APLIKASI REAKTOR CONTACT GLOW DISCHARGE ELECTROLYSIS DALAM PENGOLAHAN LIMBAH AIR YANG MENGANDUNG AMONIA

Transkripsi

1 APLIKASI REAKTOR CONTACT GLOW DISCHARGE ELECTROLYSIS DALAM PENGOLAHAN LIMBAH AIR YANG MENGANDUNG AMONIA SKRIPSI KRISNA IRAWAN FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012

2 APLIKASI REAKTOR CONTACT GLOW DISCHARGE ELECTROLYSIS DALAM PENGOLAHAN LIMBAH AIR YANG MENGANDUNG AMONIA SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik KRISNA IRAWAN FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012

3 HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. ii

4 HALAMAN PENGESAHAN Skripsi ini diajukan oleh : Nama : Krisna Irawan NPM : Program Studi : Teknik Kimia Judul Skripsi : Aplikasi Reaktor Glow Discharge Electrolysis dalam Pengolahan Limbah Air yang mengandung Amonia Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. Dewan Penguji : Ditetapkan di : Depok Tanggal : Juni 2012 iii

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas berkat rahmat dan hikmat-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi dengan judul Aplikasi Reaktor Glow Discharge Electrolysis dalam Pengolahan Limbah Air yang mengandung Amonia ini disusun untuk memenuhi syarat memperoleh gelar sarjana. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr.Ir. Nelson Saksono, MT selaku pembimbing seminar yang telah memberikan bimbingan dan arahan selama proses penyusunan 2. Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI. 3. Prof. Dr. Ir. Setijo Bismo, DEA selaku ketua grup riset Intensifikasi Proses 4. Ir. Bambang Heru S, M.T. selaku pembimbing akademis 5. Ir. Yuliusman M.Eng selaku kordinator skripsi Teknik Kimia FTUI 6. Kepada Bapak, Mama, Kakak dan Adik tercinta, untuk kasih sayang, perhatian, doa dan dukungan setiap saat 7. Ibu Ir. Endang Sri Rahayu, MT, untuk doa, kasih sayang dan dukungannya 8. Sofianti Afiani Dewi, untuk semangat, doa dan harapan 9. Teman satu kelompok Bagus A. Priyono yang bekerjasama dengan penulis untuk menyelesaikan tugas seminar ini. 10. Seluruh teman-teman Teknik Kimia 2009 atas dukungan dan semangatnya 11. Tiwi, Mas Eko, Bang Ijal, Kang Jajat atas semua bantuan dan kemudahannya dalam peralatan penelitian ini Penulis sadar bahwa makalah skripsi ini masih memiliki banyak kekurangan dan jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran dan kritik yang berguna untuk perbaikan skripsi akan penulis terima dengan besar hati. Akhir kata, semoga makalah ini dapat berguna bagi yang membacanya. Depok 2012 Krisna Irawan

6 Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan dibawah ini: Nama :Krisna Irawan NPM : Program Studi : Teknik Kimia Departemen Fakultas Jenis Karya : Teknik Kimia : Teknik : Skripsi Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Nonekslusif (Non-exclusive Royalty Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul: APLIKASI REAKTOR CONTACT GLOW DISCHARGE ELECTROLYSIS DALAM PENGOLAHAN LIMBAH AIR YANG MENGANDUNG AMONIA Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak bebas Royalti Nonekslusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/ pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta. Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.

7 ABSTRAK Nama : Krisna Irawan Program studi : Teknik Kimia Judul : Aplikasi Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Untuk Pengolahan Limbah Air yang Mengandung Amonia Pada penelitian ini digunakan reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis dengan sistem batch untuk pengolahan limbah air yang mengandung amonia dengan menggunakan limbah sintetis ammonium sulfat dan larutan KOH. Volume reaktor yang dirancang sebesar 500 ml, dengan cooling jacket memiliki kapasitas maksimum 400 ml dangan laju pendinginan 11.1 ml/s. Anoda yang digunakan terbuat dari bahan tungsten berbentuk silinder dengan panjang 17.5 cm dan diameter sebesar 0.31 cm. Sedangkan katoda terbuat dari stainless steel berbentuk silinder dengan panjang 15 cm dan diameter 0.69 cm. Tegangan yang diberikan yaitu tegangan DC dengan kapasitas maksimum 1000 volt. Dari reaktor yang telah dibuat, dilakukan beberapa uji kinerja meliputi variasi tegangan, temperatur, kedalaman anoda serta pengukuran produktivitas radikal OH melalui pengukuran konsentrasi Hidrogen Peroksida selama proses CGDE berlangsung. Dari hasil penelitian didapat kondisi yang optimum yaitu pada tegangan dengan voltase 700 volt, temperatur C dan dengan kedalaman anoda 5 mm dan persentasi degradasi amonia yang dihasilkan mencapai 89.3 % dengan konsumsi energi untuk mendegradasi amonia mencapai 673,053 kilojoule/mol amonia terdegradasi dan konsentrasi hidrogen peroksida sebesar 0.90 mmol. Kata kunci: Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis, Amonia, Plasma.

8 ABSTRACT Nama : Krisna Irawan Program studi : Teknik Kimia Judul : Application of Contact Glow Discharge Electrolysis for Processing Waste Water that Contains Ammonia In this research, there was making Contact Glow Discharge Electrolysis reactor using batch system for ammonia contained waste water treatment using syntetic waste water made from ammoniuum sulfat and KOH. Reactor s volume is 500 ml with coling jacket that has 400 ml volume and cooling water flow rate 11 ml/s. Cylinder anoda was used and made from tungsten with 17,5 cm length and 0,31 cm diameter. While the cylinder cathode was made from stainless steel with 15 cm length and diameter 0,69 cm. The voltation was direct current with maximum capacity of 1000 volt. From the builded reactor, some working parameter was measured like voltation, temperatur, and anode deepness variation. The other parameter was hydoxyl radical productivity by measuring hydrogen peroxide while CDGE process was running. This research indicates optimum condition by using 700 volt voltation with C temperatur and anode deepness 5 mm where ammonia degradation presentation reach 89,3 % while consumes energy as much as 673,053 kilojoule/mol degradated ammonia and generated hydrogen peroxide degradation reach 0,90 mmol. Keyword : Contact Glow Discharge Electrolysis, Ammonia, Plasma

9 DAFTAR ISI HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii KATA PENGANTAR... iv LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xiii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA State of The Art Karakteristik Amonia di dalam Air Bahaya Amonia.bagi Kesehatan Sifat Fisik dan Kimia Amonium Sulfat Pengolahan Limbah Amonia Pengolahan Limbah Amonia melalui Proses Oksidasi Lanjut Pengolahan Limbah Amonia menggunakan Membran Pengolahan Limbah Amonia dengan Fotolisis Elektrolisis Plasma Aplikasi Elektrolisis Plasma untuk Pengolahan Limbah

10 2.8 Mekanisme Pembentukan OH Radikal dalam Elektrolisis Plasma Contact Glow Discharge Electrolysis Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma Dalam Mengolah Limbah Tegangan Operasi Pada Elektrolisis Plasma Pengaruh Larutan Elektrolit terhadap Kinerja Elektrolisis Terhadap Kinerja Elektrolisis plasma Pengaruh Temperatur pada Elektrolisis Plasma Pengaruh Dimensi Anoda pada Elektrolisis Plasma BAB 3 METODE PENELITIAN Prosedur Umum Alat dan Bahan Pembuatan Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Uji Kinerja Reaktor Pemeriksaan Peralatan Pengamatan Fenomena Pembentukan Plasma Karakteristik Tegangan -Arus Uji Kinerja Plasma terhadap Degradasi Limbah Amonia Pengukuran Hidrogen Peroksida Metode Pengukuran Hidrogen Peroksida Pengukuran Konsentrasi Amonia Perhitungan Konsentrasi Amonia dan Amonium pada ph Dan Temperatur Tertentu Perhitungan Konsentrasi Amonia dengan metode Nessler BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Visualisasi Pembentukan Plasma dalam Larutan

11 Elektrolit Karakteristik Tegangan dan Arus dalam Contact Glow Discharge Electrolysis Uji Kinerja Elektrolisis Plasma Pengaruh Variasi Tegangan Terhadap Pengaruh Degradasi Pengaruh Temperatur terhadap Degradasi Amonia Pengaruh Dimensi Anoda terhadap Degradasi Amonia Produktivitas OH radikal dalam Berbagai Variasi Kedalaman Perbandingan Tingkat Konsumsi Energi Elektrolisis Biasa Dan Elektrolisis Plasma BAB 5. KESIMPULAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 61

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Struktur kimia Ammonia... 8 Gambar 2.2 Pengaruh ph pada Distribusi Amonia dan Amonium Dalam Air... 9 Gambar 2.3 Profil dan ph untuk Amonia, Nitrit dan Nitrat dengan Konsentrasi awal H 2 O M dan ph Awal Gambar 2.4 Reaksi Kimia Redoks pada bagian Anoda dan Katoda pada Elektrolisis biasa Gambar 2.5 Kurva Hubungan Arus listrik dan Tegangan pada saat proses Elektrolisis plasma Gambar 2.6 Mekanisme Reaksi degradasi Zat pewarna oleh OH radikal Gambar 2.7 Konfigurasi Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Gambar 2.8 Reaktor Elektrolisis Plasma dalam produksi Hidrogen Gambar 2.9 Kurva Hubungan antara Arus listrik dan tegangan Pada degradasi Naphtylamine Gambar 2.10 Efek tegangan terhadap Pembentukan radikal OH. Pada grafik waktu terhadap konsentrasi radikal OH Gambar 2.11 Selektivitas OH radikal dalam temperatur yang berbeda Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2 Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Gambar 3.3 Skema Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Gambar 3.4 Konfigurasi alat Contact Glow Discharge untuk Pengolahan Limbah Amonia Gambar 3.5 Spektrofotometer UV-Vis Gambar 4.1 Rancangan Reaktor Contact Glow Discharge Gambar 4.2 Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis setelah dibuat

13 Gambar 4.3 Rangkaian Listrik dan Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Gambar 4.4 Fenomena Pembentukan Plasma Gambar 4.5 Karakteristik Tegangan dan Arus Pada Konsentrasi KOH 0.03M Gambar 4.6 Karakteristik Tegangan dan Arus Pada Variasi Konsentrasi KOH Gambar 4.7 Persentasi Degradasi Amonia dalam Variasi Tegangan CGDE Gambar 4.8 Tingkat Konsumsi Energi Amonia pada variasi Tegangan Gambar 4.9 Pengaruh Temperatur terhadap Degradasi Amonia Gambar 4.10 Tingkat Konsumsi Energi pada Variasi Temperatur Gambar 4.11 Persentase Degradasi Amonia Dalam Berbagai Variasi Kedalaman Anoda Gambar 4.12 Konsumsi Energi pada Berbagai Luas Pemukaan Anoda Gambar 4.13 Konsentrasi Hidrogen Peroksida dalam Variasi Kedalaman Anoda Gambar 4.14 Perbandingan konsentrasi Amonia dengan radikal OH Pada Kedalaman 10 mm Gambar 4.15 Perbandingan konsentrasi Amonia dengan radikal OH CGDE Gambar 4.16 Perbandingan Tingkat Konsumsi Energi Elektrolisis Biasa dan CGDE

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 State of the art... 7 Tabel 2.2 Bahaya Amonia terhadap kesehatan manusia Tabel 2.3 Sifat fisik dan kimia amonium sulfat Tabel 2.4 Potensial Oksidasi Oksidan dalam Pengolahan Air Tabel 2.5 Degradasi beberapa senyawa organik menggunakan Elektrolisis Plasma Tabel 2.6 Konsentrasi pembentukan H 2 O 2 sebagai indikasi adanya OH Radikal pada metode pengolahan limbah lainnya Tabel 2.7 Pengaruh Konstituen Elektrolit pada Elektrolisis Plasma dengan Konduktivitas yang sama yaiu 5 ms/cm Tabel 2.8 Pengaruh Dimensi Anoda terhadap Tegangan Kritis Tabel 3.1 Daftar Peralatan yang dibutuhkan untuk penelitian Tabel 3.2 Daftar Bahan-bahan yang dibutuhkan untuk penelitian Tabel 3.3 Variabel Proses yang Diuji Tabel 4.1 Kondisi Vd dan Vmin pada masing-masing konsentrasi Tabel 4.2 Data arus yang terukur pada masing-masing tegangan Tabel 4.3 Luas permukaan kontak anoda dan elektrolit pada masing-masing variasi kedalaman... 48

15 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan air setiap tahunnya meningkat dengan bertambahnya populasi manusia dibumi ini. Pada beberapa tempat khususnya yang memiliki cuaca yang kering dan kepadatan penduduk yang tinggi, air jenih menjadi sulit didapatkan. Akibatnya pengolahan dari sumber air yang ada akan menjadi lebih berat lagi karena sumber air tersebut memiliki tingkat pencemaran tinggi yang berasal dari kegiatan manusia baik industri maupun domestik. Berdasarkan sumbernya, pencemaran air dikategorikan kedalam 2 jenis yaitu point source (sumber terpusat) ada non point source (sumber yang tidak terpusat). Sumber terpusat ini berasal dari limbah-limbah industri dan domestik. Sedangkan sumber yang tidak terpusat berasal dari aliran air ladang pertanian, kebun dan pekarangan, situs konstruksi, area penebangan, dan jalan. Amonia merupakan salah satu limbah yang banyak mencemari air karena memiliki sumber yang sangat banyak seperti limbah buangan dari industri komoditas (kertas, karet, plastik dan cat ) dan juga urin, yang merupakan hasil sekresi ginjal pada pencernaan manusia. Keberadaan amonia (NH 3 ) dalam air sangatlah berbahaya bagi kesehatan manusia dan hewan bila terpapar dalam konsentrasi yang melebihi batas aman. Selain itu, amonia dapat menyebabkan terbentuknya alga bloom karena kandungan nitrogen dalam amonia sebagai nutrisi untuk tumbuhan didalam air. Amonia yang terkandung dalam air berbentuk amonium yang merupakan suatu ion yang terionisasi (NH + 4 ). Kesetimbangan Amonia-Amonium dipengaruhi oleh kondisi ph dan temperatur air. Semakin tinggi ph maka semakin tinggi pula amonium yang terkonversi menjadi amonia. Kasus pencemaran amonia didalam air telah terjadi diberbagai daerah khususnya di area jabotabek dengan kondisi sangat memprihatinkan. Sebagai contoh, kasus pencemaran amonia yang terjadi di Sungai Citarum. Amonia yang terkandung 1

16 2 dalam aliran sungai Citarum sudah mencapai 2.9 mg/l, kemudian periode januari hingga November 2011 meningkat hingga 4.8 mg/l. Angka itu jauh diatas ambang batas maksimum yang ditetapkan yaitu 1.0 mg/liter. Data kualitas air laut di Teluk Jakarta yang dikeluarkan oleh Badan Pengelola Lingkungan Hidup (BPLH) DKI Jakarta menunjukkan kadar amonia sebesar 1,06 yang berarti telah melampaui ambang batas baku mutu yang diperbolehkan, yaitu berturut-turut 0,5 ppm (Sumarno, 2004). Radikal OH merupakan suatu oksidator paling kuat yang terbentuk dari molekul air atau hidrogen peroksida yang memiliki peranan penting dalam mendegradasi limbah organik dan reduksi logam berat. Pembentukan Radikal OH dapat terbentuk melalui mekanisme fotolysis, ozonasi, reaksi fenton dan radiolysis. Pengolahan limbah air yang mengandung amonia ini telah dilakukan penelitian dengan menggunakan metode photolysis H 2 O 2 menggunakan radiasi lampu merkuri dengan panjang gelombang sebesar nm selama 5 jam. Amonia yang terkonversi selama reaksi adalah 26.4% dari konsentrasi awal sekitar 30 mg/l (Huang, 2008). Selain itu, metode lain yang menggunakan peranan Radikal OH dalam mendegradasi limbah air yang mengandung amonia dengan ozonasi mikron dengan tingkat degradasi amonia sebesar % (Eva, 2009). Elektrolisis plasma merupakan salah satu pengembangan elektrolisis yang tidak menganut hukum Faraday. Teknologi elektrolisis plasma mirip dengan proses elektrolisis, tetapi dilakukan pada tegangan yang cukup tinggi sehingga terbentuk cahaya akibat adanya eksitasi elektron. Plasma sendiri merupakan aliran gas yang terionisasi menjadi ion- ion aktif, elektron, dan spesi-spesi netral tetapi secara keseluruhan bersifat netral. Plasma tersebut memiliki resistansi listrik yang relatif tinggi dan akan menghasilkan spesi-spesi reaktif dalam jumlah besar. Spesi aktif yang terbentuk diantara lain adalah H radikal dan radikal OH. Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE) merupakan salah satu metode elektrolisis plasma dalam air yang banyak digunakan dalam pengolahan limbah 2

17 organik seperti dyes, phenol, p-nitrotoluene dan aniline (Gao, 2005). Mekanisme pembentukan plasma terjadi pada elektroda yang menempel pada larutan elektrolit (anoda), plasma yang dihasilkan lebih stabil karena wilayah pembentukan plasma berada pada antar muka udara dengan larutan elektrolit sehingga banyak terbentuknya gas-gas terionisasi di sekitar anoda. Sejauh ini, banyak sekali penelitian yang mengkaji lebih dalam mengenai CGDE meliputi variabel proses yang penting seperti temperatur, tegangan, konsentrasi,dan konfigurasi alat dalam pengolahan limbah organik. Sedangkan untuk aplikasi CGDE dalam pengolahan limbah air yang mengandung amonia belum dilakukan penelitian. Penelitan yang telah ada masih menggunakan metode elektrolisis biasa dengan persentase degradasi amonia yang dicapai sebesar % (Ratnawati, 2010). Dengan keberadaan spesies-spesies reaktif yang dihasilkan pada elektrolisis plasma, potensi untuk meningkatkan persentase degradasi amonia dengan menerapkan metode Contact Glow Discharge Electrolysis sangatlah mungkin. Oleh karena itu perlu dikaji lebih dalam lagi mengenai efektivitas serta pengaruh variabel proses dalam Contact Glow Discharge Electrolysis. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, dirumuskan masalah sebagai berikut: Bagaimana membuat reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis yang sesuai untuk pengolahan limbah amonia? Penelitian ini mengkaji bagaimana uji kinerja reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis dalam mendekomposisi limbah amonia pada kondisi basa? Bagaimana mempelajari pengaruh variable proses terhadap efektifitas reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis dalam mendegradasi limbah amonia meliputi tegangan, temperatur dan posisi anoda?

18 1.3 Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini adalah : Mendapatkan reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis yang sesuai dalam pengolahan limbah air yang mengandung amonia Mengetahui variabel proses yang dapat berpengaruh terhadap degradasi Amonia Mengukur produktivitas pembentukan radikal OH selama proses elektrolisis plasma berlangsung 1.4 Batasan Masalah Penelitian ini merupakan suatu usaha untuk mengolah limbah amonia dengan elektrolisis plasma. Dengan diterapkannya teknologi plasma, diharapkan amonia dapat terdekomposisi sempurna dan menghasilkan produk yang lebih ramah lingkungan dan aman. Dalam skripsi ini, pembahasan dilakukan dengan batasanbatasan sebagai berikut: 1. Penggunaan limbah sintetis menggunakan Amonium Sulfat dan larutan elektrolit KOH 2. Variabel bebas yang divariasikan meliputi tegangan, temperatur dan posisi anoda 3. Pengukuran Amonia menggunakan metode Nessler 4. Reaktor yang digunakan merupakan reaktor CGDE dengan sistem Batch 5. Pengukuran Hidrogen Peroksida dengan metode redoks 1.5 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan dari penelitian ini terdiri atas 5 bab utama yaitu:

19 BAB 1 PENDAHULUAN Bab Pendahuluan mencakup latar belakang permasalahan, perumusan masalah, tujuan, dan kegunaan penelitian. BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Bab Tinjauan Pustaka merupakan bagian yang memuat landasan teori dan yang menjadi acuan untuk bagian metodelogi penelitian dan pembahasan mengenai hasil penelitian. BAB 3 METODE PENELITIAN Bab Metodelogi Penelitian merupakan bagian yang memuat prosedur- prosedur dalam penelitian secara nyata. BAB 4 PEMBAHASAN Bab ini berisi hasil dari penelitian yang telah dilakukan berdasarkan prosedur yang tertera di Bab III. Dalam bab ini juga terdapat analisis dan pembahasan dari hasil penelitian yang telah diperoleh. BAB 5 PENUTUP Berisi rangkuman keseluruhan dari penelitian yang telah dikerjalan yang mengacu pada hasil yang diperoleh. Bab ini berisi kesimpulan dan saran dari penelitian

20 6 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 State Of The Art Amonia yang mencemari sumber air merupakan masalah besar yang harus diselesaikan. Oleh karena itu, perlu dilakukan proses pengolahan limbah amonia melalui proses degradasi. Telah dilakukan beberapa metode degradasi amonia yang terkandung dalam air. Dan terdapat beberapa penelitian mengenai degradasi tersebut. Indah Riwayati pada tahun 2010 melakukan penelitian untuk mendegradasi amonia menggunakan elektrolisis NaCl pada kondisi basa.pada penelitian inidigunakan air limbah sintetis dengan kandungan ammonia 100 ppm yangdielektrolisis dalam modul elektrolisis dengan elektroda Pt/SS. Percobaan dilakukan dengan memvariasikan ph antara 10,5 12,5, konsentrasi NaCl ppm, dan densitas arus 3 12mA/cm2. Hasil percobaan menunjukkan bahwa semakin tinggi ph, reaksi elektrolisis berlangsung lebih cepat dan efesiensi arus semakin meningkat. Ion Cl- berpengaruh terhadap reaksi elektrolisis; semakin besar konsentrasinya semakin cepat reaksinya dan semakin tinggi efisiensi arus.densitas arus juga berpengaruh; semakin besar densitas arus, semakin cepat reaksi, tetapi efisiensi arus justru menurun. Konversi tertinggi yang didapat dari penelitian ini adalah 30,16%. Pada tahun 2008, Huang Li melakukan metode lain untuk mendegradasi amonia yaitu dengan menggunakan radikal hidroksil (OH ) yang dihasilkan dari photolysis H 2 O 2 menggunakan radiasi lampu merkuri dengan panjang gelombang sebesar 253,7 nm selama 5 jam. Radikal hidroksil merupakan spesi aktif yang mampu mengoksidasi senyawa senyawa organik yang sulit terdekomposisi. Pada penelitian ini, amonia yang tersisihkan sebesar 26,4 %. Pada tahun 2009, Sri retno melakukan penelitian untuk mendegradasi amonia yang terkandung dalam air menggunakan metode advanced oxidation process atau proses okdidasi lanjut dan filtrasi membran. Proses oksidasi lanjut ini menggunakan radikal hidroksil yang merupakan oksidator kuat yang mampu 6

21 6 menguraikan berbagai senyawa organik dan inorganik beracun dalam air. Namun dalam proses ini persentase amonia yang terkonversi mencapai 17,07 %. Contact Glow Dischrge Electrolysis atau CGDE adalah metode oksidasi lanjut yang sangat produktif untuk menghasilkan radikal hidroksil. Gao (2002) melakukan degradasi limbah senyawa pewarna brilliant red dan flavine G dengan persentase degradasi pada masing-masing limbah mencapai 94,99 dan 95,55 % (Gao, 2002) Selain itu pada tahun 2010, Yongjun Liu melakukan percobaan degradasi pada senyawa 4-Nitrophenol menggunakan CGDE dengan menggunakan elektrolit natrium sulfat dan didapat persentase degradasi mencapai 100 % (Liu, 2010) Dengan melihat data beberapa penelitian mengenai pengolahan limbah amonia menggunakan radikal hidroksil serta efektifitas CGDE dalam mendegradasi berbagai limbah menggunakan radikal hidroksil, maka metode CGDE perlu di teliti lebih jauh efektifitasnya dalam mengolah limbah cair yang mengandung amonia. Tabel 2.1 State of The Art Pengolahan limbah Limbah Metode Fenol Dyes Amonia Elektrolisis biasa (Indah Riwayati, 2010) Fotolisis (Huang Li, 2008) Advanced Oxidation (Sri Retno, Karamah Process 2009) Elektrolisis plasma (Liu, 2010) (Gao, 2002) Letak Penelitian ini 2.2 Karakteristik Amonia di dalam Air Amonia adalah senyawa kimia dengan rumus NH 3. Biasanya senyawa ini berupa gas dengan bau tajam yang khas (disebut bau amonia). Walaupun amonia memiliki sumbangan penting bagi keberadaan nutrisi di bumi, amonia sendiri adalah senyawa kaustik dan dapat merusak kesehatan. 6

22 7 Amonia yang digunakan secara komersial dinamakan Amonia Anhidrat. Istilah ini menunjukkan tidak adanya air pada bahan tersebut. Karena amonia mendidih di suhu -33 C, cairan amonia harus disimpan dalam tekanan tinggi atau temperatur amat rendah. Walaupun begitu, kalor penguapannya amat tinggi sehingga dapat ditangani dengan tabung reaksi biasa di dalam sungkup asap. Amonium hidroksida adalah larutan NH 3 dalam air. Konsentrasi larutan tersebut diukur dalam satuan baumé. Produk larutan komersial amonia berkonsentrasi tinggi biasanya memiliki konsentrasi 26 derajat baumé (sekitar 30 persen berat amonia pada 15.5 C). Gambar 2.1 Struktur kimia Amonia Produksi komersial amonia dihasilkan dengan cara mengontakan langsung antara hidrogen dan nitrogen yang merupakan suatu reaksi keseimbangan pada fasa gas. Reaksi kimia dan konstanta kesetimbangan yang terjadi adalah sebagai berikut: Persamaan ini mengindikasikan bahwa 2 mol amonia terbentuk dari 1 mol gas N 2 dan 3 mol gas H 2, dari persamaan ini juga mengindikasikan bahwa reaksi bersifat eksotermis, sehingga amonia akan terbentuk dengan baik pada suhu rendah. Namun pada suhu rendah reaksi berjalan lambat. Usaha untuk meningkatkan jumlah dengan kecepatan yang cukup dilakukan dengan mengatur tekanan dan suhu dan menambahkan katalisator. Untuk proses yang optimal dapat diperoleh dengan mengatur suhu sebesar 500ºC dan dengan tekanan 350 atm, dengan kondisi ini didapatkan produk amonia sebesar 30%. Amonia tidak terionisasi dan memiliki rumus kimia NH 3, sedangkan amonium terionisasi dengan rumus kimia

23 8 NH + 4. Faktor utama untuk menentukan perbandingan amonium dan amonia dalam air adalah ph. Aktivitas amonia dalam air dipengaruhi oleh Temperatur dan kekuatan ion. Amonia sangat beracun untuk organisme yang hidup didalam air, sedangkan amonium tidak terlalu berbahaya. Persamaan kimia yang mendorong hubungan antara amonia dan amonium NH 3 + H 2 O NH OH - (2.1) Dimana ph rendah, maka reaksi akan bergerak ke kanan dan ketika ph tinggi, reaksi bergerak kearah kiri. Secara umum, pada temperatur ruang dan ph kurang dari 6. Perbandingan amonia dengan amonium sebagai NH 3 sangat kecil dan sebagai NH + 4 sangat tinggi. Pada ph sekitar 8, komposisi dari NH 3 adalah 10% atau kurang. Dan pada ph diatas 9 maka komposisi amonia menjadi 50%. Tidak semua amonia terlarut beraksi dengan air dan membentuk amonium. Hal ini diindikasikan dari konstanta ionisasinya sebagai berikut : Distribusi NH 3 dan NH 4 + dalam air dipengaruhi oleh ph. Pengaruh ph pada distribusi NH 3 dan NH 4 + dalam air ditunjukkan pada Gambar 2.2 Gambar 2.2 Pengaruh ph Pada Distribusi Amonia dan Amonium Dalam Air (Frensenius et al.1987)

24 9 2.3 Bahaya Amonia bagi Kesehatan Amonia merupakan senyawa yang dapat membahayakan kehidupan disekitarnya dan dapat berdampak langsung terhadap kesehatan manusia bila terpapar dalam jumlah yang melebihi batas. Berikut bahaya yang dapat ditimbulkan oleh senyawa amonia: Tabel 2.2.Bahaya amonia terhadap kesehatan manusia Kategori Jangka pendek (Akut) Bahaya yang ditimbulkan Iritasi terhadap saluran pernapasan, hidung, tenggorokan dan mata terjadi pada ppm. Sedang pada 5000 ppm menimbulkan kematian. Kontak dengan mata dapat menimbulkan iritasi hingga kebutaan total. Kontak dengan kulit dapatmenyebabkan luka bakar (frostbite) Jangka Panjang(Kronis) Menghirup uap asam pada jangka panjang mengakibatkan iritasi pada hidung, tenggorokan dan paru-paru. Termasuk bahan teratogenik. Nilai Ambang Batas : 25 ppm (18 mg/m3) (ACGIH ) STEL 35 ppm (27 mg/m3). 2.4 Sifat Fisik dan Kimia Amonium Sulfat Garam Amonium sulfat kesetersediaanya melimpah dialam ini. Amonium sulfat merupakan produk netralisasi amonia dan asam sulfat. Pada umumnya amonium sulfat digunakan sebagai sumber nitrogen dari campuran pupuk komersial dan dapat digunakan langsung dengan konsentrasi 90 %. Selain itu, amonium sulfat digunakan juga sebagai bahan adiktif untuk makanan dan produk non-agraria seperti cat dan pembersih (UNEP, 2004). Berikut adalah sifat fisik dan kimia dari amonium sulfat.

25 10 Tabel 2.3 Sifat fisik dan kimia amonium sulfat (UNEP,2004) Sifat Keterangan Sifat fisik Titik Leleh Titik Didih Densitas relatif Kelarutan dalam air Padatan warna putih Pada sistem terbuka dekomposisi dimulai pada temperatur dan C. Pada kondisi eksperimen terdekomposisi secara sempurna C Terdekomposisi 1.77 pada 25 0 C 764 g/l pada 20 0 C ph 5-6 pka- pada 25 0 C Basis amonia Basis Asam Sulfat Akibat kelarutannya yang tinggi dan mudah terionisasi, amonium sulfat tidak boleh diadsorpsi dan dicerna dalam batas yang signifikan. Mobilitas ion amonium dalam tanah dapat dikurangi dengan adanya interaksi antar ion. Dalam media air amonium sulfat terdisosiasi menjadi (NH + 4 ) dan SO - 4, akan tetapi dengan meningkatkan ph dapat meningkatkan fraksi dari total amonia yang tidak terionisasi misalnya, pada 5 o C dan ph 6.5, total amonia sebagai NH 3 adalah %. Sedangkan pada ph 8.5 konsentrasi ammonia meningkatkan menjadi 100% (UNEP, 2004). 2.5 Pengolahan Limbah Amonia Pada saat ini, terdapat berbagai metode dalam pengolahan limbah amonia diantaranya adalah Pengolahan Limbah Amonia melalui Proses Oksidasi Lanjut Proses oksidasi lanjut merupakan suatu proses yang digunakan untuk mengoksidasi senyawa organik dalam air. Proses ini dapat digunakan untuk menyisihkan senyawa organik yang berkonsentrasi rendah sampai tinggi dari sumber yang beragam seperti air tanah, limbah rumah tangga dan industri,

26 11 destruksi sludge, dan pengendalian senyawa organik yang mudah menguap. Dengan menggunakan proses oksidasi lanjut, senyawa organik dapat dimineralisasi secara sempurna membentuk karbondioksida dan air dengan adanya radikal hidroksil. Nilai konstanta laju oksidasi radikal hidroksida dengan senyawa organik berada pada rentang 108 sampai 1011 M -1 s -1 (M. B. Ray, 2007). Proses oksidasi lanjut merupakan suatu metode yang memanfaatkan keberadaan radikal hidroksida sebagai oksidator yang sangat kuat untuk menguraikan senyawa organik, yang tidak dapat dioksidasi dengan oksidator konvensional seperti oksigen, ozon, dan klorin. Radikal hidroksil memiliki potensial oksidasi sebesar 2,80 ev yang lebih tinggi dibandingkan ozon yang memiliki potensial oksidasi sebesar 2,70 ev. Hal ini yang menjadi alasan radikal hidroksil dapat digunakan secara efektif untuk mengoksidasi mikroorganisme dan senyawa organik yang sulit diuraikan. Tabel 2.4 Potensial Oksidasi Oksidan Pengolahan Air (Lukes, 2005) Spesi aktif Potensial oksidasi F OH O O 3 H 2 O 2 O 2 H Cl Proses oksidasi lanjut merupakan kombinasi dari beberapa metode oksidasi yaitu ozon dengan hidrogen peroksida, ultraviolet dengan ozon atau kavitasi dengan ozon dan ozonasi katalitik dengan menggunakan ion logam, oksida logam atau karbon aktif (Li-Bing Chu et al, 2007). Reaksi NH 3 /NH + 4 dengan ozon berlangsung sangat lambat, diperkirakan kostanta kecepatan reaksinya dengan ozon sekitar 20 M -1 S -1 dengan t1/2 = 96 jam sedangkan proses oksidasi oleh Radikal OH dapat berlangsung lebih cepat yaitu 9.7 x 10 7 M -1 s -1. Reaksi oksidasi yang terjadi dimana amonia akan dioksidasi oleh

27 12 - Radikal OH membentuk NO 2 (Nitrit) yang akan dioksidasi lebih lanjut membentuk NO - 3 (nitrat). Dimana proses oksidasi NO - 2 menjadi NO - 3 berlangsung cepat. (Urs von Gunten, 2002). Tingkat penyisihan amonia oleh ozon masih kurang efektif dengan tingkat penyisihan paling tinggi adalah 5.86% (Eva, 2009) Pengolahan Limbah Amonia menggunakan Membran Membran didefenisikan sebagai suatu penghalang selektif antara dua fasa sehingga molekul selektif akan melekat ke membran (Mulder, 2000) dengan kata lain molekul tertentu dapat menembus membran sementara molekul lainya tidak dapat menembus membran tersebut. Membran memiliki kemampuan untuk memindahkan satu komponen karena adanya perbedaan sifat fisika dan/atau kimia diantara membran dan komponen permeate dimana laju permeasi pada membran sebanding dengan gaya penggerak (driving force). Gaya penggerak (driving force) adalah gaya yang bekerja pada molekul atau partikel di dalam membran. Gaya penggerak (driving force) dapat berupa perbedaan tekanan, konsentrasi, dan temperatur antara larutan pada bagian luar membran dengan larutan yang berada di bagian dalam membran. Larutan asam sulfat digunakan sebagai larutan penyangga pada bagian permeat yang bertujuan untuk menyerap amonia yang berdifusi kedalam membrane sehingga membentuk senyawa ammonium sulfat. Tingkat ekstraksi amonia yang paling optimal yaitu sebesar 99.83% (Hasanogul et al, 2010) Pengolahan Limbah Amonia dengan Fotolisis Pada penelitian ini proses penghilangan amonia dilakukan dengan radiasi lampu merkuri yang bertekanan rendah. H 2 O 2 menjadi pemicu terbentuknya Radikal OH yang dapat mengoksidasi NH 3 menjadi NO - 2 dan lebih jauhnya lagi menjadi NO - 3. Limbah amonia dibuat dari (NH 4 ) 2 SO 4 yang dilarutkan dalam air distilasi. Reaksi yang terjadi selama proses berlangsung adalah sebagai berikut:

28 13 H O 2 2 hv 2 OH (2.2) NH OH NH H O NH H O NHOH H O NH OH NH OH 2 2 (2.3) (2.4) (2.5) Hidrogen peroksida dipecah menjadi OH.Dengan adanya radiasi sinar dengan panjang gelombang sekitar nm. Ketika OH menyerang amonia terjadi proses oksidasi menghasilkan NH 2. Kemudian NH 2 akan teroksidasi menjadi NHOH dan oksidasi lebih lanjut menjadi NH 2 O - 2. Setelah itu NH 2 O - 2 yang tidak stabil terpecah menjadi NO - 2,yang dapat dioksidasi menjadi NO - 3 (Huang, 2010). Gambar 2.3. Profil waktu dan ph untuk amonia,nitrit dan nitrat dengan konsentrasi awal H 2 O M dan ph awal 9.3 (Huang,2010) Pada kurva hubungan antara ph dan konsentrasi diatas, dapat dilihat bahwa kandungan nitrit menurun seiring dengan proses radiasi berlangsung. Sedangkan untuk Nitrat cenderung lebih meningkat secara linear. 2.6 Elektrolisis Plasma Elektrolisis plasma, merupakan salah satu aplikasi teknologi plasma didalam air pertama dalam sejarah. Dengan adanya area tegangan yang tinggi pada elektrolisis ini, menyebabkan pembentukan lapisan plasma pada area dekat dengan katoda. Plasma diperoleh dengan menggunakan elektroda asimetris, muatan akan terjadi pada elektroda dengan area yang lebih kecil dimana terjadi

29 14 suatu pemanasan. Pemanasan terjadi pada elektroda karena penurunan arus dan medan listrik yang lebih tinggi Selama proses elektrolisis plasma, gas terbentuk dari dua sumber, yaitu: Pertukaran muatan (redoks) dan produksi lanjut suatu gas berdasarkan pada skema sel redoks Konduksi ion didalam larutan karena kemurnian dari pada ion terlarut, kemudian penguapan akibat adanya panas Gambar 2.4 Reaksi kimia redoks pada bagian anoda dan katoda pada elektrolisis biasa (Ceccato, 1999) Elektrolisis plasma merupakan elektrolisis non faradaic yang menghasilkan spesi aktif antara elektroda dan elektrolit. Spesi aktif yang dihasilkan diantaranya adalah OH, H dan aqua elektron. Elektrolisis plasma biasanya terjadi ketika diberi tegangan dari 100 V atau lebih. Plasma terbentuk pada permukaan elektroda akibat adanya eksitasi elektron pada larutan yang mempunyai konduktivitas yang tinggi. Sedangkan lapisan yang terdiri dari campuran hidrogen, oksigen dan uap air terbentuk di katoda. Pada elektrolisis plasma ini terdapat dua zona reaksi yaitu: 1. Zona Pertama, Fase cairan dekat permukaan antara plasma dan elektrolit 2. Zona Kedua, Plasma disekitar elektroda Pada zona reaksi dua, molekul H 2 O terionisasi atau aktif dan saling memecah satu sama lain akibat adanya perpindahan muatan sehingga menghasilkan Radikal OH bebas dan terkadang atom hidrogen. Di sisi lain, pada zona reaksi fasa cair dekat antar muka plasma dan elektrolit, molekul H 2 O cair

30 15 dipecah oleh H + al,2002). menjadi H 2, H 2 O 2 dan O 2 dari plasma disekitar katoda (Gao et Elektrolisis plasma bergantung kepada arus yang mengalir melalui elektrolit antara katoda dan anoda. Elektrolisis plasma telah banyak dieksplorasi sehingga kestabilan dan juga ketidakstabilan operasi dapat diidentifikasi melalui kurva hubungan arus listrik dan tegangan sebagai berikut : Gambar 2.5 Kurva hubungan arus listrik dan tegangan pada saat proses elektrolisis plasma (Ceccato, 2009) Seperti pada elektrolisis biasa, terdapat peleburan logam pada sisi lain dan pengendapan pada sisi lainya. Pada elektroda terjadi pengendapan dari material non-konduktif, terbentuk lapisan porous pada elektroda tersebut dan arus mengalir melewati lapisan deposit dielektrik. Ketika lapisan deposit menyelubungi elektroda, maka arus hanya bisa melewati elektroda dengan cara memecahkan atau dengan cara menembus melewati lapisan ini. Arcing regime terjadi pada kondisi arus yang tinggi dan setelah terbentuknya pengendapan di elektroda karena proses elektrolisis biasa (Ceccato, 2009) Aplikasi Elektrolisis Plasma untuk Pengolahan Limbah Dalam pengolahan limbah, elektrolisis plasma memegang peranan penting karena mampu mendegradasi senyawa organik yang sulit terurai dengan tingkat konversi yang sangat tinggi. Sebagai salah satu teknik penjernihan air, telah

31 16 dilakukan penelitian yang melaporkan mekanisme degradasi menggunakan fenol, chlorophenol, asam benzoate dan aniline dalam air dengan proses elektrolisis plasma Selain itu limbah organik lain yang berhasil diolah dengan proses elektrolisis plasma adalah dye (Gao et al 2005). Penelitian ini terus berkembang sampai ditemukanya alat pemurnian air yang menggunakan prinsip elektrolisis plasma. Dari hasil penelitian ini telah ditemukan bahwa hasil degradasi dari limbah organik terkonversi sebagian besar menjadi CO 2, air dan ion-ion anorganik. Berikut ini adalah penelitian yang telah dilakukan dengan menggunakan limbah organik. Tabel 2.5 Degradasi beberapa senyawa organik menggunakan elektrolisis plasma (Gao, 2006) Terdapat beberapa tahapan mekanisme reaksi yang terjadi dalam degradasi limbah zat pewarna oleh radikal OH. Pertama radikal OH menyerang sistem konjugasi yang membuat zat pewarna menjadi tidak bewarna. Kedua senyawa hidroksilat terbentuk, kemudian berubah menjadi benzoquinone yang teroksidasi menjadi molekul yang lebih kecil. Mekanisme reaksi ini diikuti dengan perubahan terhadap ph, senyawa pewarna pertama kali akan mengalami penurunan ph,

32 17 kemudian tidak terjadi perubahan pada ph pada waktu tertentu, terjadi peningkatan. Dengan waktu reaksi yang lebih lama lagi asam organik terurai menjadi molekul yang lebih kecil. Gambar 2.6. Mekanisme reaksi degradasi Zat pewarna oleh Radikal OH (Gao et al,2008) 2.8 Mekanisme Pembentukan Radikal OH dalam Elektrolisis Plasma Radikal OH merupakan spesi aktif yang termasuk sebagai oksidator kuat memiliki potensial oksidasi 2.8 mv. Mekanisme terbentuknya radikal OH pada elektrolisis plasma terjadi pada 2 zona reaksi, pertama pada area reaksi dalam plasma disekitar anoda, dimana molekul air terionisasi dan saling memecahkan satu sama lain akibat adanya perpindahan muatan. Produk yang dihasilkan terkadang atom H dan OH radikal. Kedua, terjadi pada zona antar muka antara elektrolit dan plasma dimana molekul air dipecah menjadi H 2 dan H 2 O 2 ditambah dengan oksigen yang dipecah oleh H 2 O + gas dari plasma (Jin, 2010). Berikut adalah mekanisme reaksi pembentukan OH yang terjadi H O H OH 2 H H H OH OH H O OH H O HO H O OH HO H O O (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)

33 18 Usia dari radikal OH sangat pendek. Kesempatan untuk interaksi secara langsung antara OH dan molekul senyawa pewarna sangatlah kecil. Jadi mudah untuk saling rekombinasi dan membentuk H 2 O 2. Dengan adanya banyak logam seperti Mn 2+, Cu 2+, Co 2+, Fe 3+ dan Fe 2+ yang terkandung pada larutan elektrolit, maka larutan H 2 O 2 dapat dengan mudah terdekomposisi menjadi OH sesuai dengan reaksi fenton. Produktivitas Radikal OH pada proses elektrolisis plasma sangatlah tinggi dibandingkan dengan proses yang lain. Hal ini dapat diketahui dari perolehan senyawa Hidrogen Peroksida yang merupakan hasil dari rekombinasi dari radikal OH selama proses elektrolisis plasma berlangsung sebagai berikut: Tabel 2.6. Konsentrasi pembentukan H 2 O 2 sebagai indikasi adanya radikal OH pada metode pengolahan limbah lainnya. Metode Pengolahan Larutan Limbah Perolehan Reference Konsentrasi H 2 O 2 Ultra sound aryl-azo-naphthol 7.6 ppm (Gu Itekin, 2006) dyes Ozone aryl-azo-naphthol 5 ppm (Gu Itekin, 2006) dyes Elektrolisis plasma Deionized water 50 ppm (Kurahashi, 2997) Elektrolisis plasma 4-nitrophenol 1500 ppm (Liu, 2010) 2.9 Contact Glow Discharge Electrolysis Suatu proses elektrokimia dimana plasma terbentuk pada permukaan anoda dan elektrolit dengan adanya arus DC (Wang, 2001). Tujuan elektroda (anoda dan kotoda) menempel pada permukaan larutan elektrolit adalah memudahkan penguapan air yang terjadi pada daerah sekitar anoda karena adanya joule heating (Sengupta, 1994).

34 19 Gambar 2.7. Konfigurasi Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis (Luke, 2005) Pada umumnya, anoda yang digunakan merupakan kawat platina dan katoda terbuat dari stanless steel bisa berbentuk silinder atau plate. Karena plasma terbentuk pada permukaan elektrolit, maka perlu adanya pengadukan supaya limbah dapat diserang radikal secara terus menerus dengan menggunakan magnetic stirrer atau agitator seperti yang diilustrasikan pada gambar 2.9. Adapun keunggulan dari reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis adalah sebagai berikut: Temperatur elektrolit mudah dijaga karena anoda yang berfungsi sebagai sumber panas berada pada atas permukaan elektrolit. Pemanasan secara konduksi terjadi pada permukaan larutan elektrolit, sedangkan panas yang dilepaskan anoda sebagian lagi teradiasi melalui molekul gas yang terbentuk sehingga temperatur pada permukaan larutan elektrolit mengalami nilai maksimal 80 0 C Arus yang dihasilkan lebih kecil, karena luas pemukaan dari anoda lebih kecil sehingga elektron yang mengalir menuju anoda terbatas. Plasma lebih cepat terbentuk. Dengan adanya anoda dipermukaan. proses penguapan elektrolit pada daerah permukaan menjadi lebih cepat dibandingkan dengan anoda tercelup. Hal ini menjadi membuat elekton untuk mengionisasi gas-gas yang terbentuk akibat penguapan molekul molekul gas yang terbentuk (Sengupta, 1994).

35 20 Pada pengembanganya, reaktor CGDE dapat digunakan dalam produksi hidrogen yang telah dilakukan oleh Mizuno dengan larutan elektrolit KOH. Akan tetapi sumber plasma terjadi pada katoda, hal ini dikarenakan gas hidrogen banyak terbentuk pada daerah katoda. Gambar 2.8. Reaktor elektrolisis plasma dalam produksi hidrogen (Mizuno, 2005) Plasma terbentuk pada fase cairan, sehingga memudahkan proses disosiasi air menjadi hidrogen. Daerah plasma terjadi pada bagian bawah dari katoda yang dihubungkan langsung dengan glass dome yang berfungsi sebagai pengumpul gas hidrogen. Gas oksigen dan uap air yang terbentuk pada daerah anoda, dikeluarkan dari reaktor melalui celah yang berbeda. Anoda yang digunakan adalah platina yang dipasang pada bagian luar dari glass dome, dimana proses plasma berlangsung disekitar katoda yang terbuat dari tungsten. Katoda terhubung dengan arus negatif sedangkan anoda terhubung dengan arus positif. Produk yang dihasilkan dari area katoda yaitu hidrogen, oksigen dan uap air yang terhubung dengan gas flow meter dan mass spectrofotometer, sedangkan pada daerah anoda dihasilkan oksigan dan uap air Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma dalam Mengolah Limbah Dalam proses degradasi limbah dengan elektrolisis plasma, terdapat beberapa faktor-faktor yang mempengaruhi produktivitas radikal OH selama proses elektrolisis plasma berlangsung, diantaranya adalah

36 Tegangan Operasi Pada Elektrolisis plasma Tegangan Listrik yang digunakan pada elektrolisis plasma untuk pengolahan limbah sangat tinggi dengan kisaran antara V. Pada penelitian menggunakan limbah 1-Naphtylamine, tegangan listrik yang digunakan adalah sebesar 600 V. Dari hasil penelitan ini, diperoleh kurva antara tegangan dan arus listrik yang terbagi menjadi dua zona elektrolisis yaitu zona elektrolisis konvensional faradaic dan elektrolisis normal non-faradaic, yang dijelaskan dalam kurva tegangan dengan arus berikut ini Gambar 2.9. Kurva hubungan antara arus listrik dan tegangan pada degradasi Naphtylamine (Gao et al, 2006) Gambar Efek tegangan terhadap pembentukan radikal OH pada grafik waktu terhadap konsentrasi radikal OH (Gao et al, 2008) Karakterisitik dari kurva hubungan arus listrik dan tegangan pada proses degredasi diatas, menunjukan bahwa pada tegangan dibawah 200 V, terjadi peningkatan tegangan listrik yang sebanding dengan peningkatan arus. Pada zona ini, proses elektrolisis konvensional Faraday terjadi yang diikuti dengan terbentuknya gelembung-gelembung air disekitar anoda dan katoda akibat adanya pemanasan dan perpindahan muatan (reaksi redoks). Ketika tegangan dinaikan

37 22 diatas 200 V, kilatan kecil terjadi disekitar anoda. Pada tegangan antara V, pembacaan terhadap arus listrik dan tegangan menjadi fluktuasi diikuti dengan lenyapnya kilatan cahaya. Pada tegangan V, arus mulai stabil diikuti dengan adanya uap yang menyelubungi katoda. Diatas tegangan 520 V, terbentuk pijaran cahaya kemerah-merahan. Intensitas dari emisi cahaya meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan, sedangkan arus listrik mencapai 300 ma. Jika tegangan ditingkatkan lebih lanjut, maka energi yang dikonsumsi menjadi lebih besar dan dapat merusak anoda Produktivitas radikal OH meningkat dengan bertambahnya tegangan listrik sebagaimana ditunjukan pada gambar Hal ini diakibatkan karena dengan adanya perbedaan tegangan yang tinggi, energi untuk mengeksitasi elektron yang digunakan untuk menghasilkan radikal menjadi semakin tinggi Pengaruh Larutan Elektrolit terhadap Kinerja Elektrolisis Plasma Elektrolit adalah suatu zat yang larut atau terurai kedalam bentuk ion-ion merupakan atom-atom bermuatan elektrik dan kemudian larutan tersebut menjadi konduktor elektrik. Elektrolit bisa berupa air, asam, basa atau berupa senyawa kimia lainnya. Beberapa gas tertentu dapat berfungsi sebagai elektrolit dengan kondisi tertentu misalnya pada suhu tinggi atau tekanan rendah. Elektrolit kuat identik dengan asam, basa, dan garam kuat. Elektrolit merupakan senyawa yang berikatan ion dan kovalen polar. Sebagian besar senyawa yang berikatan ion merupakan elektrolit sebagai contoh ikatan ion NaCl yang merupakan salah satu jenis garam yakni garam dapur. NaCl dapat menjadi elektrolit dalam bentuk larutan atau bentuk cairan. Sedangkan dalam bentuk padatan atau padatan senyawa ion tidak dapat berfungsi sebagai elektrolit. Larutan elektrolit memiliki peranan yang penting dalam proses elektrolisis plasma, hal ini dikarenakan dengan semakin tingginya konduktivitas dari larutan elektrolit tersebut maka makin besar pijaran yang terbentuk selama proses elektrolisis plasma berlangsung kenaikan dari konduktivitas dihasilkan dari kerapatan arus yang lebih tinggi pada voltase yang sama dan penghilangan daya pada daerah sekitar anoda menjadi relatif lebih tinggi. Selain itu konduktivitas berpengaruh terhadap konsentrasi H 2 O 2 yang dihasilkan selama proses elektrolisis plasma berlangsung. Hidrogen

38 23 peroksida (H 2 O 2 ) merupakan suatu indikator terjadinya reaksi kimia yang terjadi dalam proses elektrolisis plasma. Tabel 2.7 Pengaruh konstituen elektrolit pada elektrolisis plasma dengan konduktivitas yang sama yaitu 5 ms/cm (Jin,2010) Pada larutan NaCl, konsentrasi H 2 O 2 yang dihasilkan adalah mg/l,lebih rendah dibanding pada larutan Na 2 SO 4. Hal ini disebabkan karena ketika elektrolisis plasma kontak dilakukan dengan larutan NaCl, klorin (Cl - ) dapat berubah menjadi radikal klorin. Dua radikal klorin bereaksi satu dengan yang lainnya sehingga membentuk molekul klor (Cl 2 ). Asam hipoklorit (HClO) terbentuk dalam reaksi ini dan mengkonsumsi H 2 O 2 pada anolyte. Karena itulah konsentrasi H 2 O 2 pada larutan NaCl lebih rendah daripada larutan Na 2 SO 4. Pada Larutan NaAc, konsentrasi H 2 O 2 hanya sebesar mg/l karena Ac - mengkonsumsi sebagian dari OH yang dihasilkan pada pengurangan konsentrasi dari H 2 O 2. Na 2 CO 3 dan NaHCO 3 sering digunakan sebagai inhibitor OH radikal. Konstanta laju reaksi antara Na 2 CO 3, NaHCO 3 dan OH adalah 8.9 x 10 8 M -1 s -1, 8.5 x 10 6 M -1 s -1. Ketika larutan Na 2 SO 4 terkandung methanol dalam konsentrasi kecil, H 2 O 2 yang dihasilkan adalah mg/l, yang mana lebih rendah daripada tanpa methanol. Hal itu dikarenakan methanol dapat menangkap OH. Pada penerapanya, methanol sering digunakan sebagai scavenger radikal hidroksil (Jin, 2010).

39 Pengaruh Temperatur pada Elektrolisis Plasma Temperatur dari larutan meningkat dengan adanya pemanasan dari plasma itu sendiri. Peningkatan temperatur pada elektrolisis plasma yang berlangsung akan menuju temperatur yang setimbang yaitu C. Temperatur sangat berpengaruh terhadap selektivitas dari radikal OH, semakin tinggi temperatur maka akan semakin kecil selektivitas dari radikal OH. Selektivitas radikal OH adalah jumlah radikal OH dalam 100 atom Oksigen. Pada kurva dibawah dapat dilihat perolehan selektivitas radikal OH pada temperatur yang berbeda. Gambar Selektivitas Radikal OH dalam temperatur yang berbeda (Joshi, 2010) Pada temperatur tinggi, konstanta laju reaksi meningkat akan tetapi selektivitas dari reaksi Radikal OH menurun. Pada kurva diatas diperoleh selektivitas maksimum 48 OH/100 O atom, pada temperatur C. Pada temperatur C diperoleh selektivitas Radikal OH dengan kisaran rasio OH/100 O atom. Pada temperatur yang tinggi, reaksi yang terjadi adalah dekomposisi hidrogen peroksida menjadi oksigen dan air (Joshi, 2010). Persamaan reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: T C H O H HO H kj mole / (2.11) H2O2 2OH H 214 kj / mole (2.12) 0 1 T C H2O2 H2O O2 2 H 98.2 kj / mole (2.13)

40 Pengaruh Dimensi Anoda pada Elektrolisis plasma Pada umumnya mekanisme pembentukan plasma pada Contact Glow Discharge electrolysis terjadi pada anoda. Kedalaman anoda pada larutan elektrolit mempengaruhi intensitas arus yang mengalir melalui transfer elektron maupun eksitasi oleh elektron. Tabel 2.8. Pengaruh Dimensi Anoda terhadap Tegangan Kritis (V breakdown) (Sengupta, 1994). Dimensi anoda V B (break down voltage) V D(mid point voltage Length diameter Volt Volt 5 mm 0.35 mm mm 0.20 mm mm 0.50 mm mm 0.35 mm Dilihat dari tabel diatas, bahwa dimensi anoda berpengaruh terhadapa tegangan kritis. Dengan dimensi yang lebih panjang, maka tegangan kritis akan meningkat. Tegangan kritis merupakan tegangan pada saat arus mulai menurun karena terbentuknya tahanan akibat adanya selubung gas atau uap oleh pemanasan joule. Dengan volume selubung gas yang lebih besar, maka makin banyak molekul uap yang tereksitasi menjadi H 2 O + dan e -. Ion Hidronium (H 2 O + ) ini yang berperan dalam membentuk OH dari molekul H 2 O cair.

41 BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1 Prosedur Umum Secara umum penelitian ini dilakukan dengan diagram alir sebagai berikut. Mulai Persiapan Alat dan Bahan Rancang Bangun Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Uji Reaktor Uji kebocoran Fenomena Pembentukan Plasma Karakteristik Tegangan dan Arus Uji Kinerja Plasma Pengaruh Tegangan Pengaruh Temperatur Pengaruh Kedalaman Anoda Pengukuran Hidrogen Peroksida Pengukuran kandungan Amonia Pengukuran Konsumsi Energi Data penelitian Pembahasan Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian 27

42 28 Bagian ini membahas berbagai hal yang berhubungan dengan rancangan penelitian yang akan dilakukan, alat dan bahan yang dibutuhkan dalam melakukan penelitian, dan prosedur yang dilakukan untuk penelitian ini. Pembahasan dalam rancangan penelitian meliputi perancangan reaktor contact glow discharge electrolysis yang dibuat, preparasi sampel yang digunakan dalam penelitian, proses elektrolisis dari sampel yang telah dipersiapkan dan analisis dari sampel cair dari proses plasma elektrolisis. Penelitian ini dilakukan di laboratorium Teknik Intensifikasi Proses Fakultas Teknik Kimia, Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia. Penelitian dilakukan dengan tahapan umum berikut : 3.2 Alat dan Bahan Untuk melakukan penelitian ini maka diperlukan peralatan yang dapat menunjang kelancaran selama proses penelitian berlangsung. Peralatan yang digunakan dibagi menjadi dua bagian yaitu peralatan laboratorium dan peralatan pengukuran yang ditunjukan kedalam tabel sebagai berikut: Tabel 3.1 Daftar peralatan yang dibutuhkan untuk penelitian Peralatan Laboratorium Peralatan Elektrolisis Plasma Peralatan Pengukuran 1. Corong Kaca Power Analyser Spektrofotometer 2. Pengaduk besi Dioda Bridge Multi tester 3. Gelas ukur 1000 ml Slide Regulator Konduktometer 4. Gelas ukur 50 ml Transformer ph meter 5. Kaca Arloji Anoda (Tungsten) 6. Timbangan Katoda (Stainless Steel) 7. Buret Kabel Tembaga 8. Pipet Ukur Manual Circuit Breaker 9. Kuvet Magnetic Stirrer 10. Labu Ukur 25 ml Cooling Jacket 28

43 29 Sedangkan untuk bahan bahan kimia yang diperlukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut ini: Tabel 3.2 Daftar Bahan-bahan yang dibutuhkan untuk penelitian Bahan Kimia Fungsi Konsentrasi Aquadest Pelarut Murni Ammonium Sulfat (NH 4 ) 2 SO 4 Limbah sintetis 100 mg/l Kalium Hidroksida (KOH) Larutan elektrolit 0.01 M, 0.02 M dan 0.03 M Asam Klorida (HCl) Pengujian Hidrogen Peroksida 2 M CH 3 COONa Pengujian Hidrogen Peroksida 2 M Kalium Iodida (KI) Pengujian Hidrogen Peroksida 2% Toluidene Blue Pengujian Hidrogen Peroksida 0.01 % Nessler A dan B Untuk Pengukuran Amonia - Es Pendingin absorber Pembuatan Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Pembuatan reaktor ini, mengacu pada reaktor CGDE yang telah dikembangkan sebelumnya oleh Luke.

44 30 Gambar 3.2 Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Reaktor sistem batch diatas dimodifikasi dengan adanya penyangga anoda, katoda dan thermometer yang terbuat dari akrilik dengan sample port yang digunakan untuk pengambilan sampel. Reaksi plasma ini bersifat eksotermis, maka perlu adanya pendinginan yang difasilitasi dengan adanya cooling jacket pada reaktor. 1 Water out Water In Keterangan : 1. Termometer 2. Anoda (Wolfram) yang 3. Katoda ( Stainless steel 4. Sample port 5. Cooling Jacket 6. Magnetic Stirrer 7. Stirrer ON Gambar 3.3. Skema Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis

45 31 Volume dari reaktor adalah 500 ml, sedangkan untuk volume dari larutan elektrolit yang akan ditetapkan adalah 400 ml. Ketinggian dari air pendingin, diatur supaya lebih tinggi dari permukaan elektrolit dan sumber plasma, hal ini dilakukan untuk mengkondensasikan uap air yang dihasilkan pada akibat pemanasan oleh plasma sehingga dapat mengurangi kehilangan massa akibat penguapan. Air pendingin yang digunakan merupakan air yang dicampur dengan es. Penempatan termometer diatur sejajar dengan sumber plasma yang merupakan tempat berlangsungnya proses degradasi amonia. Dengan adanya magnetic stirrer, temperatur dari setiap titik pada larutan elektrolit menjadi lebih cepat homogen. Rancangan reaktor CGDE secara umumnya diilustrasikan pada gambar ON Gambar 3.4.Konfigurasi alat Contact Glow Discharge Electrolysis untuk Pengolahan Limbah Amonia Keterangan : 1.Sumber listrik 7. Termometer 13. Pompa fluida pendingin

46 32 2. Manual circuit breaker 8. Reaktor /wadah terjadinya reaksi 14. Es pendingin 3. Slide regulator 9. Anoda 15. Wadah fluida pendingin 4.Transformator 10. Katoda 5. Dioda bridge 11. Cooling jacket 6.Multimeter 12. Magnetic strirrer. 3.4 Uji Kinerja Reaktor Uji kinerja reaktor ini perlu untuk dilakukan dengan tujuan untuk memastikan tidak ada kebocoran dalam aliran pendingin, mengamati fenomena plasma yang terbentuk dan memastikan pendinginan dapat menjaga temperatur pada larutan elektrolit dengan optimal karena hal ini berkaitan dengan kesetimbangan antara amonia yang terlarut dan amonia pada fase gas Pemeriksaan Peralatan Pemeriksaan rangkaian listrik pada anoda dan katoda yang dihubungkan dengan sumber listrik. Indikator keberadaan listrik yang mengalir, ditandai dengan munculnya nilai arus listrik pada multitester. Pemeriksaan kebocoran terutama pada selang pendingin, aliran keluaran dan aliran keluaran dari reaktor, dengan cara memasukan air kedalam cooling jacket kemudian disirkulasi selama 5 menit. Setelah itu di simulasikan dengan mengunakan breaker glass yang diisi air sampai batas 400 ml. Hal ini bertujuan untuk memastikan reaktor tidak mengambang ketika air pendingin dijalankan. Selain itu level air pendingin dalam reaktor, diatur lebih tinggi dibandingkan permukaan elektrolit dan sumber plasma pada anoda. Jika pemeriksaan ini berhasil, maka dapat dilanjutkan ke tahap berikutnya Pengamatan Fenomena Pembentukan Plasma Dalam penelitian ini, gejala pembentukan plasma merupakan suatu parameter yang perlu untuk diamati sehingga diperoleh suatu visualisasi proses

47 33 pembentukan plasma dari berbagai kondisi tegangan. yang dapat memperkuat hipotesis yang telah ada. Proses pengamatan dilakukan pada rentang Volt dengan larutan elektrolit KOH sebesar 0.02 M. Setiap gejala yang dihasilkan dari fase gelembung sampai terbentuknya plasma yang stabil diambil gambar Karakteristik Tegangan Arus Pada kegiatan ini, dilakukan variasi elektrolit KOH 0.01 M, 0.02 M dan 0.03 M. Dengan rentang tegangan antara 0-700V. Setiap kenaikan 20 Volt, arus yang terukur dicatat. Bila arus yang terbaca menjadi fluktuatif, maka harus direkam selama 2 menit kemudian dirata-ratakan. Dari data arus yang dicatat kemudian diplot terhadap tegangan V dengan 20 volt. 3.5 Uji Kinerja Plasma terhadap Degradasi Limbah Amonia Setelah Uji kinerja plasma dilakukan, maka tahap selanjutnya adalah menentukan variabel proses yang mempengaruhi efektifitas dalam penyisihan amonia dengan konsentrasi awal sebesar 100 ppm. Dengan variabel bebas yang akan diuji sebagai berikut Tabel 3.3 Variabel Proses yang Diuji Variabel Bebas Variasi Tegangan 500V, 600V dan 700 V Temperatur C, C dan C Kedalaman Anoda CGDE, 5 mm dan 10 mm 3.6 Pengukuran Hidrogen Peroksida Spesies reaktif yang berperan dalam proses degradasi amonia ini adalah OH radikal. OH radikal merupakan radikal yang sangat reaktif dan mempunyai usia sangat pendek sehingga mudah untuk rekombinasi menjadi senyawa lain diantarnya yaitu Hidrogen Peroksida (H 2 O 2 ). Konsentrasi hidrogen peroksida ini, diukur untuk penentuan OH radikal secara kuantitatif terbatas dan dilakukan pada variasi kedalaman anoda dengan konsentrasi KOH 0.02 M Metode Pengukuran Hidrogen Peroksida

48 34 Pengujian ini dilakukan pada larutan yang hanya terdiri dari elektrolitnya dan tidak mengandung limbah amonia. Yang bertujuan untuk melihat seberapa banyak radikal hidroksil yang dihasilkan, dimana radikal hidroksil apabila berekombinasi akan membentuk H 2 O 2 Sampel dianalisa dengan mengggunakan spektrofotometer. Prinsip yang digunakan adalah mereaksikan H 2 O 2 dengan KI dalam medium asam yang menghasilkan iodin yang akan melunturkan warna biru dari toluidin yang memiliki absorbansi maksimum pada 628 nm. Peralatan yang digunakan : 1. Kuvet 2. Tabung reaksi 3. Beaker glass 250 ml 4. Pipet tetes 5. Pipet ukur 0,1 ml, 1 ml, dan 5 ml. Bahan yang digunakan : 1. KI 2% 2. Indikator toluidine blue 0,01 % 3. HCL 2 M 4. CH 3 COONa 2M 5. Aquadest Prosedur pengukuran adalah sebagai berikut : 1. Tambahkan sampel sebanyak 5 tetes ke dalam tabung reaksi. 2. Tambahkan 1 ml KI 2% ke dalam masing-masing sampel. 3. Tambahkan1 ml HCL 2M ke dalam masing-masing sampel. 4. Tambahkan 0,5 ml toluidine blue ke dalam masing-masing sampel. 5. Tambahkan 2 ml CH3COONa 2M ke dalam masing-masing sampel. 6. Aduk masing-masing sampel perlahan 7. Ukur absorbansi masing-masing sampel pada panjang gelombang 628 nm

49 Pengukuran Konsentrasi Amonia Prosedur analisa yang dilakukan pada penelitian ini meliputi Analisa Produk Cair berupa Amonia dengan metode nessler. Pengukuran amonia ini menggunakan spektrofotometer dengan panjang gelombang nm. Prosedur yang dilakukan dalam pengujian sampel adalah sebagai berikut 1. Pipet sebanyak 1 ml sampel dari reaktor pada waktu yang ditentukan dan ditempatkan dalam labu ukur (25 ml) lalu ditepatkan sampai tanda batas dengan aquades. 2. Tambahkan 1 ml pereaksi Nessler A, dikocok dengan baik. 3. Tambahkan 1 ml pereaksi Nessler B, dikocok dengan baik. 4. Tambahkan di tempat yang gelap dan didiamkan selama 15 menit. 5. Tentukan λ maksimum dengan mengukur spektrum salah satu deret standar dengan spektrofotometer. 6. Ukur deret standar dan sampel pada λ maksimum Gambar 3.5 Spektrofotometer UV-Vis 3.8 Perhitungan Konsetrasi Amonia dan Amonium pada ph dan Temperatur tertentu Dalam air, keberadaan amonia tidak terionisasi (NH 3 ) memiliki kesetimbangan dengan ion amonium (NH 4 + ) dan ion hidroksida (OH - ). Konstanta keseimbangan ini merupakan fungsi dari temperatur dan ph. Oleh karena itu jika

50 36 temperatur dan ph larutan diketahui, maka fraksi dari amonia dapat dihitung melalui persamaan sebagai berikut : pka T T k C k (3.1) Fraksi dari amonia yang tidak terionisasi dapat menggunakan persamaan sebagai berikut : f 1 ( pka ph ) (10 1) (3.2) f = Fraksi mol dari amonia yang tidak terionisasi Persamaan diatas berlaku untuk temperatur ( C) dan ph (6-10). (Florida Departement of Environtment Protection Chemistry Laboratory Methods Manual, 2001). Bila konsentrasi amonia total dapat diketahui, maka konsentrasi dari amonia yang tidak teionisasi dapat dihitung dengan mengkalikan fraksi mol terhadap total amonia yang terkandung dalam suatu larutan, maka untuk mengkonversinya ke satuan (mg/l) maka dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: (NH3.HOH - N) mol/l x (17/14) = (NH3) mg/l (3.3) 3.9 Perhitungan Konsentrasi Amonia dengan Metode Nessler Dari hasil pengukuran spektrofotometer, diperoleh konsentrasi dari amonia dari sampel cair setelah proses elektrolisis plasma. Perhitungan lebih lanjut dilakukan dengan rumus sebagai berikut Kadar amonia (mg N/L) = A x fp (3.4) A = konsentrasi NH 3 dalam sampel, setelah dikurangi blanko hasil pengukuran dengan spektrofotometer (mg/l) fp = faktor pengenceran Dari perhitungan konsentrasi dengan metode nessler, maka dapat dihitung konversi degradasi amonia sebagai berikut : F-O Persentase Penyisihan = 100% F x (3.5)

51 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis Reaktor ini merupakan modifikasi dari reaktor yang telah dikembangkan oleh zakarov dengan sistem pendingin cooling jacket. Reaktor dari beaker glass dengan volume 500 ml. Faktor pendinginan merupakan hal yang paling berpengaruh dalam perancangan reaktor ini, karena temperatur proses tidak boleh mencapai temperatur 60 0 C karena dapat mengurangi terjadinya penguapan. Rancangan Awal dari reaktor contact Glow Discharge Electrolysis adalah sebagai berikut 1 Water out Water In Keterangan : 8. Termometer 9. Anoda (Wolfram) yang 10. Katoda ( Stainless steel 11. Sample port 12. Cooling Jacket 13. Magnetic Stirrer 14. Stirrer ON Gambar 4.1 Rancangan Reaktor Contact Glow Discharge Dari hasil rancangan reaktor diatas, direalisasikan menjadi reaktor yang ditunjukan pada gambar

52 38 Gambar 4.2 Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis setelah Dibuat Anoda dibuat dari tungsten dengan panjang 17.5 cm dan diameter 0.39 cm sedangkan katoda dibuat dari stainless steel dengan panjang 15 cm dan diameter 0.61 cm. Level dari air pendingin diatur 3 cm diatas permukaan elektrolit dengan tujuan untuk menurunkan penguapan akibat pemanasan di anoda. Air pendinginan dipompa melalui reservoir dengan debit sebesar 11.1 ml/s. Dengan konfigurasi CGDE, perpindahan panas yang terjadi lebih banyak pada bagian atas permukaan elektrolit karena plasma terletak di daerah antar muka ruang gas dan larutan elektrolit sehingga temperatur larutan elektrolit bisa dijaga sampai dengan temperatur 60 0 C. Magnetic stirrer memiliki peranan yang cukup signifikan untuk mempercepat proses distribusi molekul gas yang terbentuk pada katoda, selain itu temperatur larutan menjadi lebih cepat homogen pada setiap titik. Secara keseluruhan rangkaian alat yang digunakan dalam pengolahan limbah air yang mengandung amonia ini adalah sebagai berikut

53 39 Gambar 4.3 Rangkaian Listrik dan Reaktor Contact Glow Discharge Electrolysis 4.2 Visualisasi Pembentukan Plasma dalam Larutan Elektrolit Dalam penelitian ini, dilakukan pengamatan secara visualisasi mengenai proses pembentukan plasma yang dilakukan dengan menggunakan reaktor CGDE, posisi sumber plasma terdapat dianoda dengan variasi tegangan yang dilakukan yaitu Volt dengan kenaikan tegangan sebesar 20 V pada larutan elektrolit KOH 0.02 M. A B C D Gambar 4.4.Fenomena Pembentukan Plasma; a) Tegangan 100 V; b) Tegangan V; c) Tegangan 400 V dan d) Tegangan 700 V Pada gambar A (tegangan 100 V) Fenomena yang terjadi adalah pembentukan gelembung-gelembung air di area bagian bawah anoda. Gelembung ini terbentuk karena akumulasi gas oksigen yang terbentuk di daerah anoda. Fenomena ini terjadi pada tegangan 100 V dimana proses elektrolisis faraday terjadi yang diikuti dengan peningkatan arus listrik. Temperatur dari larutan elektrolit mencapai 40 0 C. Akumulasi dari gas yang terbentuk pada daerah anoda semakin membesar akibat adanya pemanasan joule yang ditunjukan pada gambar b (tegangan V). Fenomena plasma mulai terbentuk pada gambar c

54 40 (tegangan 400 V), cahaya berwarna ungu menunjukan adanya proses ionisasi terhadap molekul gas yang terbentuk. Arus masih tetap turun secara fluktuatif akibat terjadinya pembentukan selubung gas yang tidak stabil pada permukaan anoda. Plasma mulai membesar diikuti dengan arus yang stabil. Temperatur dari permukaan elektrolit meningkat sehingga menyebabkan terbentuknya selubung gas menjadi besar dan mengakibatkan menurunya arus hingga mencapai 0.3 A. Fenomena ini terjadi pada tegangan 700 V. 4.3 Karekterisik Tegangan dan Arus dalam Contact Glow Discharge Electrolysis Dalam proses kinerja reaktor ini, dilakukan variasi konsentrasi dari larutan elektrolit KOH dengan konsentrasi 0.01 M, 0.02 M dan 0.03 M. Hal ini dilakukan untuk mengetahui proses terbentuknya plasma serta besarnya daya yang digunakan selama proses degradasi berlangsung. Tegangan divariasikan dengan kisaran V sedangkan arus merupakan parameter yang terukur. Dari data tersebut maka diperoleh kurva sebagai berikut Arus (Ampere) V d : 230 V min : Tegangan (Volt) Gambar 4.5. Karakteristik tegangan dan arus pada konsentrasi KOH 0.03 M Dari kurva diatas,diperoleh tegangan kritis ( V d ) yaitu tegangan ketika plasma mulai terbentuk, dan tegangan minimum (V min ) yaitu tegangan ketika arus mencapai nilai minimumnya. Tegangan kritis dan tegangan minimum ini, sangat

55 Arus (A) 41 dipengaruhi oleh adanya ion yang terkandung dalam larutan sehingga dengan tingkat mobilitas elektron yang tinggi, maka memudahkan terjadinya tumbukan antara elektron yang terakselerasi memindahkan energi kinetik nya ke atom lain, temperatur elektron meningkat yang menyebabkan terjadinya pemanasan yang mengakibatkan penguapan pada daerah sekitar anoda. Penguapan inilah yang menyebabkan meningkatnya resistensi, dengan tegangan yang tetap maka mengakibatkan arus yang menurun Vd : 230 V Vd : 300 V KOH 0.03 KOH 0.02 KOH 0.01M Vd : 330 V Vmin : 430 V Vmin : 630 V Vmin : 700 V Tegangan (V) Gambar 4.6 Karakteristik tegangan dan arus pada variasi konsentrasi KOH (0.01 M, 0.02M dan 0.03M) Tabel 4.1. Data Vd dan Vmin pada masing-masing variasi konsentrasi KOH Konsentrasi Konduktivitas Vd Id Vmin Arus min ms 330 V 0.60 A 700 V A ms 300 V 0.77 A 630 V A ms 230 V 0.82 A 430 V A Berdasarkan tabel diatas dapat dilihat, bahwa semakin tinggi konsentrasi elektrolit maka semakin besar pula konduktivitas elektrolitnya yang dapat berpengaruh langsung terhadap tegangan kritis (Vd). Pada konsentrasi 0.02 M, Vd diperoleh pada tegangan 300 V, lebih kecil dibandingkan dengan konsentrasi 0.03

56 42 M. Hal ini dipengaruhi oleh konduktivitas elektrolit yang lebih kecil sehingga menyebabkan mobilitas elektron lebih kecil. Pada konsentrasi KOH 0.03 M, konduktivitas elektrolit lebih tinggi yang mengindikasikan banyaknya ion-ion terlarut pada larutan elektrolit sehingga elektron yang bergerak menuju anoda menjadi semakin tinggi. Peningkatan jumlah elektron yang menuju anoda dapat meningkatkan arus yang dihasikan sehingga dibutuhkan tegangan yang lebih kecil dalam pembentukan selubung gas di sekeliling anoda. Hal ini terbukti dengan arus yang dihasilkan fase breakdown pada konsentrasi KOH 0.02 M adalah 0.77 A, yang lebih kecil jika dibandingkan dengan konsentrasi elektrolit 0.03 M yaitu sebesar 0.82 A. Pada fase breakdown terjadi proses pembentukan selubung gas pada permukaan anoda yang menyebabkan arus mulai menurun. Tegangan minimum yang diperoleh pada gambar 4.6 dipengaruhi juga oleh konduktivitas larutan elektrolit, semakin tinggi konduktivitas dari larutan elektrolit maka akan semakin kecil tegangan minimum yang dihasilkan. Keberadaan ion pada larutan elektrolit inilah yang berperan dalam mobilitas elektron menuju anoda. Dengan jumlah elektron yang lebih banyak, maka dibutuhkan energi yang relatif lebih kecil untuk melakukan eksitasi sehingga pada konsentrasi yang paling tinggi, tegangan minimum yang diperoleh adalah sebesar 430 V. Tegangan minimum menunjukan kondisi plasma pada arus yang minimu, hal ini terjadi karena plasma yang terbentuk sudah stabil akibat gas yang terbentuk sekitar anoda sudah terionisasi secara menyeluruh. 4.4.Uji Kinerja Elektrolisis plasma Untuk uji kinerja elektrolisis plasma ini dilakukan beberapa variabel yang harus dianalisa lebih lanjut terutama berkaitan dengan persentase degradasi amonia dan tingkat konsumsi energi. Adapun variabel yang dianalisa meliputi pengaruh variabel proses dibawah ini Pengaruh Variasi Tegangan Terhadap Pengaruh Degradasi Dalam penelitian ini dilakukan variasi tegangan untuk mengetahui pengaruh terhadap degradasi amonia dengan menggunakan metode contact glow discharge elektrolisis. Variasi tegangan yang digunakan yaitu 500 V, 600 V dan

57 V konsentrasi KOH sebesar 0.02 M dengan konsentrasi awal amonia sebesar 100 ppm dan temperatur elektrolit KOH dijaga pada C. Variasi tegangan ini dilakukan untuk menguji lebih lanjut tegangan minimum yang dihasilkan pada konsentrasi KOH 0.02 M berdasarkan kurva karakteristik arus dan tegangan yang telah dibuat sebelumnya. Persentase degradasi(%) V 600 V 700 v Waktu Elektrolisis Plasma (Menit) Gambar 4.7 Persentasi degradasi amonia dalam variasi tegangan (Konsentrasi KOH 0.02 M, Temperatur C dan konsentrasi amonia 100 ppm) Dengan kenaikan tegangan sebesar 100 Volt, persentasi degradasi meningkat sebesar 30.4 % pada tegangan antara volt sedangkan volt sebesar 16.4 %. Pada tegangan 500 volt, plasma yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan variasi tegangan lainnya, akan tetapi arus yang dihasilkan paling besar yaitu A. Dengan tingkat arus yang lebih besar ini, membuktikan bahwa resistansi yang dihasilkan oleh selubung gas pada anoda lebih kecil sehingga produktivitas gas yang terionisasi menjadi lebih sedikit. Gas yang terionisasi ini berperan dalam memecah molekul H 2 O cair menjadi Radikal OH dan H radikal. Hal ini yang menyebabkan plasma yang terbentuk menjadi lebih kecil. Persentasi degradasi amonia optimal dicapai pada tegangan 700 Volt dengan waktu proses 90 menit yaitu sebesar %. Pada beda potensial yang tinggi, elektron menghasilkan energi kinetik yang besar untuk melintasi medan listriknya. Selama proses pergerakan elektron menuju anoda, terjadi suatu tumbukan dengan atom atau molekul lain sehingga terjadi perpindahan energi

58 44 antar atom yang mengakibatkan peningkatan energi kinetik yang dikonversi menjadi panas. Semakin besar energi kinetik dari elektron maka semakin besar pemanasan yang dihasilkan sehingga proses pembentukan uap pada anoda menjadi lebih besar (Joule heating). Selubung gas yang dihasilkan menyebabkan arus terhambat untuk terdistribusi langsung ke anoda sehingga dengan energi yang cukup tinggi maka terjadi proses eksitasi elektron yang mendisosiasi molekul gas air menjadi ion hidronium (H 2 O + ) yang dapat memecah molekul air menjadi Radikal OH yang memiliki peranan penting dalam degradasi amonia (Gao, 2008) V 600 V 700 V 1,152,312 kj/mol , , Waktu (menit) Gambar 4.8 Tingkat konsumsi energi amonia pada variasi tegangan (konsentrasi KOH 0.02 M, temperatur C dan konsentrasi awal amonia 100 ppm) Tabel 4.2 Data Arus yang terukur pada masing-masing variasi tegangan Tegangan (Volt) Arus (Ampere) V V V Energi yang dibutuhkan untuk mendegradasi 1 mol amonia pada tegangan 500 V sangatlah tinggi yaitu sebesar kj/mol. Hal ini dikarenakan arus yang terukur sangatlah tinggi akibat dari resistansi selubung gas yang lebih kecil

59 45 dibandingkan dengan tegangan 700 Volt dan 600 Volt. Lain halnya pada tegangan 700 Volt, arus cendurung menurun karena resistansi oleh selubung gas yang lebih besar. Dari selubung gas inilah produktivitas terhadap ion hidronium meningkat sehingga radikal OH dari proses disosiasi molekul air menjadi meningkat. Produktivitas radikal OH yang semakin tinggi dapat meningkatkan persentase degradasi amonia Pengaruh Temperatur terhadap Degradasi Amonia Temperatur merupakan salah satu faktor penting yang dapat berpengaruh terhadap degradasi amonia. Karena elektrolisis plasma memberikan energi panas dari energi listrik sebagaimana ditunjukan pada rumus dibawah ini : Input (J) = I current x Volt x t (4.1) Panas ini mampu meningkatkan temperatur dari larutan elektrolit hingga mencapai C tanpa adanya pendinginan. Akan tetapi pada penelitian ini, temperatur dijaga dengan kisaran C dengan menggunakan air pendingin. Hal ini dilakukan untuk mengurangi penguapan amonia akibat laju pemanasan yang terus meningkat selama proses CGDE berlangsung. Untuk mengamati pengaruh temperatur terhadap degradasi amonia, maka dilakukan variasi temperatur C, C dan C. Tegangan yang diterapkan yaitu pada tegangan 700 Volt dengan konsentrasi KOH sebesar 0.02 M dan konsentrasi amonia 100 ppm. Dari data penelitian, diperoleh kurva sebagai berikut: Persentase (%) C C C Waktu (Menit)

60 46 Gambar 4.9. Pengaruh temperatur terhadap degradasi amonia (tegangan 700 V, konsentrasi KOH 0.02 M dan konsentrasi amonia 100 ppm) Pada temperatur C, degradasi amonia mencapai nilai paling rendah dibandingkan dengan variasi temperatur lainya. Hal ini diakibatkan pada temperatur yang lebih rendah, panas yang dihasilkan dari anoda banyak terserap oleh air pendingin sehingga proses pembentukan selubung gas pada anoda menjadi kecil yang mengakibatkan resistansi menjadi lebih kecil. Hal ini berdampak kepada produksi ion hidronium (H 2 O + ) yang lebih kecil, karena ion tersebut berperan dalam memecah molekul air fasa liquid menjadi Radikal OH dan H radikal. Mekanisme terbentuknya Radikal OH dapat dilihat dalam persamaan reaksi dibawah ini. H 2 O gas H 2 O + + e - (4.2) H 2 O gas + + nh 2 O nh + noh (4.3) Pada temperatur C dan C, perolehan persentase degradasi memiliki nilai yang hampir sama. Plasma yang terbentuk pada temperatur tersebut menghasilkan fenomena pembentukan sheath atau selubung gas pada daerah sekitar anoda lebih besar dibandingkan pada temperatur C. Hal ini yang mendorong terbentuknya radikal OH melalui mekanisme ion hidronium (H 2 O + gas), menjadi lebih banyak sehingga berdampak kepada meningkatnya persentasi degradasi amonia. Kj/mol 9.0E E E E E E E E c C C 414, , , , , , , , , , , , , , , E E Waktu (Menit)

61 47 Gambar Tingkat konsumsi energi pada variasi temperatur (konsentrasi KOH 0.02 M, tegangan 700 V dan konsentrasi amonia 100 ppm) Tingkat konsumsi energi pada temperatur C sangat tinggi karena resistansi akibat adanya selubung gas pada anoda lebih kecil dibandingkan variasi temperatur sebelumnya sehingga intensitas arus listrik menjadi lebih besar. Hal ini berbanding terbalik dengan produksi radikal OH yang cenderung lebih kecil dibandingkan dengan temperatur lainnya. Pembentukan radikal OH pada elektrolisis plasma ini terjadi dalam dua mekanisme reaksi yaitu transfer muatan dan transfer energi sebagai mana ditunjukan pada reaksi dibawah ini: H 2 O gas + + nh 2 O nh + noh (energy transfer) (4.4) H 2 O gas + + nh 2 O H 2 O + + H 2 O (charge transfer) (4.5) Transfer muatan terjadi karena adanya proses elektrolisis biasa, sedangkan perpindahan energi terjadi pada proses elektrolisis plasma (Wang, 2008). Berdasarkan dari mekanisme reaksi yang dijelaskan diatas, fenomena elektrolisis biasa mendominasi dalam pembentukan ion hidronium yang berperan dalam menghasilkan Radikal OH pada temperatur C Pengaruh Dimensi Anoda terhadap Degradasi Amonia Contact Glow Discharge Plasma merupakan metode elektrolisis plasma, dimana anoda tidak tercelup semuanya kedalam larutan elektrolit melainkan menempel pada permukaan elektrolit. Keunggulan dari metode ini diantaranya adalah: Temperatur elektrolit mudah dijaga karena anoda yang berfungsi sebagai sumber panas berada pada atas permukaan elektrolit. Pemanasan secara konduksi terjadi pada permukaan larutan elektrolit, sedangkan panas yang dilepaskan anoda sebagian lagi teradiasi melalui molekul gas yang terbentuk sehingga temperatur pada permukaan larutan elektrolit mengalami nilai maksimal 80 0 C Arus yang dihasilkan lebih kecil, karena luas pemukaan dari anoda lebih kecil sehingga elektron yang mengalir menuju anoda terbatas.

62 48 Plasma lebih cepat terbentuk. Dengan adanya anoda dipermukaan. proses penguapan elektrolit pada daerah permukaan menjadi lebih cepat dibandingkan dengan anoda tercelup. Hal ini menjadi membuat elekton untuk mengionisasi gas-gas yang terbentuk akibat penguapan Molekul molekul gas yang terbentuk Luas permukaan anoda yang tercelup merupakan salah satu faktor yang menentukan dalam proses degradasi amonia, karena berhubungan dengan produktivitas gas yang terbentuk disekitar anoda. Oleh karena itu dilakukan uji kinerja melalui variasi kedalaman anoda 5 mm, 10 mm dan Contact Glow Discharge Electrolyis dengan tegangan 700 Volt pada Larutan Elektrolit KOH sebesar 0.02 M. Dari data penelitian diperoleh diagram dan tabel sebagai berikut ini: Tabel 4.2 Luar permukaan kontak anoda dan elektrolit pada masing-masing variasi kedalaman Variasi Luas Permukaan (mm²) CGDE mm mm CGDE 5 mm 10 mm 0.00 Persentase Degradasi Amonia (%) Gambar 4.11 Persentase Degradasi Amonia Dalam Berbagai Variasi Kedalaman Anoda (Konsentrasi KOH 0.03 M dan Tegangan 700 V)