9 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Proses pengujian panas yang dihasilkan dari pembakaran gas HHO diperlukan perencanaan yang cermat dalam perhitungan dan ukuran. Teori-teori yang berhubungan dengan pengujian yang akan dicoba perlu dijadikan landasan dalam proses uji coba, sehingga dapat menghasilkan data yang akurat. 2.1. Elektrolisis Sebelum membahas lebih jauh tentang proses pembakaran gas HHO, yang perlu diketahui adalah pengertian dari elektrolisis. Elektrolisis adalah proses penguraian senyawa berbentuk larutan atau cairan biasa oleh arus listrik yang mengalir melalui senyawa tersebut. Air sendiri dapat digunakan sebagai campuran bahan bakar. Dengan menggunakan arus listrik, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron pada katoda yang tereduksi menjadi gas hidrogen (H 2 ) dan ion hidroksida (OH). Pada kutub anoda, dua molekul air lainnya akan terurai menjadi gas oksigen (O 2 ) dengan melepaskan 4 ion H + serta
10 mengalirkan elektron ke katoda. Akibat reaksi tersebut, ion H + dan OH - akan mengalami netralisasi dan membentuk molekul air kembali. Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan oleh reaksi tersebut membentuk gelembung dan mengumpul disekitar elektroda. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen. Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Komponen terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektroda dan larutan yang akan dielektrolisis. Pada proses elektrolisis diperlukan dua buah kutub, yaitu katoda sebagai kutub negatif (-) dan anoda sebagai kutub positif (+). Alat yang digunakan untuk menguraikan air disebut dengan elektroliser (electrolyzer). Di dalam elektroliser, air dipecah menjadi gas HHO atau sering disebut sebagai brown gas. Elektroliser juga merupakan istilah lain untuk menyebut generator hidrogen. Elektroliser menghasilkan hidrogen dengan cara mengalirkan arus listrik pada media air yang mengandung larutan elektrolit. Arus listrik yang mengalir pada elektroda akan mengubah struktur atom hidrogen dan oksigen pada air dari bentuk diatomik (lebih dari satu atom) menjadi monoatomik (satu atom). Selain itu, ikatan neutron yang mengikat partikel H dan O akan terlepas, sehingga partikel H tertarik ke kutub positif dan partikel O akan tertarik ke kutub negatif elektroliser. Ini yang disebut sebagai disosiasi. Sejalan dengan proses tersebut, volume dan gelembung gas H dan O yang melekat pada elektroda elektroliser akan bertambah, terlepas mengambang, dan kemudian bergerak naik. Saat gelembung gas hidrogen dan oksigen monoatomik terlepas dari permukaan air, partikel gas tersebut akan berikatan kembali di ruang udara sebagai gas HHO.
11 Anoda Katoda Gambar 2.1 Proses Elektrolisis [1]. Gas HHO merupakan bahan bakar yang kuat, bersih, mampu meningkatkan jarak tempuh, dan mengurangi secara signifikan emisi gas buang jika digunakan di kendaraan bermotor. Molekul air dipecah menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirnya arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katoda, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H 2 dan ion hidroksida (OH - ). Sementara itu pada anoda, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O 2 ), melepaskan 4 ion H + serta mengalirkan elektron ke katoda. Ion H + dan OH - mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Reaksi keseluruhan yang setara dari elektrolisis air dapat dituliskan pada persamaan dibawah ini (Farid, 2012) : Anoda : H 2 O 2H + + ½O 2 + 2e - Katoda : H 2 O ½H 2 + OH - Kedua reaksi diatas dapat dituliskan sebagai berikut : 2H 2 O (l) 2H 2(g) + O 2(g)
12 Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk gelembung pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen. Faktor yang mempengaruhi elektrolisis antara lain penggunaan katalisator beserta jumlah elektrolit (aquades), sifat logam bahan elektroda dan daya yang digunakan. 2.2. Komponen Elektrolisis 2.2.1. Katalis Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi-reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami perubahan atau terpakai oleh reaksi itu sendiri. Suatu katalis hanya berperan dalam reaksi tapi bukan sebagai pereaksi. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung lebih cepat atau memungkinkan reaksi pada suhu lebih rendah akibat perubahan yang dipicunya terhadap pereaksi. Katalis menyediakan suatu jalur pilihan dengan energi aktivasi yang lebih rendah. Katalis mengurangi energi yang dibutuhkan untuk berlangsungnya suatu reaksi. Katalis dapat dibedakan ke dalam dua golongan utama, katalis heterogen dan katalis homogen. Katalis heterogen adalah katalis yang ada dalam fase berbeda dengan pereaksi dalam reaksi yang dikatalisnya, sedangkan katalis homogen berada dalam fase yang sama. Katalis homogen umumnya bereaksi dengan satu atau lebih pereaksi untuk membentuk suatu perantara kimia yang selanjutnya bereaksi membentuk produk akhir reaksi, dalam suatu proses yang memulihkan katalisnya.
13 Dalam proses uji coba ini digunakan tiga jenis katalisator, KOH (Kalium Hidroksida), NaOH (Natrium Hidroksida) dan NaHCO 3 (Natrium Bikarbonat) untuk mengetahui perbedaan secara signifikan dari ketiga katalis yang digunakan. 2.2.1.1. KOH (Kalium Hidroksida) Kalium Hidroksida adalah basa kuat yang terbuat dari logam alkali kalium yang bernomor atom 19 pada tabel periodik, yang berbentuk kristal dengan warna putih yang higrokopis (mudah menghisap dan melepaskan uap air). Elektrolisis larutan kalium hidroksida akan menghasilkan gas klor (gas yang dapat larut dalam air) pada satu elektroda dan kalium hidroksida pada yang lain. Dengan reaksi : 2 KCl + 2 H 2 O 2 KOH + Cl 2 + H 2 Terbentuk gas hidrogen pada katoda, seperti halnya kalium hidroksida, sedangkan terbentuk gas klor pada anoda. 2.2.1.2. NaOH (Natrium Hidroksida) Natrium Hidroksida adalah basa kuat berbentuk putih padat dan bersifat lembap cair, dapat secara spontan menyerap karbon dioksida (CO 2 ) dari udara bebas. Natrium hidroksida sangat larut dalam air dan akan melepaskan panas ketika dilarutkan. NaOH membentuk larutan alkalin yang kuat ketika dilarutkan ke dalam air.
14 2.2.1.3. NaHCO 3 (Natrium Bikarbonat) Natrium Bikarbonat dapat disebut juga sebagai soda kue dapat diklasifikasikan sebagai garam asam dan biasanya erbentuk serbuk dengan warna putih. Karakteristik soda kue diantaranya : Memiliki titik lebur yang tinggi. Merupakan senyawa ionik dengan ikatan kuat. Dalam bentuk larutan dapat menghantarkan listrik. 2.2.2. Larutan Elektrolit Elektrolit adalah suatu zat yang larut atau terurai ke dalam bentuk ion-ion dan selanjutnya larutan menjadi konduktor elektrik, ion-ion merupakan atom-atom bermuatan elektrik. Elektrolit dapat berupa air, asam, basa, atau berupa senyawa kimia lainnya. Elektrolit umumnya berbentuk asam, basa, atau garam. Sebagai contoh yaitu KOH (Kalium Hidroksida), NaOH (Natrium Hidroksida), dan NaHCO 3 (Natrium Bikarbonat). Beberapa gas dapat berfungsi sebagai elektrolit pada kondisi tertentu misalnya pada suhu tinggi atau tekanan rendah. Elektrolit kuat identik dengan asam, basa, dan garam kuat. Elektrolit yang digunakan pada alat pembangkit hidrogen untuk proses elektrolisis adalah elektrolit yang bersifat basa yaitu KOH (Kalium Hidroksida). Elektrolit merupakan senyawa yang berikatan ion dan kovalen polar. Sebagian besar senyawa yang berikatan ion merupakan elektrolit. Elektrolit digunakan untuk menghasilkan gas HHO pada proses elektrolisis. Elektrolit terdiri atas air murni atau air destilasi dan
15 katalisator (pemercepat reaksi). Katalisator akan larut di dalam air murni dan menyatu membentuk larutan elektrolit. 2.2.3. Elektroda Elektroda berfungsi sebagai penghantar arus listrik dari sumber tegangan ke air yang akan dielektrolisis. Pada elektrolisis yang menggunakan arus DC, elektroda terbagi menjadi dua kutub yaitu positif (+) sebagai anoda dan negatif (-) sebagai katoda. Material serta luasan elektroda yang digunakan sangat berpengaruh pada gas HHO yang dihasilkan dari proses elektrolisis air sehingga material elektroda harus dipilih dari material yang memiliki konduktifitas listrik yang tinggi serta ketahanan terhadap korosi yang baik. Stainless steel pada dasarnya adalah baja paduan logam besi (Fe) denga unsur paduan utama carbon (C), nikel (Ni), dan chromium (Cr). Stainless merupakan logam paduan yang memiliki konduktifitas dan ketahanan terhadap korosi yang relatif lebih baik dibanding dengan logam-logam paduan ataupun logam murni yang lainnya serta harganya juga relatif lebih terjangkau. Secara garis besar stainless steel dapat dibedakan menjadi lima kelompok ( Harrold M. Cobb, 1999), yaitu : Austenistic Stainless Steel (bersifat non-magnetis) Ferritic Stainless Steel (bersifat magnetis) Martensitic Stainless Steel (bersifat magnetis) Duplex Stainless Steel (gabungan Austenitic & Ferritic) Precipitation Hardening Stainless Steel
16 Berdasarkan Tabel 2.1 dapat dilihat bahwa stainless steel tipe SS 316F, 316L, 316N, 317, 329, dan 304 mempunyai ketahanan korosi diberbagai lingkungan, sehingga stainless steel tipe ini sangat cocok digunakan sebagai elektroda pada proses elektrolisis air untuk memproduksi HHO (Wahyudzin, 2012). Tabel 2.1 Standar Komposisi Stainless Steel [2]. Stainless steel tipe SS 316L merupakan stainless steel yang relatif banyak tersedia dipasaran. SS 316L juga merupakan elektroda yang paling baik untuk memproduksi gas HHO dikarenakan memiliki tingkat ketahanan korosi yang sangat baik dan dapat menghasilkan produksi gas yang paling besar (Gunawan, 2012).
17 2.2.4. Aquades Aquades adalah air hasil destilasi atau penyulingan sama dengan air murni atau H 2 O, karena hampir tidak mengandung mineral. Proses destilasi atau penyulingan adalah cara pemisahan bahan kimia berdasarkan perbedaan titik didih untuk memperoleh senyawa murninya. 2.3. Prinsip Kerja Elektroliser Gas hidrogen oksida (HHO) yang dihasilkan oleh proses elektrolisis akan tetap terisap oleh elektroliser. Gas tersebut terbentuk akibat adanya arus listrik yang berasal dari sumber listrik. Jika kedua kutub elektroda (katoda dan anoda) diberi arus listrik, elektroda tersebut akan saling berhubungan karena adanya larutan elektrolit sebagai penghantar listrik. Dengan adanya aliran listrik pada elektroda, menimbulkan gelembung-gelembung kecil berwarna putih. Inilah proses produksi gas hidrogen oksida (HHO) berlangsung. Larutan elektrolit yang terdapat pada generator HHO akan berubah warna menjadi coklat, itu sebabnya sering disebut brown's gas. Perubahan warna pada larutan tersebut menandakan bahwa generator HHO bekerja dengan baik. Gas hidrogen dihasilkan oleh kutub katoda (-), sedangkan oksigen dihasilkan oleh kutub anoda (+). 2.4. Generator HHO Generator HHO adalah alat untuk memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen sehingga menghasilkan gas HHO. Dalam penelitian ini digunakan generator HHO tipe dry cell, karena sebagian elektrodanya tidak terendam oleh larutan elektrolit dan larutan elektrolit hanya mengisi celah antara elektroda tersebut.
18 Gambar 2.2 Generator HHO Dry Cell [3]. 2.5. Daya Generator HHO Untuk menghasilkan gas HHO dari air melalui proses elektolisis, dibutuhkan energi listrik. Energi listrik ini bisa bersumber dari baterai aki. Untuk menghitung besarnya daya yang dibutuhkan dapat menggunakan rumus sebagai berikut (Teguh, 2013) : P = V x I... (1) Dimana : P = Daya yang dibutuhkan generator HHO (J/s) V = Beda potensial/voltase (Volt) I = Arus listrik (Ampere) 2.6. Teori Pembakaran Gas Secara umum, pembakaran dapat didefinisikan sebagai proses yang sangat cepat antara bahan bakar dan oksidator dengan menimbulkan panas. Bahan bakar merupakan substansi yang melepaskan panas ketika dioksidasi dan secara umum mengandung unsur-unsur karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), Nitrogen (N), dan sulfur (S). Sementara oksidator adalah segala substansi yang mengandung oksigen (misalnya udara) yang akan bereaksi dengan bahan bakar.
19 Flashback terjadi ketika kecepatan pembakaran lebih cepat daripada keepatan campuran udara dengan bahan bakar, sehingga nyala api masuk kembali dan merambat kembali ke dalam alat penghasil gas. Flashback tidak hanya menggangu, tetapi juga dari sisi keamanan bisa menjadi berbahaya. Secara umum, flashback merupakan kejadian sesaat dimana apabila terjadi, aliran bahan bakar dikurangi atau ditutup. 2.7. Kalor Jenis Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang terkandung sedikit. Dari hasil percobaan yang sering dilakukan, besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda (zat) bergantung pada 3 faktor : Massa zat Jenis zat (kalor jenis) Perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan : Q = m x c x T... (2) Keterangan : Q : Kalor yang dibutuhkan (J) m : Massa benda (kg) c : Kalor jenis (J/kgC) T (t 2 - t 1 ) : Perubahan suhu (C)
20 Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat diterima atau dilepaskan oleh suatu benda. Satuan kalor adalah joule atau kalori. Persamaannya adalah : 1 joule = 0,24 calories 1 kilojoule = 239,006 calories 1 calorie = 4,184 joules 1 kilocalorie = 4.184 joules Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu satuan massa benda sebesar satu derajat dengan satuan J/kgC. Suhu suatu gas dapat dinaikkan dalam kondisi yang bermacam-macam, dengan kata lain suatu gas mempunyai bermacam-macam kapasitas panas. Tetapi hanya ada dua macam yang memiliki arti praktis yaitu : Kapasitas panas pada volume konstan Kapasitas panas pada tekanan konstan Kapasitas panas gas ideal pada tekanan konstan selalu lebih besar dari kapasitas panas gas ideal pada volume konstan dan selisihnya sebesar konstanta gas umum. 2.8. Perhitungan Pembakaran Gas Energi panas ekuivalen dengan energi yang dihasilkan, mengetahui energi bakar per satuan waktu memberikan gambaran jumlah energi yang dihasilkan (Poempida, 2008). untuk menghitung energi yang dihasilkan dari pembakaran gas hho digunakan rumus :
21 Energi pembakaran gas HHO = (J/s)... (3) Dimana : Q = kalor yang dibutuhkan gas hho untuk menaikkan suhu air 1'C (J/s) t = waktu (s) Maka didapat rumus :... (4) Menurut (George, 2012) karena arus listrik yang menyebabkan proses elektrolisis terjadi, untuk menghitung jumlah maksimum teoritis produksi gas HHO per jam dapat menggunakan rumus : Jumlah produksi gas = HHO (gr/jam)... (5) Dimana menurut (Harman,2013) ρ HHO = 0,491167 gr/l Maka untuk menghitung nilai kalori bakar gas HHO (NKB HHO ) digunakan rumus sebagai berikut : NKB HHO = x 100% = x 100%... (6) Dimana : NKB HHO : Nilai Kalori Bakar HHO (kj/kg) A : Besarnya Ampere yang digunakan. 26,8 : Ampere per Jam (1 Faraday) 16,8 : molar volume (liters) C : Jumlah Cell dalam generator HHO ρ HHO : Densitas HHO (0.491167 gr/l)