Efisiensi termal proses elektrolisis pada saat ini sudah dapat dioptimalkan dengan melakukan proses penyempurnaan pada generator HHO, sehingga dapat m

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1. Pendahuluan Dengan semakin melonjaknya harga bahan bakar minyak dan gas hampir terjadi pada setiap tahunnya dan penggunaan bahan bakar minyak yang berasal dari energi fosil yang semakin meningkat sementara cadangan bahan baku energi fosil yang semakin menurun, maka solusi untuk mengatasi hal tersebut menjadi sangat penting. Hal tersebut berimplikasi terhadap penyediaan energy alternative yang yang perlu ditangani secara serius untuk mengatasi krisis energy yang mulai dapat kita rasakan akhir-akhir ini. Salah satu upaya yang dilakukan antara lain mendapatkan energi baru yang dapat menjadikan alternatif bahan an bakar yaitu Hidrogen. Salah satu teknologi yang digunakan untuk memperoleh gas hydrogen yaitu melalui proses elektrolisis, dimana proses ini lebih menguntungkan karena ketersediaan bahan baku yang tak terbatas dan terbarukan. UNIVERSITAS MERCUBUANA 5

2 Efisiensi termal proses elektrolisis pada saat ini sudah dapat dioptimalkan dengan melakukan proses penyempurnaan pada generator HHO, sehingga dapat menurunkan temperature kerja HHO menjadi stabil pada temperature dibawah 50 C.Dengan kondisi temperatur generator yang relatif stabil dapat memberikan hasil produksi gas hydrogen yang lebih baik. Gas hydrogen yang diperoleh dalam penelitian ini, digunakan sebagai penghemat bahan bakar pada kendaraan bermotor, kompor rumah tangga dan burner di industri serta metode pengelasan. Dengan demikian gas hydrogen sebagai energy alternative dapat memberikan nilai yang menguntungkan secara ekonomi bagi masyarakat Elektrolisa Air Proses elektrolisis merupakan reaksi yang tidak spontan sehingga memerlukan merlukan energi dan berlangsung pada suatu rangkaian elektrode dengan diberi sumber arus listrik searah. Elektrolisis merupakan proses penguraian suatu senyawa oleh arus listrik. Sel elektrolisis memerlukan energi untuk memompa elektron. Proses elektrolisis dimulai dengan masuknya elektron dari arus listrik searah kedalam larutan melalui kutub negatif. Spasi tertentu atau ion yang bermuatan positif akan menyerap elektron dan mengalami reaksi reduksi di katode. Spesi yang lain atau ion yang bermuatan negatif akan melepas elektron dan mengalami reaksi oksidasi dikutub positif atau anode. UNIVERSITAS MERCUBUANA 6

3 Jenis elektrode yang digunakan dalam proses elektrolisis sangat berpengaruh pada hasil elektrolisis. Elektroda dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan keaktifannya, yaitu : 1. elektroda tidak aktif (inert) seperti C, Pt. dan 2. elektroda aktif ( selain C,Pt) pada proses elektrolisis. Elektrode aktif berlangsung reaksi elektrode dan reaksi elektrolitnya, sedangkan elektrode inert hanya terjadi reaksi elektrolitnya saja. Sudah lebih dari 80 tahun proses elektrolisa ini dipergunakan secara komersial, seperti halnya penyepuhan emas, perak dan lain sebagainya. Prinsip Elektrolisa pada air biasa adalah untuk memecahkan ikatan kimia air (H 2 O) menjadi H 2 dan O 2, diperlukan tegangan listrik searah (DC), yg dialirkan melalui lempengan plat stainless Elektrolisa ada 2 macam: - Elektrolisa basah (wet cell electrolyse) : yaitu lempengan plat katoda dan Anoda dicelupkan kedalam air - Elektrolisa kering (Dry cell electrolyse = Drycell) : disini lempengan plat Kathoda dan Anoda berada disebelah luar dan airnya disebelah dalam. Alat yang akan telah kami buat adalah elektrolisa kering (dry cell electroda = dry cell) Elektrolisa basah (wetcell electrolyse) Elektrolisa Basah adalah elektrolisa yang biasa digunakan sampai saat ini, yaitu dengan memasukan kedua plat kondensator tersebut kedalam air UNIVERSITAS MERCUBUANA 7

4 destilasi atau air RO (Reverse Osmosis = air murni), apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan listrik maka akan terjadi proses pemisahan H2 dan O2, kemudian hasil H2 tersebut perlu dihitung dan didata dari hasil percobaan, selain itu perlu diteliti variabel yang mempengaruhi produksi H2 tersebut, sehingga dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa yang paling efisien & efektif. Elektrolisa Basah adalah dengan memasukan kedua plat kondensator tersebut kedalam air destilasi atau air - RO (Reverse Osmosis = air murni), apabila abila kedua elektroda tersebut diberi tegangan listrik maka akan terjadi proses pemisahan H 2 dan O 2, kemudian hasil H 2 tersebut perlu dihitung dan di-data dari hasil percobaan, selain itu perlu diteliti variable variabel yang mempengaruhi produksi H 2 tersebut, sehingga dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa yang paling efisien & efektif. Keuntungan generator gas HHO tipe wet cell adalah : 1. Gas yang dihasilkan umumnya lebih banyak dan stabil. 2. Perawatan generator lebih muda. 3. Rancang bangun pembuatan generator lebih mudah. Pada tipe wet cell atau tipe basah, area luasan elektroda platnya terendam air untuk proses elektrolisis menghasilkan gas HHO Elektrolisa kering (Drycell electrolyse = Drycell) Elektrolisa Kering (Dry electrolyze) adalah pada proses ini plat kondensotornya tidak direndam kedalam larutan akan tetapi plat nya berada disebelah luar dan larutannya didalam plat tersebut. UNIVERSITAS MERCUBUANA 8

5 Gambar 2.1 generator hydrogen system drycell Sumber : Pada a proses Dry cell panas yang ditimbulkan oleh plat kondensator dapat dibuang langsung keluar, sehingga tidak membuat larutan menjadi lebih panas, dibandingkan dengan elektrolisa biasa atau elektrolisa basah (Wet Electrolyze). Keuntungan generator HHO tipe dry cell adalah : 1. Air yang dielektrolisa hanya seperlunya, yaitu hanya air yang terjebak diantara lempengan cell. 2. Panas yang ditimbulkan relatif kecil karena selalu terjadi sirkulasi antara air panas dan air dingin di reservoir 3. Arus listrik yang digunakan relatif lebih kecil, karena daya yang terkonversi menjadi semakin panas semakin sedikit. Besarnya plat elektroda yang terendam air adalah area terjadinya elektrolisis untuk menghasilkan gas HHO. UNIVERSITAS MERCUBUANA 9

6 2.4 Struktur Atom Hidrogen ( ) Niels bohr menerapkan teori kuantum terhadap model atom rutherford dengan mengasumsikan bahwa elektron elektron bergerak pada orbit stasioner tertentu akibat adanya momentum anguler elektron elektron tersebut. Model atom ini memungkinkan para ilmuwan untuk menghitung tingkat energi yang mungkin untuk orbit orbit ini dan menghasilkan sebuah postulat bahwa emisi cahaya aya terjadi ketika sebuah elektron berpindah ke orbit yang energinya lebih rendah. Meskipun pada tahun 1897 Thomson sudah menemukan elektron,namun ukuran dan posisi elektron dalam suatu atom belum diketahui. Para ilmuwan berusaha menjelaskan bentuk atom dengan model dari yang paling sederhana sampai yang sangat rumit Teori atom Ada 3 teori atom yang menjadi landasan dalam penelitian Generator HHO ini yaitu: Teori Atom Dalton Jauh sebelum Dalton mengemukakan teori atom, seorang filsuf yang bernama Demokritus ( SM) sudah mengemukakan teori atom. Teori atom yang diajukannya tidak berdasarkan eksperimen namun didasarkan hasil pemikiran saja. Menurut Demokritus,atom adalah bagian terkecil suatu partikel/zat yang tak dapat dibagi-bagi lagi. Istilah atom berasal dari kata a yang UNIVERSITAS MERCUBUANA 10

7 berarti tidak dan tomos yang berarti dibagi sehingga atom mempunyai arti harfiah tak dapat dibagi. John Dalton ( ),seorang ilmuwan Inggris, mengemukakan teori atomnya berdasarkan berbagai percobaan yang dilakukan ditambah kesimpulan dari percobaan orang lain. Teori atom Dalton berhasil menjelaskan peristiwaperistiwa yang terjadi dalam reaksi kimia. Rangkaian dari teori atom Dalton, Thomson dan bohr adalah : Teori atom dalton 1. Atom adalah bagian dari suatu unsur atau zat yang tak dapat di bagi-bagi. 2. Atom dari unsur mempunyai bentuk yang serupa dan tidak mungkin berubah menjadi unsur yang lain. 3. Dua atom atau lebih dari unsur yang berbeda dapat bergabung dalam reaksi kimia membentuk suatu molekul. Sebagai contoh,dua atom hidrogen dapat bergabung dengan atom oksigen menjadi molekul air lewat sebuah reaksi kimia. 4. Dalam reaksi kimia, berbagai atom unsur yang terlibat hanya sekedar memisahkan dan bergabung sedangkan massa keseluruhan tetap. Ide ini sesuai dengan hukum Lavoisier yang menyatakan massa sebelum reaksi sama dengan massa sesudah reaksi. 5. Dalam reaksi kimia, banyaknya atom yang bergabung dengan unsur lain mempunyai perbandingan yang tertentu dan sedsrhana. Gagasan ini sesuai dengan hukum Proust yang menyatakan bahwa perbandingan berat unsurunsur yang menyusun suatu senyawa selalu tetap. UNIVERSITAS MERCUBUANA 11

8 Teori atom Thomson Model atom lain dikemukakan oleh Thomson. Sedikit berbeda dengan model atom sebelumnya, Thomson mengemukakan bahwa atom bukan merupakan sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Pada atom terdapat sejumlah muatan negatif. Karena secara keseluruhan atom adalah netral, maka muatan negatif tersebut akan diseimbangkan oleh Muatan positif yang jumlahnya sama. Menurut Thomson, atom mempunyai massa yang jauh lebih besar dibandingkan dengan massaelektron. Ini berarti muatan positif menjadi pusat massa sebuah atom. Sebagai ilustrasi model atom Thomson, jika diandaikan sebuah atom adalah semangka, sedangkan muatan positif atom adalah ''daging'' semangka Teori Atom Bohr Model atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusaha menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yang tidak dapat dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atom Bohr memuat tiga postulat sebagai berikut : 1. Di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingi lintasan tertentu tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan (melepaskan) energi. Lintasan ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu yang sesuai. 2. Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain. Energi dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jika elektron berpindah ke lintasan yang lebih dalam, sedangkan Energi dalam bentuk foton cahaya UNIVERSITAS MERCUBUANA 12

9 akan diserapkan supaya elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar. Energi dilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai dengan persamaan Planck. E = hf Dimana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi cahaya atau foton yang dilepas atau diserap. 3. Lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempati elektron memiliki momentum sudut yang merupakan kelipatan bulat dari nilai (nilai ini biasa ditulis juga sebagai ћ) Teknologi Elektrolisa HHO (Hydrogen-Oxygen) Teknologi pemanfaatan air sebagai energi telah banyak dikembangkan, dari beberapa erapa teknologi yang ada, semuanya menggunakan proses elektrolisis air sebagai prinsip dasarnya. Hingga saat ini sudah ditemukan teknologi untuk memanfaatkan manfaatkan air sebagai energi yaitu fuel cell l sistem HOD (Hydrogen Oxygen Demand) ) yaitu sistem pembangkit tenaga listrik dari hasil pencampuran H 2 dengan O 2 langsung pada saat listrik dibutuhkan, dan elektrolisa HHO (Hydrogen- Oxygen). Teknologi elektrolisa HHO lebih murah dan lebih efisien. Teknologi optimalisasi air dengan fuel cell memiliki kelemahan terhadap biaya yang diperlukan dan efisiensi terhadap penerapannya. Sedangkan untuk sistem HOD memiliki kelemahan terhadap tingginya biaya yang diperlukan dan masih sulit untuk menampung gas hidrogen dalam satu tempat. Perbandingan yang lebih lengkap tentang teknologi optimalisasi air sebagai alternatif energi dapat dilihat pada tabel berikut ini : UNIVERSITAS MERCUBUANA 13

10 Gambar ar 2.2 : proses elektrolisasi air H2O Sumber : HIDROGEN DARI PROSES ELEKTROLISA Proses elektrolisis telah digunakan secara luas, tapi pemanfaatannya masih terbatas untuk kapasitas kecil, mengingat efisiensi termalnya yang sangat rendah. Namun demikian pada saat ini telah banyak peneliti yang berhasil meningkatkan efisiensi ensi termal proses elektrolisis. Sel elektrolisis yang bekerja pada suhu dan tekanan tinggi, mampu memisahkan hidrogen dan oksigen dengan tingkat efisiensi yang signifikan. Pada prinsipnya, hidrogen bisa diperoleh dengan memecah senyawa yang paling banyak mengandung unsur hidrogen. Sampai saat ini, produksi hidrogen skala komersial yang paling maju adalah produksi hidrogen berbasis bahan bakar fosil dan air. Untuk produksi hidrogen dengan bahan baku bahan bakar fosil, steam reforming metana merupakan proses yang paling maju di dunia. Lebih dari UNIVERSITAS MERCUBUANA 14

11 85% kebutuhan hidrogen dunia dipasok dengan sistem produksi steam reforming metana. Produksi hidrogen dengan bahan baku air yang sudah komersial adalah proses elektrolisis. Sayangnya, karena proses elektrolisis membutuhkan listrik dalam jumlah besar sebagai pemicu terjadinya reaksi, sehingga proses ini memberikan efisiensi termal total yang relatif rendah. Proses elektrolisis hanya bisa ekonomis jika tersedia listrik dalam jumlah besar dengan harga murah. Dengan berjalannya waktu banyak penelitian dilakukan yang mengarah pada a penyempurnaan, bahkan melebihi nilai standar dari perhitungan Faraday, sehingga menjadikan gas H 2 lebih bermanfaat bagi kebutuhan manusia dalam menggunakan energi, karena H 2 dapat diperoleh dari air dan air cukup banyak ada dimana-mana, sehingga dapat dikatakan bahwa H 2 adalah sumber energi masa depan yang berkelimpahan dan murah. Berdasarkan penelitian akhir-akhir ini dapat at disimpulkan bahwa kegunaannya gas hydrogen bagi masyarakat luas dapat diterapkan untuk untuk kompor rumah tangga, dan pemanas ruangan serta di industri pada burner, uap air panas (steam), metode pengelasan dan lain sebagainya. Rumus Kimia pada proses Elektrolisa : Pada elektroda Kathoda terjadi penambahan elektron (e ), sehingga reaksi kimia yang terjadi sbb : UNIVERSITAS MERCUBUANA 15

12 LAPORAN TUGAS AKHIR Kathode (reduksi): 2H+(cair) + 2e H2(gas) Sedangkan pada elektroda Anoda, terjadi proses oksidasi dimana pelepasan elektron yang bergerak kearah elektroda kathoda, reaksi kimia pada Anoda sbb : + Anode (oxidasi) : 2H2O(l) O2(gas) + 4H (cair) + 4e ; (l = Larutan) Reaksi kimia penyeimbangan, reaksi air dengan larutan basa sbb : 2(gas) + 22OH 2( Kathode (reduksi): 2H2O(l) + 2e H2(gas) OH (cair) Anode (oxidasi) : 4OH (cair) O2(gas) + 2H2O(l) + 4e Gambar 2.3 rumusan kimia pada elektrolisa air Sumber : / eddy ariffin hid Bahwa pemisahan air (H2O) akan menjadi: 2H2O(l) 2H2(gas) + O2(gas) H2 O(liquid) disebut HHO HHO adalah bahasa yang telah digunakan kalangan peneliti HIDROGEN. UNIVERSITAS MERCUBUANA 16