted into heat. Since the reaction is endothermic, heat thus caused is absorbed by the reaction until total cell voltage exceeds 1.48 V, the sum of reversible voltage and heat absorption potential.

Therefore, this voltage is called “thermoneutral voltage” where all electric energy used for electrolysis is converted into heat content of evolved hydrogen gas. This voltage is used for the standard of 100% efficiency. Since current efficiency is almost 100% in water electrolysis, dividing 1.48 by cell voltage gives energy efficiency of electrolysis. No electrolysis is possible at cell voltage under reversible voltage, but it is possible, at –

steam electrolysis uses this principle

and by supplying part of the energy with heat, it reduces

UNESCO

cellvoltage.Asforalkaline water electrolysis, it is not practical to expect an electrolyzer to work below the thermoneutral voltage.

least theoretically, to electrolyze water under thermoneutral voltage. High temperature

CHAPTERSEOLSSovervoltageandohmiclossisused

At this cell voltage, all heat generated by

by the reaction and there is no heat generation or absorption to and from outside of the system.

electricity supplied beyond this point is converted into heat, which must be removed to maintain the temperature of cells. It is desirable to design the heat balance of electrolyzers so that the heat generated at the operating cell voltage is equal to the heat loss at the operating temperature. Figure 2 shows the change of these voltages versus temperature. The reversible voltage decreases with increased temperature, but thermoneutral voltage does not show much change, since this corresponds to the energy of hydrogen F-21

generated.

The thermoneutral

SAMPLE

voltage is very important in designing

electrolyzers, since all

The energy efficiency of a water electrolyzer is defined as the quotient of higher heat value of generated hydrogen by electric energy supplied to the system. Since electric energy is proportional to voltage under a constant current, the efficiency is calculated from cell voltage as mentioned before. In water electrolysis, the current efficiency is usually very high, more than 95%, and therefore the energy efficiency is almost equal to the voltage efficiency.

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-22

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

CHAPTERS Figure 2. Change of cell voltage by temperature.

–

2. Structure of Alkaline Water Electrolyzers UNESCO

EOLSS

There are two kinds of electrolyzer, unipolar and bipolar. These names come from the electrochemical function of the electrode in each type, and the two types are different in structure. -

SAMPLE TO ACCESS ALL THE 21 PAGES OF THIS CHAPTER, Visit: http://www.eolss.net/Eolss-sampleAllChapter.aspx

Bibliography Abe I., Fujimaki T., and Matsubara, M. (1984). Hydrogen production by high temperature, high pressure water electrolysis. Results of test plant operation. International Journal of Hydrogen Energy 9, 753–758. [The result of a test plant operation using 450 mmφ cell block and PTFE diaphragm at 120 °C and 20 atm.] Abe I., Fujimaki T., Matsubara M., and Yokoo Y. (1984). Hydrogen production by high-temperature, high-pressure water electrolysis, III; Results of 80 kW pilot plant operation. Hydrogen Energy Progress V, 727–736. [The test result of a pilot plant operation with 900 mmφ cell block and PTFE diaphragm at

F-23

120 °C and 20 atm is reported; corrosion of stainless steel material also reported.]

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-24

ENERGY CARRIERS AND CONVERSION SYSTEMS – Vol. I - Alkaline Water Electrolysis - Isao Abe

Cloumann A., d’Erasmo P., Nielsen M., and Halvorsen B. G. (1996). Analysis and optimization of equipment cost to minimize operation and investment for a 300 MW electrolysis plant. Hydrogen Energy Progress XI, 143–152. [This reports the cost estimation of a large scale water electrolyzer plant and hydrogen production cost with it.] Divisek J. and Malinowski P. (1986). Ceramic diaphragms on NiO-basis for advanced alkaline water electrolysis. Journal of Electrochemical Society 133, 915–920. [This paper reports the development of new ceramic diaphragms based on NiO for advanced alkaline water electrolysis] Dutta S. (1990). Technology assessment of advanced electrolytic hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 15, 339–386. [A comprehensive and critical assessment of advanced water electrolysis technology including alkaline, SPE and HTE.] Dutta S., Block D. L., and Port R. L. (1990). Economic assessment of advanced electrolytic hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy 15, 387–395. [A cost analysis of hydrogen production with advanced electrolytic technology including alkaline, SPE and HTE.]

CHAPTERSEOLSS

LeRoy R. L., Janjua M. B., Renaud R., and Leuenberger U. (1979). Analysis of time-variation effects in water electrolysis. Journal of Electrochemical Society 126, 1674–1682. [An analysis of unipolar electrolyzer equipment, which allows estimation of different contributions to cell voltage.] Murray J. N. (1982). Alkaline solution electrolysis advancements. Hydrogen Energy Progress IV(2), 583–592. [The development of cathode and anode electrode and diaphragm material is described.] Schug C. A. (1996). Operational characteristics of high–pressure, high-efficiency water-hydrogenelectrolysis. Hydrogen Energy Progress XI, 569–578. [Report on 5000 hours test operation of an advanced water electrolyzer using nickel oxide

–

diaphragm.

Vandenborre H., Leysen R., Nackaerts H., Van Der Eecken D., Van Asbroeck Ph., Smets W., and Piepers J. (1985). Advanced alkaline water electrolysis using inorganic membrane electrolyte (IME) technology.

UNESCO

International using polyantimonic acid diaphragm.]

Biographical Sketch

JournalofHydrogenEnergy 10 , 719–726. [Advanced alkaline electrolysis

SAMPLE

Isao Abe, born September 16, 1939, in Osaka, Japan, received his Bachelor of Engineering degree from the Department of Fuel Engineering, Faculty of Engineering, University of Tokyo (1963), and Master of Engineering from the Department of Reaction Chemistry of the same faculty, the same university (1966). He worked for Showa Denko K.K. as a chemical engineer (1966–1999), and was involved in development of the advanced alkaline water electrolyzer under the Sunshine Project of the Japanese government as the director of technical development (1974–1984); during that period, he worked as formal alternate representative of Japan to the IEA Task IV (water electrolysis) workshop. He has been editor-in-chief of Journal of the Hydrogen Energy System Society of Japan since 1998.

F-25

©Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS)

F-26

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

PENGARUH BAHAN ELEKTRODE PADA PENGAMBILAN Cu DAN Cd SECARA ELEKTROKIMIA (The Effect of Electrod materials on Cu and Cd Uptake by Electrochemical Method) Abdul Haris, Melani Suberta, Didik Setiyo Widodo Laboratorium Kimia Analitik Jurusan Kimia F MIPA Universitas Diponegoro Semarang 50275 ABSTRAK Pengolahan biji tembaga menjadi tembaga banyak dilakukan menggunakan proses pemekatan melelui pencucian dan pemisahan secara fisik dengan hasil yang tidak maksimal karena sebagian logam ikut terbuang bersama pengotor logam yang lain, diantaranya kadmium ke dalam ekosistem darat dan perairan. Telah dilakukan penelitian tentang pengaruh bahan elektroda pada pengambilan tembaga dan kadmium dari campuran dengan komposisi elektrolit CuSO4 dan CdSO4 secara elektrolisis. Sel elektrolisis menggunakan variasi bahan elektroda tembaga- karbon (Cu-C), seng - karbon (Zn-C) dan karbon-karbon (C-C). Elektrolisis dijalankan dengan potensial terpasang tetap pada temperatur kamar selama 2 jam. Hasil penelitian diperoleh bahwa kuantitas pengendapan tembaga terbaik pada elektrode 2+ (Zn-C) dapat menurunkan kadar Cu dari 63,5 ppm menjadi 41,5 ppm dengan efisiensi arus 32,0 %, dan elektrode (Cu-C) dapat menurunkan kadar Cd dari 112,4 ppm menjadi 94,4 ppm dengan efisiensi arus 3,8 % Kata kunci : tembaga, kadmium, elektrolisis, bahan elektroda ABSTRACT Copper ore treatment to become copper has astonishingly been done via preconcentration followed by washing and separating process physically resulted in less quantity product. That procedure liberates waste containing the metal and other impurity such as cadmium to environment. Research on effect of the electrode material has been performed in uptaking Cu and Cd in solution of CuSO4 and CdSO4 with electrolysis method. Electrolysis cell was constructed with varying electrode material of Cu-C, Zn-C and C-C. Process was completed at constant applied potential and room temperature within 2 hours. 2+ Data show that best process with the use of Zn-C electrode decreased Cu concentration from 63.5 to 41.5 ppm with current efficiency of 32.0%, while in the sistem with +2 Cu-C electrode decreased Cd concentration from 112.4 to 94.4 ppm with current efficiency of 3.8%. Keyword: copper, cadmium, electrolysis, electrode material PENDAHULUAN Pencemaran lingkungan dapat disebabkan oleh logam-logam berat diantaranya adalah logam berat tembaga dan kadmium yang terdapat pada limbah cair. Jumlah logam tembaga dan kadmium yang diperbolehkan terakumulasi dalam air berturut-turut adalah 1,3 dan 0,8 ppm dan F-27

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

1

F-28

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

bila lebih akan bersifat toksik dan dapat menyebabkan gangguan tertentu pada mahluk hidup, sehingga diperlukan langkah-langkah pencegahan berupa pengambilan atau pemisahan logam berat tersebut. Pengambilan logam dalam campurannya dengan metode elektrokimia dapat dilakukan pada kondisi optimal meliputi pengaruh kuat arus, potensial terpasang, pH larutan elektrolit, adanya ligan tertentu, elektrolit pendukung, dan bahan elektroda. Pengaruh potensial terpasang terhadap pengendapan tembaga dan perak dalam campuran perak nitrat dan tembaga sulfat telah dilakukan Wida (2003) menggunakan elektrode platina dan karbon diperoleh hasil maksimum pada potensial terpasang 0,8 dan 1,80 volt. Pada penelitian ini akan dilakukan pemisahan dan penentuan tembaga dan kadmium dengan cara elektrolisis dari suatu larutan yang mengandung campuran kedua ion logam tersebut. Kedua ion logam diendapkan dengan variasi bahan elektroda pada potensial dekomposisi masing-masing. Pada keadaan standar besarnya potensial sel pada pengendapan Cu secara teoritis dapat dihitung: 2+

-

Katoda: Cu (aq) + 2 e → Cu(s)

E° = 0,34 V +

-

Anoda : H2O(l) → ½ O2(g) + 2 H (aq) + 2 e E° = - 1,23 V 2+

+

Cu (aq)+H2O(l) → Cu(s)+½ O2(g)+2 H (aq) E°sel = - 0,89 V Besarnya potensial sel pada keadaan standar pada pengendapan Cd : 2+

-

Katoda: Cd (aq) + 2 e → Cd(s)

E° = - 0,40 V +

-

Anoda : H2O(l) → ½ O2(g) + 2 H (aq) + 2 e E° = - 1,23 V 2+

+

Cd (aq)+H2O(l) → Cd(s)+½ O2(g)+2 H (aq) E°sel = - 1,63 V Secara teoritis besarnya potensial terpasang pada pengendapan tembaga dapat dihitung dengan persamaan Nernst

E



0

E sel

sel

0,059 2

 P

log





.a

1/ 2 2

 H

a

2

Cu



 



Pengaruh dari potensial Ohmik akan menaikkan potensial yang dibutuhkan pada sel elektrolisis sehingga diperlukan potensial luar yang lebih besar dari persamaan Nernst. Bahan elektroda F-29

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

2

F-30

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

yang dipergunakan dalam proses elektrolisis adalah katoda tembaga, seng dan karbon dengan anoda karbon. Dari variasi bahan elektroda yang digunakan diharapkan akan dapat diperoleh perbandingan jumlah tembaga dan kadmium yang terendapkan pada masing-masing elektroda. Efisiensi arus merupakan besaran yang dapat digunakan sebagai salah satu parameter keberhasilan proses elektrolisis. Efisiensi arus adalah perbandingan antara jumlah materi yang terendapkan secara aktual dengan jumlah materi yang didapatkan melalui perhitungan teoritis (Khosla, 1988). Efisiensi arus dapat dituliskan dengan persamaan:

=  

Wobs W

x100% 

calc 

= efisiensi arus 

Wobs = berat endapan hasil percobaan (gram) Wcalc = berat endapan hasil perhitungan (gram) Dengan variasi bahan elektroda yang digunakan diharapkan akan dapat dipilih elektroda yang mampu mengendapkan tembaga dan kadmium dengan efisiensi arus yang besar. ALAT DAN BAHAN ALAT: Elektronaliser, neraca analitik Mettler A 200 dan pengaduk magnet, elektrode Cu, Zn dan C serta seperangkat alat gelas. BAHAN : CuSO4.5H2O p.a, CdSO4 p.a, H2SO4 pekat, aseton dan akuades PERCOBAAN Preparasi larutan elektrolit -3

Dibuat larutan CuSO4 2. 10 M dengan cara menimbang serbuk CuSO4.5H2O sebanyak 0,6242 gram dilarutkan dengan akuades hingga 100 mL larutan dan diencerkan sebanyak 12,5 kali. Untuk larutan CdSO4 2. 10

-3

M dengan cara menimbang serbuk CdSO4.5H2O sebanyak 0,641

gram dilarutkan dengan akuades hingga 100 mL larutan dan diencerkan sebanyak 12,5 kali.

F-31

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

3

F-32

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia -3

-3

Dibuat larutan dari campuran 25 mL CuSO4 2. 10 M dan 25 mL CdSO4 2. 10 M, sehingga diperoleh konsentrasi ion Cu

2+

2+

dan Cd

-3

masing-masing 1.10 M.

Penentuan potensial dekomposisi Sebanyak 50 mL larutan dielektrolisis dengan elektrode Cu-C pada potensial dari 0,0 volt sampai 4,0 volt dalam selang kenaikan 0,2 volt selama 2 menit. Dengan cara yang sama dilakukan dengan menggunakan material elektrode Zn-C dan C-C. Pengendapan Cu dan Cd secara elektrolisis Sebanyak 50 mL larutan dielektrolisis dengan elektrode Cu-C pada potensial dekomposisi Cu dan Cd pada suhu kamar selama 2 jam. Dengan cara yang sama dilakukan dengan menggunakan material elektrode Zn-C dan C-C. HASIL DAN PEMBAHASAN Saat elektrolisis berlangsung, pada anoda karbon terjadi proses oksidasi air (H2O) menghasilkan gas oksigen (O2) sedangkan pada katoda diharapkan hanya terjadi reduksi kation Cu

2+

2+

dan Cd

menghasilkan lapisan padat Cu dan Cd. Reaksi dapat berlangsung, jika nilai energi bebas gibbs negatif. Oleh sebab itu diperlukan potensial luar untuk menghasilkan E°sel positif. Pengaruh dari potensial Ohmik akan menaikkan potensial yang dibutuhkan karenanya dilakukan penentuan potensial dekomposisi dengan variasi elektrode sel elektrolisis pada pengendapan Cu dan Cd. Tabel1. Potensial dekomposisi pada pengendapan Cu dan Cd terhadap variasi elektrode. Bahan Elektrode

Potensial Luar ( Volt) Cu

Cd

Cu-C

2,02

2,60

Zn-C

1,77

2,71

C-C

1,74

2,44

Dalam sebuah sel elektrolisis, jumlah perubahan kimia yang terjadi sebanding dengan jumlah listrik yang mengalir. Namun demikian sering kali dari sekian banyak perubahan kimia yang F-33

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

4

F-34

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

terjadi hanya satu yang diperlukan, yaitu jumlah endapan logam pada permukaan katoda sehingga arus yang digunakan untuk perubahan kimia yang lain, misalnya pembentukan gas, dianggap sebagai pemborosan (pengurangan efisiensi). Tabel 2. Berat endapan Cu dan efisiensi arus pada variasi elektrode selama 2 jam Bahan Elektrode Cu-C

Arus (µA) 557

Berat (mg) 1,2

Efisiensi (%) 18,1

Zn-C

223

1,1

32,0

C-C

257

0,8

17,7

Elektrolisis untuk pengendapan Cu dengan katode tembaga memberikan penampakan fisik warna kuning mengkilat, permukaan agak berpori dan kurang kuat menempel pada katode. Pada katode seng memberikan hasil endapan Cu yang tidak merata serta dan rapuh. Kualitas terbaik pengendapan Cu terjadi pada katode karbon dengan permukaan halus dan menempel dengan kuat. Efisiensi arus pada pengendapan Cu dari ketiga jenis elektrode sangat rendah berkisar 17 – 32 % hal ini dapat dijelaskan karena arus yang digunakan tidak hanya untuk reduksi ion logam menjadi logam padat, melainkan lebih banyak digunakan untuk reduksi ion hidrogen. menjadi gas hidrogen. Tabel 3. Berat endapan Cd dan efisiensi arus pada variasi elektrode selama 2 jam Bahan Elektrode Cu-C

Arus (µA) 109

Berat (mg) 0,9

Efisiensi (%) 3,8

Zn-C

95

0,7

3,2

C-C

106

0,4

1,5

Efisiensi arus pada pengendapan Cd dari ketiga jenis elektrode sangat rendah berkisar 1,5 – 3,8 % dapat dijelaskan karena arus yang digunakan tidak hanya untuk reduksi ion logam menjadi logam padat, melainkan lebih banyak digunakan untuk reduksi ion hidrogen. menjadi gas hidrogen.

F-35

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

5

F-36

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

Elektrolisis untuk pengendapan Cd menggunakan elektrode (Cu-C) menghasilkan permukaan agak berpori dan menempel dengan kuat, menggunakan elektrode (Zn-C) memberikan hasil endapan yang tidak merata serta kekuatan menempel pada katode rapuh. Kualitas terbaik pengendapan Cd terjadi dengan menggunakan elektrode (C-C) dengan hasil permukaan endapan halus dan menempel dengan kuat. Hasil dari penelitian didapatkan bahwa konsentrasi Cu dan Cd yang diperoleh menurun seiring dengan jenis bahan elektrode yang digunakan yaitu (Cu-C), (Zn-C) dan (C-C). Penurunan berat endapan kadmium terhadap jenis elektrode yang digunakan karena setiap materi memiliki karakteristik sendiri-sendiri seperti sifat kelistrikan, rapat materi bahan, sifat unsur penyusunnya, porositas dan ikatan kimia yang ada. KESIMPULAN Berdasarkan penelitian dapat disimpulkan bahwa pengendapan Cu dan Cd dapat dilakukan dengan metode elektrolisis pada potensial terpasang tetap dengan berbagai variasi bahan elektrode (Cu-C), (Zn-C) dan (C-C). Efisiensi arus pada pengendapan Cu dan Cd dengan menggunakan ketiga jenis elektrode sangat rendah berkisar kurang dari 32 % hal ini dapat dijelaskan karena arus yang digunakan tidak hanya untuk reduksi ion logam menjadi logam padat, melainkan lebih banyak digunakan untuk reduksi ion hidrogen. menjadi gas hidrogen. Kualitas pengendapan tembaga terbaik pada elektrode (C-C), dapat menurunkan kadar Cu dari 63,5 ppm menjadi 41,5 ppm, dan kadar Cd dari 112,4 ppm menjadi 94,4 ppm, sedangkan kadar logam Cu dan Cd yang diperbolehkan terakumulasi dalam air berturut-turut adalah 1,3 dan 0,8 ppm, sehingga dengan optimasi dari variasi elektrode belum dapat mengurangi kadar Cu dan Cd dibawah batas ambang yang diijinkan. SARAN Perlu dilakukan penelitian untuk menentukan kondisi optimal dengan penambahan ligan 2+

pengompleks tertentu untuk ion Cu

2+

dan Cd

dalam larutan.

UCAPAN TERIMAKASIH

F-37

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

6

F-38

Abdul Haris, Dkk.:Pengaruh Bahan Elektrode pada Pengambilan Cu dan Cd secara Elektrokimia

Ucapan terimakasih penulis haturkan kepada Kepala Laboratorium Kimia Analitik yang telah memberikan sarana dalam penelitian ini dan kepada Bapak Ismiyarta, M.Si atas saran dan koreksi demi kesempurnaan tulisan ini. DAFTAR PUSTAKA 1. Bard,J.A.; Faulkner,R.L.; Electrochemical Method: Fundamentals and Applications; John Wiley and Sons Inc: New York,1980;16. 2. Couper,A.M.;

Pletcher,D.;Walsh,F.C.;

Electrode

Material

for

Electrosynthesis,

Chem.Rev.,1990,90;837-865. 3. Crow,D.R.; Principles and Application of Electrochemistry; Chapman and Hall Inc: London, 1988; 200-201. 4. Potter,E.C.; Electrochemistry Principles and Application, cleaver Hume Press LTD:London 1971; 355-356. 5. Sanders, A.H.; Elecroplating, International Text Book Comp: Seranton, 1984;32-34;53-54.

F-39

JSKA.Vol.IX.No.3.Tahun.2006

7

F-40

The resulting overall reaction is DC Power

2NaCl + 2H2O salt

Industrial Electrolysis and Electrochemical Engineering by Morris Grotheer, Richard Alkire, and Richard Varjian with modifi cations by Venkat Srinivasan and John Weidner The introduction of the electrical dynamo in the early 1870s made large scale, relatively inexpensive electric power available for commercial scale chemical production. The early electrolytic products included the metals aluminum, potassium, and sodium; strong chemicals such as bleach, chlorine, bromine, and sodium hydroxide. Over the years, a wide variety of materials, primarily metals and strong oxidizing agents, have been produced electrolytically. Among those produced today are chlorine, sodium hydroxide, sodium chlorate, hydrogen, oxygen, aluminum, copper, magnesium, zinc, and adiponitrile, a raw material for the manufacture of nylon. Electrochemical reactors are called electrolysis cells. The cells consist of a container, the cell body; two electrodes, the anode and cathode, where the electrochemical reactions occur; and an electrolyte. Some cells have a diaphragm or membrane between the anode and cathode compartments to separate the anodic and cathodic products. While general purpose electrolysis cells are available, cells are usually custom designed for a particular process. The electrolysis cells used to produce the various chemicals and metals cited above differ significantly from one another. Electrolytic processes consume more than 6% of the total electrical generating capacity of the United States. It is the responsibility of the electrochemical engineer in industry to simultaneously manage electrical consumption and chemical

production. He or she must apply relevant scientific and engineering principles to design, construct, and operate a process in an economical, safe, and environmentally conscious

water

→ aOH + Cl2 +

H2

sodium hydroxide

hydrogen

chlorine

Early production plants were located where electric power from hydroelectric or steam sources and solid salt or brine deposits were readily available. Over the years, two processes emerged. The first was the diaphragm cell, in which a porous asbestos mat separated the anode and cathode compartments. The second was the mercury cell, where the cathode was actually a pool of liquid mercury. The cathodic reaction involved the formation of a sodium amalgam which was separated in a second cell (the stripper cell). The mercury cell used more electrical energy but produced a product of higher purity than the diaphragm cell. Factors, including environmental concerns about mercury and asbestos, product purity of the diaphragm cell, and the availability of new electrodes and materials, currently favor a third system, the membrane cell. The membrane is an impervious separator that allows only sodium ions to pass between the anode and cathode compartments. This results in greater product purity than the diaphragm cell and lower energy consumption than the mercury cell. The membrane is the latest in a series of developments, which include catalytically coated titanium anodes, low voltage cathodes, and corrosion resistant polymers used for cell bodies, that have been incorporated into chlor-alkali cells in the past 30 years. Experience has shown that cell designs manner. Improved understanding of scientific principles and the application of new materials can lead to more efficient cell designs and processes. The constant evolution of technology provides challenging and rewarding careers to engineers and scientists in a range of disciplines.

Examples of Industrial Electrolytic Processes While a summary of industrial activity follows, a more complete discussion of industrial activity is published annually in the Journal of The Electrochemical Society. Some specific references for additional reading are given at the end of this section.

Chlorine and Sodium Hydroxide Two common chemicals produced by electrolysis of salt solutions are

F-41

chlorine and sodium hydroxide. The principal electrode reactions that occur in the electrolysis of salt solutions are (Anode) (Cathode)

2Na + 2Cl → Cl +

-

evolve constantly and it is expected that new technology will be incorporated into membrane cells in the years ahead. +

-

One example of the constant evolution in

+ 2Na + 2e design is the development of a process that 2H O + 2e → H 2 + 2 OH produces chlorine by electrolyzing 2

2

hydrochloric acid in cells that are similar to ones described above. Hydrochloric acid is produced as a by-product in various organic processes and its handling and disposal pose serious environmental problems. Electrolyzing the acid to supplement the chlorine produced from chlor-alkali cells allows for a viable means to dispose the chemical. Figure 1 describes a new development in this area where a significant reduction in the energy use was achieved by using an electrode material that allows for the use of oxygen as the feed (an oxygen depolarized cathode), along with a design to feed the oxygen into the system (a gas diffusion electrode). The concept described here is expected to be implemented in the nextgeneration electrochemical technologies to enhance energy savings. 52

The Electrochemical Society Interface • Spring 2006

F-42

control of cell conditions, impurities are left behind, either as undissolved solids or as dissolved species that do not plate out. The scientific fundamentals that underlie copper electrorefining include thermodynamics, kinetics, mass transport, and current and potential distribution phenomena. However, fundamental concepts must be transformed into engineering designs to achieve economical operation and high quality product.

Membrane Processes Membranes make possible an enormous variety of separation processes. Examples of membrane separations include desalting of brackish water and of seawater, demineralization of food products, separation of amino acids, and recovery of resources from wastewater streams. In these processes, the key component is a membrane that permits some chemicals to go through but not others, thus separating them.

Photo reproduced by permission of Bayer MaterialScience AG.

FIG. 1. A modern chlorine production cell installation using ion exchange membrane cells. Each electrolyzer consists of planar cell elements separated from each other by a sheet of ion exchange membrane. The cell uses hydrochloric acid and oxygen to produce chlorine gas and water. The cell shown above is the first plant built with a new electrode termed an oxygen depolarized cathode (ODC), and a gas diffusion electrode (GDE) to feed the oxygen. Developed by a joint cooperation of De Nora Tecnologie Elettrochimiche, Bayer Material Science, and Uhde, these changes reduce the energy demand from 1700 kWh per ton of chlorine to 1000 kWh per ton of chlorine. The companies involved received the New Electrochemical Technology Award of the ECS Industrial Electrolysis and Electrochemical Engineering Division in 2005 for this advance. The ODC electrolysis of HCl may be seen as the forerunner of a new family of electrochemical processes all based on the GDE technology and all characterized by lower energy consumption compared to conventional plants. (Picture courtsey of the three companies.)

Aluminum Prior to its manufacture by electrolysis, aluminum metal was extremely rare, as expensive as silver, and just as prized. Today aluminum is an inexpensive and widely available material valued for its corrosion resistant properties. The large demand for aluminum products is reflected in that aluminum production consumes more electrical power than any other electrolytic process. DC Power

2A12O3 aluminum oxide

+ 3C carbon

→

for understanding these effects and for achieving optimum production conditions.

Understanding of transport processes across membranes is far from complete, although many industrial processes have been established successfully. Extensive activity is currently directed toward obtaining better insight into how membranes work and toward achieving new membrane recipes that exhibit high selectivity, low ohmic resistance, and robust strength over wide ranges of pH and chemical environments. New industrial membrane processes are constantly emerging as this technology matures.

Electro-organic Synthesis

In the aluminum industry, intensive research efforts are currently directed toward increasing cell efficiency and toward conserving energy by reducing cell voltage. Among the major research concepts are development of process sensors and control schemes Anode for maintaining consistently high efficiency, and Cathode development of electrode

A commercial process for producing organic chemicals that is currently practiced on a scale comparable to the inorganic chemicals and metals cited above is the electrohydrodimerization of acrylonitrile to adiponitrile + H2O → 2H + ½ O2 + 2e -

-

2CH2 = CHCN + 2H2O + 2e →NC(CH2)4CN + 2OH

materials that permit lower

Al + aluminum

3CO2 carbon dioxide

cell voltages and that are not derived from petroleum byproducts.

DC Power

2CH2=CHCN acrylonitrile

One electrode in the cell is made of carbon and is consumed in this high temperature process. Several unwanted reactions also occur, so the production efficiency based on electricity consumption is less than l00%. Among the considerations that influence cell efficiency and lower consumption are temperature, spacing

ΗΟ water

→

½ O2 oxygen

+ NC(CH2)4CN adiponitrile

Metal Winning and Refining Many other metals are obtained from their ores (winning) or purified from impure stock (refining) by electrochemical processes. Among numerous examples are copper, nickel, zinc, magnesium, and titanium. In the copper industry, for instance, electrorefining is carried out by placing

Specialty organic chemicals that are produced electrochemically include perfluorooctanoic acid [CF3(CF2) 6COOH] and perfluorooctanesulfonic acid [CF3(CF2)7SO3H]. Several electro-organic processes have been practiced on a semicommercial scale. Examples are the oxidation of benzene to benzoquinone

F-43

between electrodes, electrode material, electrolyte consumption, cell size, source of raw material, and production rate. Clearly, engineering skill is required The Electrochemical Society Interface • Spring 2006

impure copper sheets in a cell, dissolving them by electrolysis in a bath of sulfuric acid, and electroplating pure copper at the other electrode. By judicious

and the epoxidation of propylene to propylene oxide. Many electro-organic reactions are facile, and scientific (continued on next page) 53

F-44

Industrial Electrolysis... (continued from previous page)

understanding is constantly improving. The reasons for the relative lack of large scale electro-organic processes are primarily economic. As feedstock and energy conditions change and technology progresses, additional electro-organic processes may achieve economic viability.

7. Advances in Mathematical Modeling and Simulation of Electrochemical Processes - and Oxygen Depolarized Cathodes and Activated Cathodes for Chlor-Alkali and Chlorate Processes, J. W. Van Zee, T. F. Fuller,

constraints have led to the need for dramatic process changes and reoptimizations. The introduction of new materials in electrolytic cells has

P. C. Foller, and F. Hine, Editors, PV 98-10, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (1998).

About the Authors MORRIS GROTHEER, a member of ECS since 1963, is retired from the Kerr McGee Corp.

Electrochemical Engineering While each of the processes above use cells designed for a specific purpose, they are all bound together by fundamental principles that govern the operation. Known collectively as the principles of electrochemical engineering, these concepts include transport processes, current and potential distribution phenomena, thermodynamics, kinetics, scale-up, sensing, control, and optimization. With use of quantitative methods, many salient features of cell operations can be modeled in concise mathematical form. Thus, it has been increasingly possible to predict cell behavior without the cost of an extensive empirical (trial and error) program of preliminary study. These principles cut across all electrochemical industries and can be applied with equal success whether they are used to design a plant to produce chemicals or to design a battery or a fuel cell for use in an electric car. While these concepts are well established in the electrolytic industry, their use in other areas has blossomed in the last few years. Concepts of current and potential distribution within cells, originally conceived by electroplaters, are now being applied throughout the field.

RICHARD C. ALKIRE holds the Charles J. and Dorothy G. Prizer Endowed Chair in the Department of Chemical and Biomolecular 

Engineering at the University of Illinois and is a Honorary Member of ECS. He received

Fellow and

three of the Society’s most prestigious awards: the Carl Wagner Award in 1985, the Edward G. Acheson Award in 1996, and the Vittorio de Nora Award in 2004. He served as ECS President for the 1985-86 term. He may be reached at [email protected]. RICHARD VARJIAN is a Technical Leader in the New Ventures Business of The Dow Chemical Company in Midland, Michigan, where his role is developing new process technologies. He is a past chair of the ECS IEEE Division. He may be reached at [email protected]. VENKAT SRINIVASAN is a scientist at the Lawrence Berkeley National Lab in Berkeley, California, where he works with a team of researchers solving the multitude of problems that prevent Li-ion batteries from being used in hybrid-electric vehicles. Venkat is a regular contributor to Tech Highlights (featured in Interface) and the author of the report of the Electrolytic Industries for the years 2001, 2002, and 2004. He may be reached at [email protected]. JOHN W. WEIDNER is a professor of chemical engineering at the University of South Carolina. He has published 53 refereed papers on the synthesis and characterization of electrochemically active materials, and the design and optimization of electrochemical systems. Professor Weidner is currently Secretary/Treasurer of the ECS Industrial Electrolysis and Electrochemical

Engineering (IEEE) Division. He may be reached at [email protected].

The impact on industry of these developments has been impressive. Beneficial cross fertilization of ideas has occurred recently at an explosive rate. For example, ion exchange membranes, originally developed for fuel cells in space capsules, have revolutionized chlor-alkali production. These same membrane materials have been readapted for use in redesigned fuel cells for terrestrial applications. Similarly, the oxygen depolarized cathode and the gas diffusion electrode, described in Fig. 1, are concepts borrowed from fuel cells and used for chlorine production.

Future of Electrochemical Technology The development, design, and operation of electrochemical processes have seen enormous advances within the last few decades with profound changes in the recent past. The consequences of energy feedstock and pollution

F-45

The Electrochemical Society Interface • Spring 2006

led to evolution of wholly new cells and systems. These trends, which have been accompanied by a maturing and deepening of fundamental principles of electrochemical engineering and science, have generated an enormous number of new process options and technologies. For example, the introduction of high surface area porous electrodes into electrolytic cells significantly improves the recovery of metals from very dilute solutions such as occur in the rinse streams of electroplating operations. The opportunities for the future are exciting.

Additional Reading 1. V. Srinivasan, P. Arora, and P. Ramadass, J. Electrochem. Soc., 153, K1 (2006);

Electrochem. Soc. Interface, 12(4), 46 (2003).

2. Electrochemistry in Mineral and Metal Processing VI, F. M. Doyle, G. H. Kelsall, and R. Woods, Editors, PV 2003-18, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (2003). 3. Energy and Electrochemical Processes for a Cleaner Environment, E. W. Brooman,

C. Cominellis, C. M. Doyle, and J. Winnick, Editors, PV 2001-23, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (2002). 4. Tutorials in Electrochemical EngineeringMathematical Modeling, R. F. Savinell,

J. M. Fenton, A. C. West, S. L. Scanlon, and J. Weidner, Editors, PV 99-14, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (1999). 5. Chlor-Alkali and Chlorate Technology: R. B. MacMullin Memorial Symposium, H. S. Burney, N. Furuya, F. Hine, and K.-I. Ota, Editors, PV 99-21, The

Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (1999). 6. Environmental Aspects of Electrochemical Technology, E. J. Rudd and C. W. Walton, Editors, PV 99-39, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington, NJ (2000).

R. C. Alkire and T. W. Chapman,

54

F-46

1

APLIKASI METODE ELEKTROLISIS MENGGUNAKAN ELEKTRODA PLATINA (Pt), TEMBAGA (Cu) DAN KARBON (C) UNTUK PENURUNAN KADAR Cr DALAM LIMBAH CAIR INDUSTRI PENYAMAKAN KULIT DI DESA SITIMULYO, PIYUNGAN, BANTUL, YOGYAKARTA Wiharti, Riyanto dan Noor Fitri Jurusan Ilmu Kimia, FMIPA, Universitas Islam Indonesia, Yogyakarta Email : [email protected] ABSTRACT Has done research on reduction of Cr in tannery wastewater using electrolysis method. Electrolysis process is done with the initial pH 0.5 by addition of H2SO4 95-97%. Electrolysis is done with a variety of types of electrode, voltage and electrolysis time. Voltage that is used by 5, 10, 15 and 20V, while the electrolysis time used is 1, 2, 3, 4, and 5 hours and the type of electrodes used is Cu-Pt, Cu-Cu and Cu-C. Electrolysis resulting solution was analyzed using AAS (Atomic Absorption Spectroscopy). The results showed that the % decrease in Cr concentration is highest at the Cu-Cu electrodes with a time of 2 hours and a 15V voltage is equal to 71.73% while for the Cu-C at the time of 3 hours and a voltage of 10V % reduction of Cr by 58.64%. And for the Cu-Pt electrodes at 2 hours and voltage 20V % reduction of Cr by 49.63%. Keywords : Electrolysis, Copper, Platinum, Carbon, Cr and Tannery industrial wastewater.

PENDAHULUAN Salah satu jenis industri yang menggunakan bahan berbahaya dan beracun (B3) pada proses produksinya adalah industri penyamakan kulit yang menggunakan senyawa kromium (Cr) (Palar, 1994). Pada industri penyamakan kulit hampir 90% menggunakan kromium trivalen dalam proses penyamakan karena efektif, murah, dan tersedia di pasaran. Senyawa krom (Cr) pada industri penyamakan kulit berfungsi sebagai bahan penyamak agar menghasilkan kulit samak yang mempunyai sifat ketahanan terhadap panas dan kemuluran serta kelemasan yang tinggi. Industri penyamakan kulit juga menghasilkan limbah yang berbahaya terhadap lingkungan. Jenis limbah yang dihasilkan, yaitu limbah cair, limbah padat, dan limbah gas. Limbah cair maupun lumpur yang dihasilkan dengan menggunakan bahan penyamak kromium trivalen ditandai dengan warna limbah yang kebiru-biruan. Limbah padat dan cair diduga mengandung krom valensi 6 dan krom valensi 3. Krom valensi 6 sangat toksik bersifat karsinogenik dan mutagenik (Manahan, 1992). Limbah tersebut dapat membahayakan lingkungan karena kromium trivalen dengan adanya oksidator tertentu dan kondisi lingkungan yang memungkinkan akan teroksidasi menjadi kromium heksavalen yang merupakan jenis bahan berbahaya dan beracun (B3) yang dapat membahayakan kesehatan.

Pada dasarnya logam dalam air buangan dapat dipisahkan dengan berbagai cara untuk mengurangi kandungan ion logam di dalam air buangan tersebut. Salah satu cara pengolahan yang sering dipakai untuk menurunkan kadar logam berat industri adalah dengan cara elektrolisis. Elektrolisis merupakan suatu peristiwa dimana suatu larutan akan diuraikan menjadi ionionnya, yaitu ion positif (kation) dan ion negatif (anion), ketika arus listrik searah dialirkan ke dalam larutan elektrolit melalui elektroda. Pada peristiwa ini kation akan mengalami reduksi karena menangkap elektron, sedangkan anion akan mengalami oksidasi karena melepaskan elektron. Maka peristiwa reduksi terjadi di katoda dan oksidasi terjadi di anoda, dan kation akan menuju katoda sedangkan anion akan menuju anoda (Skoog, 1993). Berdasarkan penelitian yang pernah dilakukan faktor-faktor yang mempengaruhi proses elektrolisis yaitu kerapatan arus listrik, waktu, tegangan, kadar keasaman (pH), ketebalan plat dan jarak antar elektroda (Putero, 2008). Pada penelitian ini dilakukan penurunan kadar krom (Cr) dalam limbah cair penyamakan kulit menggunakan elektroda platina (Pt), tembaga (Cu) dan karbon (C). Secara teoritis penurunan kadar logam dihitung dengan rumus : % Penurunan = x 100% Dimana :

F-47

Co = konsentrasi awal

F-48

0,125 mL; 0,25 mL; 0,5 mL; 0,75 mL; 1,25 mL dan

Ct = konsentrasi akhir Faktor-faktor yang dipertimbangkan ketika memilih bahan elektroda adalah stabilitas fisik dan kimiawi yang meliputi ketahanan terhadap korosi, pembentukkan oksida dan hidrida tertentu, laju dan selektivitas produk yang akan terbentuk, konduktivitas listrik, ketahanan dan harga faktor, serta kesesuaian dengan desain sel atau sistem (Artadi, 2007). Bahan elektroda yang digunakan dalam proses elektrolisis adalah anoda tembaga, platina dan karbon dengan katoda tembaga. Dari variasi ini diharapkan mampu menentukan perbandingan hasil penurunan kadar Cr serta pengaruh elektroda. Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan % penurunan kadar Cr terbesar dengan variasi yang dilakukan adalah jenis elektroda (Cu-Pt, Cu-Cu, dan Cu-C), Voltase (5, 10, 15 dan 20 Volt) dan waktu elektrolisis (1,2,3,4 dan 5 Jam). Selain itu dilakukan pengambilan data berat katoda sebelum elektrolisis dan berat katoda setelah elektrolisis. Kemudian dihitung selisih berat katoda sebelum dan sesudah proses elektrolisis untuk mengetahui berat Cr yang menempel pada katoda dengan rumus : Berat lapisan = Berat katoda akhir – Berat katoda awal (Ahmad, 2011). METODE PENELITIAN 2.1 Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Limbah Cair Penyamakan Kulit, Larutan standar Cr Spektrosol 1000 mg/L, Asam nitrat (HNO3) 65% p.a (merck), Asam perklorat (HClO 4) 70% p.a (merck), Asam sulfat (H2SO4) 95-97% p.a (merck) dan Akuadest. 2.2 Peralatan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah Voltameter IC Regulated DC Power Supply Thunder, Amperemeter DT 830 Digital Multimeter, pH Meter (Hanna instruments), Pengaduk Magnet dan hot plate, Peralatan Gelas Laboratorium, Kertas Saring Whatman 42, Platinum (Pt) , Tembaga (Cu), Karbon (C), Kompor Listrik dan Seperangkat alat Spektrofotometer Serapan Atom (SSA) Perkin Elmer 5100 . 2.3 Prosedur Pembuatan Larutan Standar Cr Dibuat larutan standar Cr 100 mg/L dengan mengencerkan 2,5 mL larutan standar kromium 1000 mg/L menjadi 25 mL. Melalui pengenceran, dapat dibuat satu seri larutan standar dengan variasi konsentrasi 0,0; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0 dan 10 mg/L dengan mengencerkan 0 mL;

F-49

2

2,5 mL larutan standar Cr 100 mg/L dengan akuades ke dalam labu ukur 25 mL sampai tepat tanda batas. Kemudian dianalisis dengan SSA untuk mendapatkan kurva kalibrasi dan untuk perhitungan kadar Cr dalam sampel. Elektrolisis limbah cair penyamakan kulit Sampel limbah cair penyamakan kulit diambil sebanyak 50 mL sebelum dimasukkan dalam gelas beker 100 mL. Sampel dikondisikan dalam pH 0,5 dengan penambahan larutan H2SO4 95-97%. Elektrolisis dilakukan dengan anoda yang berbeda, pertama menggunakan Cu sebagai katoda dan Cu sebagai anoda, kedua menggunakan Pt sebagai anoda dan Cu sebagai katoda, ketiga menggunakan C sebagai anoda dan Cu sebagai katoda. Elektrolisis dijalankan dengan menggunakan variasi tegangan (5, 10, 15 dan 20V) dan waktu elektrolisis (1, 2, 3, 4 dan 5 jam). Elektrolisis dilakukan dengan kecepatan pengadukan 500 rpm. Setelah elektrolis, larutan disaring terlebih dahulu dengan kertas saring whatman 42. Kemudian dilakukan penimbangan dan pengamatan katoda tembaga sebelum dan setelah proses elektrolisis. Destruksi basah Destruksi basah dilakukan dengan cara mengambil 50 mL sampel limbah cair penyamakan kulit ke dalam erlenmeyer berukuran 250 mL, ke dalam erlenmeyer tersebut ditambahkan 10 mL HNO3 65%, sambil diaduk menggunakan batang pengaduk hingga bercampur rata. Larutan dipanaskan di atas penangas listrik pada suhu 105°C sampai dengan 120°C hingga volume larutan tersisa ± 10 mL, setelah itu larutan menjadi dingin ditambahkan 5 mL HNO3 65% dan 3 mL HClO4 60% tetes demi tetes melalui dinding kaca erlenmeyer. Larutan dipanaskan kembali pada penangas listrik sampai timbul asap putih dan larutan sampel menjadi jernih. Kemudian larutan sampel didinginkan, dan disaring dengan kertas whatman 42. Larutan sampel dimasukkan ke dalam labu ukur 100 mL dan ditambahkan akuades sampai tepat tanda batas. Analisis Cr total dengan Spektrometer Serapan Atom Sampel limbah cair penyamakan kulit, sebelum dan sesudah dielektrolisis dilakukan analisis kadar Cr total dengan Spektrofotometer Serapan Atom Perkin Elmer 5100 pada daerah panjang gelombang 357,9 nm. Kemudian konsentrasi Cr total dibandingkan antara sebelum elektrolisis dan setelah elektrolisis.

F-50

3

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh variasi tegangan listrik Hasil penurunan kadar Cr total dalam sampel limbah cair menggunakan AAS disajikan pada Gambar 1.

Gambar 2. Grafik hubungan voltase elektrolisis terhadap berat Cr yang terendapkan (mg) selama 1 jam

Gambar 1. Grafik hubungan voltase elektrolisis terhadap penurunan kadar Cr (%) selama 1 jam Gambar 1 menunjukkan pengaruh voltase terhadap penurunan kadar Cr (%). Penurunan kadar Cr tertinggi untuk elektroda Cu-Cu adalah pada voltase 15V yaitu sebesar 47,9%, untuk elektroda Cu-Pt pada voltase 20V yaitu sebesar 41,6% dan untuk elektroda Cu-C penurunan kadar Cr tertinggi pada voltase 10V yaitu sebesar 23,83%. Dalam literatur menyebutkan bahwa voltase sangat berpengaruh pada saat ion-ion logam terikat membentuk endapan pada katoda.

Gambar 2 menunjukkan informasi mengenai berat Cr yang terendapkan (mg) hasil penelitian ini. Berat Cr yang terendapkan tertinggi untuk elektroda Cu-Cu adalah pada voltase 20V yaitu sebesar 2080 mg, untuk elektroda Cu-Pt pada voltase 20V yaitu sebesar 40 mg dan untuk elektroda Cu-C pada voltase 10V yaitu sebesar 60 mg. Hasil berat Cr tertinggi pada katoda untuk elektroda Cu-Cu seharusnya pada voltase 15V namun karena Cu termasuk elektroda reaktif dan merupakan pereduksi yang kuat sehingga mudah 2+ sekali membentuk Cu . Anoda Cu yang larut dalam larutan dimungkinkan ikut mengendap pada katoda sehingga bisa menjadi pengotor tambahan untuk proses elektrolisis. Karbon (C) dan platina (Pt) meruapakan elektroda inert karena sifatnya yang inert ini membuat elektroda Cu-C dan Cu-Pt menjadi 3+ elektroda yang cukup baik untuk mereduksi Cr 6+ dan Cr , sedangkan Cu merupakan elekroda reaktif. Karbon (C) memiliki sifat yang hampir sama dengan logam yaitu merupakan bahan konduktor yang tinggi karena setiap logam cepat akan menimbulkan korosi di elektroda positif sehingga Cu dipilih sebagai katoda karena Cu lebih mudah mengalami korosi dibandingkan dengan C dan Pt. Elektroda ini berfungsi untuk mengumpulkan elektron-elektron yang terbentuk akibat reaksi reduksi dan oksidasi pada zat-zat kimia (Wulansari, 2013). Pengaruh variasi waktu elektrolisis

Menurut Marwati dkk (2009) secara umum tidak ada kecenderungan yang beraturan antara jumlah penurunan konsentrasi ion logam dengan beda potensial yang digunakan. Hal ini terjadi karena operasional proses elektrolisis biasanya spesifik untuk bahan pelapis tertentu dan memerlukan komposisi yang tepat untuk pengendapan logam tertentu.

Gambar 3 menunjukkan pengaruh variasi waktu elektrolisis terhadap penurunan kadar Cr total (%) dalam limbah cair. Menurut hasil penelitian I Ketut Suarsana (2008), menunjukkan bahwa semakin lama waktu elektrolisis maka semakin tebal lapisan yang terbentuk pada katoda.

F-51

yang didapat semakin besar namun pada

Gambar 3. Grafik hubungan waktu elektrolisis terhadap penurunan kadar Cr (%) pada voltase optimum Berdasarkan gambar 3 dapat diketahui untuk elektroda Cu-Pt penurunan kadar Cr total tertinggi terjadi pada lama waktu 2 jam dengan voltase 15V yaitu 49,63%, untuk elektroda Cu-Cu penurunan kadar Cr tertinggi terjadi pada lama waktu elektrolisis 2 jam dengan voltase 20 Volt yaitu 71,73%, dan untuk elektroda Cu-C penurunan kadar Cr tertinggi terjadi pada lama waktu elektrolisis 3 jam dengan voltase 10 Volt yaitu 58,64%.

Gambar 4. Grafik hubungan waktu elektrolisis terhadap berat Cr yang terendapkan (mg) pada voltase optimum Gambar 4 menunjukkan informasi pengaruh waktu elektrolisis terhadap berat Cr yang terendapakan pada katoda (mg). Berat Cr yang terendapkan tertinggi untuk elektroda Cu-Cu adalah pada waktu 2 jam yaitu sebesar 4620 mg, untuk elektroda Cu-Pt pada waktu 3 jam yaitu sebesar 60 mg dan untuk elektroda Cu-C pada waktu 5 jam yaitu sebesar 170 mg. Hasil berat Cr tertinggi pada katoda untuk elektroda Cu-Pt dan Cu-C seharusnya pada waktu 2 dan 3 jam namun karena C sebagai anoda ikut larut maka dimungkinkan C ikut mengendap pada katoda dan ada pengotor lain yang ikut menempel pada katoda jika dilihat dri banyak anion yang terkandung dalam limbah cair penyamakan kulit. Menurut hukum Faraday : W = , seiring dengan meningkatnya waktu maka berat

F-52

4

Putero, S.H., Kusnanto dan Yusriyani, 2008, Pengaruh Tegangan dan Waktu pada Pengolahan Limbah Radioaktif yang

eksperimen semakin lama waktu elektrolisis berat Cr yang terendapkan pada katoda menurun. Hal ini dikarenakan endapan Cr yang sudah terendapkan mengalami kerontokkan sehingga mengendap pada dasar larutan. KESIMPULAN 1. Dari jenis elektroda yang digunakan pada penelitian ini didapatkan, elektroda Cu-Cu dapat menurunkan kadar Cr pada limbah cair penyamakan kulit lebih besar dibandingkan dengan elektroda Cu-Cu dan elektroda Cu-C. Sedangkan dilihat dari ketahanan elektrodanya, elektroda Cu-Pt yang paling stabil dibandingkan dengan elektroda Cu-Cu dan Cu-C. 2. Dari variasi voltase dan waktu elektrolisis yang digunakan didapatkan % penurunan kadar Cr terbesar terjadi pada elektroda Cu-Cu dengan waktu 2 jam dan voltase 15V sebesar 71,73%, untuk Cu-C pada waktu 3 jam dan voltase 10V sebesar 58,64%, sedangkan pada elektroda CuPt pada waktu 2 jam dan voltase 20V sebesar 49,63%. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terimaksih penulis haturkan kepada bapak Riyanto, Ph.D dan Ibu Dr. Noor Fitri, M.Si yang telah memberikan arahan pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Ahmad, M.A., 2011, Analisa Pengaruh Besar Tegangan Listrik Terhadap Ketebalan Pelapisan Krom Pada Pelat Baja dengan Proses Elektroplating, Skripsi, Jurusan Mesin, Universitas Hasanudin, Makasar. Artadi, A., 2007, Penggunaan Grafit Batu Baterai Sebagai Alternatif Elektroda Spektrografi Emisi, JFN, 1, 2. I Ketut Suarsana, 2008, Pengaruh Waktu Pelapisan Nikel pada Tembaga dalam Pelapisan Krom Dekoratif terhadap Kecerahan dan Ketebalan Lapisan, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM, Vol 2, No. 1, Juni 2008, 48-60. Manahan, S.E., 1992, Enviromental Chemistry, 6th, Ed, Lewis Publ USA. Marwati, S. Padmaningrum, R.T., dan Marfuatun., 2009, Pemanfaatan Ion Logam Berat Tembaga (II), Kromium (III), Timbal (II), dan Seng (II) Dalam Limbah Cair Industri Electroplating Untuk Pelapisan Logam Besi, Jurnal Penelitian Saintek, Vol.14, No.1, 1740. Palar, H., 1994, Pencemaran dan Toksikologi Logam Berat, Rineka Cipta, Jakarta.

F-53

5

Mengandung Sr-90 Menggunakan Metode Elektrokoagulasi, Dalam Proseding Seminar Nasional Ke-14 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir ISSN : 0854-2910 Bandung, 5 November 2008 [online]. Skoog, D., A West, D.,M and Holler, F., J, 1993, Principle of Instrumental Analysis, 6th ed, Saunders Collage Pub: Philadelpia. Wulansari, R., 2013, Pengaruh Elektroda GrafitGrafit, Aluminium-Grafit, dan Seng – 2+ Grafit pada Elektrolisis Cobalt (Co ) 2+ Dengan Pengotor Ion Seng (Zn ), EJournal Karya Ilmiah S1, UNDIP, Vol 1, No 1.

F-54

1

Proses Elektrolisis Untuk Pengambilan Seng Dari Limbah Padat Industri Galvanis Ahmad Farid (L2C004192), Nur Wahid (L2C004257) Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Kampus Tembalang, Semarang Abstrak Tujuan dari penelitian ini adalah mengurangi kadar Seng dari limbah padat industri galvanis dengan proses elektrolisis dan mengetahui variabel yang paling berpengaruh dari proses elektrolisis. Proses elektrolisis dikenal sebagai kebalikan dari korosi. Ion logam berasal dari suatu elektrolit, dengan penambahan elektron akan menghasilkan suatu atom logam. Metode penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah menggunakan metode faktorial desain untuk 2 level dan 3 variabel berubah. Dari analisa kadar Seng didapat kadar awal Seng dalam limbah padat adalah 32%, sedangkan kadar Seng dalam logam yang menempel pada katoda adalah 46%. Kadar Seng yang terambil tidak murni dikarenakan dalam larutan elektrolit terkandung logam lain yang cukup besar yaitu Fe. Hal ini menyebabkan Fe ikut terelektrolisis. Dari hasil penelitian diketahui bahwa variabel yang paling berpengaruh berturut-turut adalah efek temperatur, voltase, dan jarak anoda-katoda. Temperatur memberikan efek paling besar dalam penelitian ini dikarenakan semakin tinggi temperatur menyebabkan konduktivitas larutan semakin besar sehingga dapat mempercepat hantaran arus listrik dari anoda menuju o o katoda. Temperatur optimal dalam proses elektrolisis ini adalah 70 C-80 C. Kata kunci : Seng, elektrolisis, galvanis Abstract The target of this research are to reduce Zinc rate from galvanizing industries dross with electrolysis and to knowing the variabei prosess that having an effect on electrolysis. Electrolysis is reverse from korosion proses. The metal ion is coming from electrolit, with addition of electron will yielding a metal atom. The method of this research is factorial design with 2 levels and 3 dependents variabel. From analysis, Zinc rate from dross is 32%, and Zinc rate from metal that patching around the cathode is 46%. The Zinc rate is not purification cause electrolit consist in other metal that is Fe. This matter causing Fe following electrolysis. The result of this research is variabel that having an effect on electrolysis successively are temperature, voltage, and space anode to cathode. In this research temperature give the biggest effect because high temperature progressively causing high conductivity of electrolit that can quickening o electrics current passing of anode to cathode. The range of optimum temperature this electrolysis is 70 Co 80 C. Key words : Zinc, electrolysis, galvanizing 1.

Pendahuluan Galvanizing merupakan sebuah proses yang sudah sangat lama digunakan dalam industri baja dan metal, bahkan hampir sejak 200 tahun yang lalu. Dilihat dari banyaknya manfaat dari proses galvanizing, ternyata ada juga akibat buruk yang ditimbulkan dari proses ini, salah satunya adalah terbentuknya limbah yang berupa gas, cair dan padat. Limbah inilah yang menjadi masalah baru bagi lingkungan, yaitu rusaknya udara, air dan tanah jika limbah tersebut terdapat dalam kadar yang tinggi pada saat dibuang ke lingkungan dan dilakukan dalam jangka waktu yang lama. Masalah lain yang timbul adalah adanya logam berat yang bernilai ekonomi tinggi yang ikut terbuang bersama limbah tersebut, dalam hal ini adalah seng (Zn), yang merupakan bahan baku utama dari proses galvanizing. Sementara seng yang terbuang tersebut dapat diambil/direcovery kembali untuk dapat digunakan kembali. Oleh karena itu maka perlu diadakan proses untuk mengolah limbah tersebut agar aman dan dapat diterima oleh lingkungan dan logam yang terbuang tidak terlampau banyak sehingga dapat

F-55

2 diraih untung yang lebih besar. Dalam operasi galvanizing secara kontinyu, sekitar 10 % dari total Zn yang digunakan ikut terbuang dalam limbah berupa Seng Oksida ( US. Pat. No. 4,075,008). Metode yang dapat digunakan untuk mengambil logam terlarut yang berupa seng ini adalah dengan proses elektrokimia (elektrolisis) menggunakan bantuan arus listrik. Proses dilakukan dengan menggunakan anoda yang tak aktif seperti karbon, baja tahan karat, Timbal, Titanium. Sedangkan katoda tempat ion logam terlarut yang mengendap menggunakan bahan logam berupa Alumunium (Al). Mula – mula limbah padat dilarutkan dalam asam seperti H2SO4 atau HCl membentuk larutan garam. Ion logam dari larutan akan menempel pada katoda sehingga logam terlarut yang berupa seng berangsur-angsur menurun dan akhirnya didapatkan seng dalam keadaan murni yang menempel di katoda. Proses Elektrolisis dikenal sebagai kebalikan dari korosi. Ion logam berasal dari suatu elektrolit, dengan penambahan electron akan mengahsilkan suatu atom logam, n+ - 0 M. M + ne M Untuk proses Elektrolisis diperlukan dua elektrode, sumber elektron/arus listrik, dan larutan elektrolit. Untuk tujuan komersil, electron dihasilkan oleh suatu sumber arus searah yang dihubungkan dengan elektroda, akan tetapi biasanya electron berasal dari elektroda kedua. Reaksi yang terjadi pada proses Elektrolisis merupakan reaksi oksidasi – reduksi. Reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut (contoh reaksi Redoks setengah sel pada besi dan seng) : 2+ o Anoda : Zn + 2e  Zn o 2+ Fe Katoda :  Fe + 2e o 2+ 2+ o Fe + Zn  Fe + Zn 2+ 2+ Pada anoda, logam seng (Zn) akan teroksidasi menjadi ion Zn . Ion Zn ini akan bergerak menuju katoda dan teroksidasi membentuk deposit Zn pada katoda. Berat seng (WS) yang melapisi besi dapat dihitung dengan cara sebagai berikut : WS = W1 – W0 Secara teoritis berat seng yang menempel pada besi dalam proses Elektrolisis ini dapat dituliskan sebagai berikut : W=ZxIxt dengan : : berat endapan , gr W I : kuat arus , Ampere : waktu, dt t : BE / 96.500 Z Faktor yang Berpengaruh pada Elektrolisis adalah konsentrasi elektrolit, sirkulasi elektrolit, rapat arus, tegangan, jarak anoda-katoda, rasio dan bentuk anoda-katoda, temperatur, daya tembus (throwing power), aditif, kontaminasi. Penelitian ini bertujuan untuk mengambil kembali Zn yang ikut terbuang dalam limbah padat industri galvanis, untuk mengurangi kadar Zn yang terbuang dalam limbah padat industri galvanis, serta untuk mengetahui variabel yang berpengaruh dalam proses elektrolisis (suhu, rapat arus dan jarak anoda katoda). Diharapkan dari penelitian ini dapat memberikan penyelesaian masalah pada pengolahan limbah logam berat (Zn) dari industri galvanis. Sehingga hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan oleh industri untuk merecovery Zn yang dapat digunakan kembali oleh industri tersebut. 2.

Pelaksanaan Penelitian Bahan yang diguanakan adalah larutan HCl 10 % dan limbah padat industri galvanis yang diambil dari P.T. Cerah Sempurna di Semarang Barat. Limbah ini adalah logam yang diambil dari sisa proses Hot Dip Galvanizing/pencelupan panas pada proses pelapisan logam. Limbah ini masih mempunyai kandungan Zn yang masih cukup besar yang mencapai 25 – 30 % berat. Peralatan yang digunakan adalah alat elektrolisis yang terdiri dari bak elektrolisis, pompa sirkulasi, rectifier, heater dan thermostat. Rangkaian alat percobaan dapat dilihat dalam gambar 1. Adapun variabel tetap yang digunakan adalah tekanan, sistem operasi batch dan waktu operasi. Dan variabel berubahnya adalah temperatur, voltase dan jarak anoda katoda.

F-56

3 Respon yang diamati adalah berat awal katoda sebelum dielektrolisis dan berat akhir katoda setelah dielektrolisis. Selisih berat awal dan akhir katoda adalah berat logam yang terambil selama proses elektrolisis.

5

Keterangan : 1. Rectifier 2. Bak elektrolisis 3. Pompa sirkulasi elektrolit 4. Katoda 5. Anoda 3.

1

4

2

3

Gambar 1. Rangkaian Alat Utama

Hasil dan Pembahasan 1. Hasil analisa kadar Zn Kadar awal Zn dalam limbah padat (dross) adalah 32 %, dan kadar Zn dalam logam yang menempel di katoda 46 %. Kadar Zn yang terambil tidak murni dikarenakan dalam larutan elektrolit, selain mengandung elektrolit Zn, ada juga elektrolit lain yang cukup besar kandungannya, yaitu Fe yang juga terdapat dalam limbah padat. Hal ini menyebabkan Fe ikut terelektrolisis pada kondisi operasi yang sama, karena pada voltase tersebut (7,5 dan 9 volt) sudah mencukupi bagi Fe untuk elektrolisis. 2.

Hasil percobaan awal

Pada percobaan awal ini dilakukan sebanyak 8 kali percobaan. Percobaan ini menggunakan variabel temperatur, voltase dan jarak anoda – katoda yang bertujuan untuk mengetahui variabel mana yang paling berpengaruh. Variabel yang digunakan adalah sebagai berikut : Tabel 3.1.Variabel berubah 0

Level

Temperatur( C)

Level Atas (+) Level Bawah (-)

50 30

Voltase (Volt)

Jarak Anoda Katoda (cm)

9 7,5

20 10

Dari percobaan diperoleh hasil sebagai berikut : Tabel 3.2. Hasil Percobaan Awal Suhu 0

Voltase

Jarak Anoda

Berat Awal

Berat Akhir

Berat Logam yang

Run

( C)

(Volt)

Katoda (cm)

Katoda (gram)

Katoda (gram)

terambil (gram)

1

+

+

+

50,83

58,21

7.38

2

+

-

50,21

57,94

7.73

3

+

-

+

50,29

56,47

6.18

4

+

-

-

51,92

58,42

6.50

5

-

+

+

51,92

56,10

4.18

6

-

+

-

50,83

56,30

5.47

7

-

-

+

50,29

52,09

3.80

F-57

8

-

-

-

50,21

55,12

4.91

F-58

4

Hasil analisa untuk variabel yang paling berpengaruh adalah sebagai berikut : 100 0,8825

Probabilitas

90 80 70

0,3975 0,3125

60 50

0,1725

40

0,1475

30 20

-1,4325

10

-3,1625

0 -3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

Efek

Gambar 2. Grafik hubungan antara efek variabel berpengaruh Vs probabilitas Dari grafik diatas terlihat bahwa titik paling jauh dari garis normal adalah titik 0,8825(efek temperature). Ini menunjukkan variabel yang paling berpengaruh terhadap elektrolisis logam Zn adalah temperatur. 3.

Yield ebagai Fungsi Variabel

Pada percobaan awal dengan menghitung efek temperature(X 1), efek voltase(X2), efek jarak anoda- katoda (X3), efek interaksi temperature-voltase(X12), efek interaksi temperature- jarak anoda – katoda (X13), efek interaksi voltase- jarak anoda – katoda (X23), efek interaksi temperature-voltase- jarak anoda – katoda (X123) dan efek rata-rata diperoleh persamaan:

Y = 8,4 + 0,8825X1 −1,4325X 2 −3,1625X3 +1,1475X12 + 0,3975X13 + 0,3125X 2 3 + 0,1725X12 3 Dari hasil analisa terhadap variabel yang berpengaruh dapat diketahui bahwa variabel yang paling berpengaruh terhadap proses ini berturut – turut adalah temperatur, voltase dan jarak anoda katoda. Temperatur memberikan efek paling besar dalam percobaan ini, hal ini karena semakin tinggi temperature menyebabkan konduktivitas larutan semakin besar sehingga dapat mempercepat hantaran arus listrik dari anoda menuju katoda. Pada temperature yang tinggi dapat diperoleh rapat arus yang besar dan juga mempertinggi tegangan batas polarisasi. Voltase memberikan efek yang tidak terlalu besar dalam percobaan ini. Tapi tetap memberikan efek yang positif, semakin besar tegangan maka akan semakin besar logam yang terambil dalam proses. Hal ini karena semakin tinggi tegangan maka rapat arus akan menjadi semakin besar. Akan tetapi hal ini dapat menyebabkan terjadinya polarisasi dan tercapainya tegangan batas. Tegangan batas ditandai tidak terjadinya aliran arus melalui larutan elektrolit sehingga tidak ada logam yang akan menempel di katoda. Jarak anoda katoda memberikan efek negative, hal ini karena semakin besar jarak elektroda maka ion Zn menempel akan semakin sedikit. Hal ini terjadi karena hambatan arus akan menjadi lebih besar jika jarak anoda – katoda semakin jauh, dan konduktivitas menjadi semakin kecil. 4.

Hasil Optimasi

Setelah diketahui variabel yang paling berpengaruh adalah temperatur, maka dilakukan percobaan lanjutan untuk optimasi untuk mengetahui temperatur optimum dalam proses elektrolisis ini. Bila digambarkan dalam grafik adalah sebagai berikut :

F-59

Berat Logam di Katoda (gram)

5

12 10 8 6 4 2 0 0

20

40

60

80

100

Temperatur (Celcius)

Gambar 3. Grafik Optimasi elektrolisis 0

0

%yield Zn

Dari grafik dapat dilihat bahwa pada temperatur 70 C – 80 C, berat logam yang terambil/yang menempel di katoda cenderung mulai konstan. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur tersebut proses elektrolisis sudah mencapai temperatur yang optimum. 15 14,5 14 13,5 13 12,5 12 11,5

11 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80 85

temperatur(celcius)

Gambar 4. Grafik Temperatur Vs %Yield Zn o

o

Dari grafik di atas dapat dilihat bawa pada temperature 70 C-80 C, % yield Zn sudah konstan. Ini menunjukkan bahwa pada temperature tersebut proses elektrolisis sudah mencapai temperature yang optimum. 4.

Kesimpulan 1.

2. 3.

5.

Variabel yang paling berpengaruh adalah Temperatur kemudian Voltase dan kemudian Jarak Anoda Katoda. Variabel temperatur dan Voltase memberikan efek positif terhadap proses elektrolisis, sementara variabel Jarak Anoda Katoda memberikan efek negatif terhadap proses elektrolisis. Optimasi dari variabel yang paling berpengaruh (Temperatur), didapatkan temperatur optimum dalam O proses ini adalah 70 – 80 C. Kadar kemurnian Zn dalam limbah yang terambil maeningkat dari 32 % menjadi 46 %. Sehingga Zn yang ikut terbuang dalam limbah dapat diambil melalui proses elktrolisis ini dengan kadar kemurnian yang lebih tinggi.

Saran 1. 2. 3.

Sebelum memulai elektrolisis sebaiknya logam anoda dan katoda dibersihkan terlebih dahulu. Proses pelarutan limbah padat Zn sebaiknya dilakukan di dalam ruang asam. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut dengan variabel yang berbeda untuk mendapatkan hasil yang lebih optimal.

F-60

6 6.

Ucapan Terima Kasih 1. 2. 3.

7.

Bapak Dr. Ir. Purwanto, DEA. selaku dosen pembimbing yang memberikan arahan dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan laporan penelitian. Semua Laboran yang telah membantu dalam penyediaan alat dan tempat penelitian. Semua teman dan pihak yang telah memberi dukungan dan doa dalam penelitian, sehingga makalah penelitian ini selesai.

Daftar Pustaka 1. 2.

An AESF Training Course in Electroplating & Surface Fininshing, AESFS, Orlando, 1998. Aguilar R., Martinez S.A., Rodriguez G., and Soto G., 2005, “Process Analysis for Tratment of Industrial Plating Wastewater: Simulation and Control Approach”, Chemical Engineering Journal 3. Bishop, P.L, 2001, “Pollution Prevention: Fundamentals and Practice”, McGraw-Hill, Boston. 4. Durney, J., “Electroplating Engineering Handbook”, 4th.ed., van Nostrad Reinhold, New York, 5. GEF dan GAA, Gravure, 1991, “Process and Technology”, Gravure Association of America, New York. 6. Irvine, T.H., 1970, “The Chemical Analysis of Electroplating Solutions”, Chemical Publishing Co., Inc, New York, 1970. 7. Metcal & Eddy, Tcobanoglous,G., Burton, F.L, , 1991, “Wastewater Engineering : Treatment, Disposal and Reuse”, McGraw-Hill, New York. 8. Murphy, M., 1996, “Metal Finishing” Guide Book and Directory Issue, Vol. 94, No. 1A. 9. Parthasaradhy, N.V., 1988, “Practical Electroplating Handbook”, Prentice Hall, New Jersey. 10. Purwanto & Huda, Syamsul, 2005, “Teknologi Industri Elektroplating”, Badan Penerbit Universitas Diponegoro, Semarang. 11. Purwanto, 2004, ”Pengolahan Limbah Elektroplating dengan Pengendapan Menggunakan Koagulan”, bekerja sama dengan Dinas Perindustrian Sidoarjo.

F-61