BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Elektrokimia Elektrokimia adalah suatu peristiwa kimia yang berhubungan dengan energi listrik. Elektrokimia didefinisikan pula sebagai reaksi kimia yang melibatkan adanya transfer elektron antara elektroda dengan larutan elektrolit lingkungan. Elektrolit umumnya merupakan larutan aqueous, tetapi elektrolit dapat juga berupa polimer padat, oksida atau lelehan garam. Misalnya : larutan perak nitrat, seng sulfat. (Agustinus Ngatin,2010) Prinsip dasar reaksi pada elektrokimia adalah reaksi reduksi oksidasi (redoks) dan reaksi tersebut terjadi pada suatu sistem sel elektrokimia. Ada dua jenis sel elektrokimia yaitu galvanis dan sel elektrolisis. a. Sel galvani adalah suatu sel yang membebaskan energi listrik dari reaksi kimia dan reaksi berlangsung secara spontan. Contohnya : reaksi korosi. Pada sel galvanis katoda berfungsi sebagai penghantar listrik sehingga berkutub positif. Proses aliran elektron terjadi dari elektroda negatif ke elektroda positif dengan melewati media elektrolit yang berfungsi sebagai penghantar arus listrik sehingga reaksi yang terjadi adalah spontan. b. Sel elektrolit adalah suatu sel yang reaksinya terjadi akibat adanya arus listrik searah. Contohnya elektrolisis air, elektroplating. Pada sel elektrolisis elektroda yang berfungsi penghantar listrik adalah anoda sehingga terjadi suatu pelarutan material anoda menghasilkan kation logam (M + ). Elektrolisis air merupakan reaksi samping yang menghasilkan gas hidrogen pada katoda dan gas oksigen pada anoda. (Purwanto, 2005) Pada sel elektrokimia dilengkapi dengan dua elektroda : a. Anoda (reaksi oksidasi) Anoda adalah elektroda tempat terjadi reaksi oksidasi yang ditandai dengan pelepasan elektron. Misalnya Zn Zn 2+ + 2e - 6
b. Katoda (reaksi reduksi) Katoda adalah suatu elektroda tempat terjadinya reaksi reduksi, yang ditandai dengan penangkapan elektron. Misalnya Zn 2+ + 2e - Zn (Agustinus Ngatin,2010) 2.2 Elektroplating Elektroplating adalah proses pelapisan logam dengan menggunakan bantuan arus listrik dan senyawa kimia tertentu guna memindahkan partikel logam pelapis ke material yang hendak dilapis. Anoda adalah terminal positif, dihubungkan dengan kutub positif dari sumber arus listrik. Anoda dalam larutan elektrolit ada yang larut dan ada yang tidak. Anoda yang tidak larut berfungsi sebagai penghantar arus listrik saja, sedangkan anoda yang larut berfungsi selain penghantar arus listrik, juga sebagai bahan baku pelapis. Katoda dapat diartikan sebagai benda kerja yang akan dilapisi, dihubungkan dengan kutub negatif dari sumber arus listrik. Elektrolit berupa larutan yang molekulnya dapat larut dalam air dan terurai menjadi partikelpartikel yang bermuatan positif atau negatif. (www.scribd.com) Berikut ini adalah gambar hubungan antara katoda, anoda dan larutan elektrolit dalam proses elektroplating. Gambar 2.1 Anoda, Katoda, dan Elektrolit Pada dasarnya elektroplating dilakukan dengan maksud memberi perlindungan terhadap bahaya korosi, membentuk sifat keras permukaan, dan sifat Bab II Tinjauan Pustaka 7
teknis atau mekanis tertentu, terhadap logam dasar. Di dunia industri, bukan hanya kekuatan produk yang diinginkan pasar, tetapi penampilan logam yang menarik akan sangat membantu terhadap keberhasilan produk di pasaran. Dengan kata lain, suatu produk pelapisan logam membutuhkan hasil dengan penampilan yang baik, misalnya dikaitkan dengan penampilan produk yang bagus, mengkilat dan cemerlang. ( Sudigdo dkk, 2009) 2.3 Elektrodeposisi Metode elektrodeposisi sudah banyak diaplikasikan dalam rekayasa bahanbahan modern, seperti aplikasi pada keramik anti-karat dan anti-sobek, superkonduktor dan dapat digunakan untuk sintesis material nano. Ada beberapa aspek yang yang perlu diperhatikan dalam metode elektrodeposisi, yaitu: 1. Pemilihan solven. Solven yang dipilih adalah solven yang dapat melarutkan garam anorganik dan aditif organik. 2. Faktor-faktor fisik kimia lain, seperti ph, konsentrasi larutan dan garam logam, arus, tegangan dan waktu. (http://nikisami.blogspot.com) Elektrodeposisi merupakan proses pengendapan logam pada elektroda dengan memanfaatkan reaksi elektrokimia. Arus listrik dialirkan ke anoda inert melalui elektrolit yang mengandung ion logam, sehingga logam tersebut mengendap dalam bentuk murninya di katoda (Gambar 2.2). Pada proses, anoda bertindak sebagai elektroda positif (menerima ion negatif) dan katoda bertindak sebagai elektroda negatif (menerima ion positif) sehingga merupakan kebalikan dari proses pada sel galvanis. Reaksi yang berlangsung di masing-masing elektroda adalah sebagai berikut: ~ K (-) A + + + + + - - Gambar 2.2 Diagram proses elektrodeposisi Bab II Tinjauan Pustaka 8
2.4 Limbah Elektroplating Proses elektroplating selain menghasilkan produk yang berguna, menghasilkan pula limbah padat, emisi gas dan limbah cair. Limbah padat berasal dari proses penghilangan kerak maupun kotoran sisa pada bak elektroplating. Limbah berupa emisi gas pada umumnya berasal dari penguapan larutan elektrolit, uap asam, maupun cairan pembersih. Limbah cair berupa air limbah yang berasal dari pencucian, pembersihan dan proses elektroplating. Air limbah mengandung logam-logam terlarut, solven dan senyawa organik maupun anorganik terlarut lainnya. Limbah yang dihasilkan proses elektroplating sangat beragam kandungannya tergantung proses platingnya atau pelapisannya. Secara umum efluen dari industri elektroplating yang mungkin dapat terjadi dapat dilihat pada Tabel 2.1 Tabel 2.1 Effluent Dari Industri Elektroplating Parameter Jumlah Maksimum Satuan ph 7-10 - TSS 25 mg/l Minyak dan Lemak 10 mg/l Arsen 0,1 mg/l Kadmium 0,1 mg/l Krom heksavalen 0,1 mg/l Krom total 0,5 mg/l Tembaga 0,5 mg/l Timbal 0,2 mg/l Merkuri 0,01 mg/l Nikel 0,5 mg/l Perak 0,5 mg/l Seng 2 mg/l Logam total 10 mg/l Sianida bebas 0,2 mg/l Fluorida 20 mg/l Trikloroetana 0,05 mg/l Trikloroetilena 0,05 mg/l Fosfor 5 mg/l Sumber: (World Bank, 1998). Bab II Tinjauan Pustaka 9
2.5 Prinsip Kerja Elektroplating Penghantar arus Katoda Anoda (+) (-) M n+ M o Sumber arus searah, DC Bak Plating Larutan Elektrolit Gambar 2.3 Proses Elektroplating (Sumber : Purwanto, 2005) Sumber arus listrik searah dihubungkan dengan dua buah elektroda yaitu elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif disebut sebagai katoda dan elektroda positif disebut anoda. Benda yang akan dilapisi harus bersifat konduktif atau menghantarkan arus listrik dan berfungsi sebagai katoda, disebut sebagai benda kerja. Pada elektroplating dengan anoda aktif digunakan anoda logam yang mempunyai kemurnian tinggi. Arus mengalir dari anoda menuju katoda melalui elektrolit. (Purwanto, 2005) Proses pelapisan pada benda kerja dilakukan pada suatu elektrolit yang mengandung senyawa logam. Ion logam (M n+ ) dalam elektrolit yang bermuatan positif menuju benda kerja sebagai katoda yang bermuatan negatif sehingga ion logam M n+ akan tereduksi menjadi logam M dan mengendap di katoda membentuk lapisan logam (deposit), menurut reaksi : M n+ + ne M o Ion logam dalam elektrolit yang telah tereduksi dan menempel di katoda, posisinya akan diganti oleh anoda logam yang teroksidasi dan larut dalam elektrolit atau dari penambahan larutan senyawa logam. Bab II Tinjauan Pustaka 10
Pada anoda terjadi oksidasi menurut reaksi : M o M n+ + ne Apabila proses elektroplating berjalan seimbang maka konsentrasi elektrolit akan tetap, anoda makin lama berkurang dan terjadi pengendapan logam yang melapisi katoda sebagai benda kerja. Reaksi oksidasi-reduksi secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai berikut : Anoda : M o M n+ + ne Katoda : M n+ + ne M o M o + M n+ M n+ + M o Apabila plating menggunakan anoda inaktif maka logam yang menempel pada katoda hanya berasal dari larutan, sehingga konsentrasi larutan makin berkurang dan diperlukan kontrol yang ketat terhadap konsentrasi larutan elektroplating untuk menjaga efisiensi proses dan kualitas lapisan. (Purwanto, 2005) 2.6 Hukum Faraday Banyaknya logam yang mengendap membentuk lapisan atau deposit pada katoda dinyatakan dalam Hukum Faraday I, yaitu berat endapan (W) sebanding dengan kuat arus (I) dan waktu plating (t). Hukum Faraday II menyatakan bahwa berat endapan tergantung dari jenis logam yang dinyatakan sebagai berat ekuivalen. (Purwanto, 2005) Pernyataan tersebut dituliskan sebagai berikut : W = Z I t..(2.1) Dengan : W : berat endapan (gram) I : kuat arus (Ampere) t : waktu (detik) Z : BE / 96500 BE : berat ekuivalen = BA / valensi BA : berat atom (contoh untuk Cu = 63,5) Bab II Tinjauan Pustaka 11
valensi : banyaknya elektron yang diterima untuk membentuk endapan. Valensi tembaga pada tembaga sulfat, Cu = 2 2.7 Laju Reaksi Laju reaksi adalah laju berkurangnya pereaksi atau terbentuknya produk reaksi yang dinyatakan dalam satuan mol (1-n) /(Volume) (1-n) (Waktu) (1-n) Laju Reaksi = Laju =.....(2.2) Dimana : X = perubahan konsentrasi t = perubahan waktu Tanda negatif digunakan jika X adalah pereaksi dan tanda positif digunakan jika X adalah produk hasil reaksi. (Achmad, Hiskia 2001) 2.7.1 Reaksi Orde Satu Reaksi orde satu adalah reaksi yang lajunya berbanding langsung dengan konsentrasi reaktan, yaitu: r = -d [C] = k [C].(2.3) dt hasil integral untuk memperoleh hubungan antara konsentrasi pereaksi dengan waktu yaitu, r = 0 t d [C] = -k 0 t dt...(2.4) [C] r = ln [C] t 0 = -kt...(2.5) r = ln [C] t ln [C] 0 = - kt...(2.6) r = ln [C] t = - kt + ln [C] 0...(2.7) Dengan: [C] 0 = konsentrasi C pada waktu t 0 Bab II Tinjauan Pustaka 12
[C] t = konsentrasi C pada waktu t t t = waktu proses r = laju reaksi k = konstanta laju reaksi Jika persamaan 7 digambarkan akan diperoleh grafik seperti pada Gambar 2.4. Ln [C] t -k Waktu proses (t) menit Gambar 2.4 Grafik reaksi orde satu (Sumber : Achmad, Hiskia 2001) 2.7.2 Konstanta Laju Reaksi Elektrolisis Konstanta laju reaksi adalah tetapan perbandingan antara laju reaksi dan hasil kali konsentrasi yang mempengaruhi laju reaksi. Konstanta laju reaksi dapat diperoleh dari grafik yang mengalurkan ln [C] 2 terhadap t, untuk itu diperlukan perubahan konsentrasi. Harga suatu konstanta laju reaksi sangat dipengaruhi suhu, tekanan, konsentrasi, luas bidang sentuh, dan penambahan katalis. Nilai suatu konstanta laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, ukuran dan berat molekul yang terlibat dalam reaksi serta penambahan katalis. 2.8 Tembaga Tembaga adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Cu dan nomor atom 29. Secara fisik, logam berat Cu digolongkan ke Bab II Tinjauan Pustaka 13
dalam logam-logam penghantar listrik yang baik. Tembaga merupakan penghantar listrik terbaik setelah perak (Ag) sehingga Cu banyak digunakan dalam bidang elektronika. Tembaga murni sifatnya halus dan lunak, dengan permukaan berwarna jingga kemerahan. Tembaga dicampurkan dengan timah untuk membuat perunggu. Tembaga (Cu) banyak digunakan sebagai peralatan elektronik sebesar 60%; untuk kontruksi, misalnya atap dan plumbing adalah sebesar 20%; industri mesin, yaitu sebagai pengganti penghantar panas sebesar 15%, dan untuk berbagai alloy sebesar 5%. Dari berbagai limbah, limbah yang paling banyak mengandung logam berat adalah limbah industri. Hal itu disebabkan oleh unsur logam berat yang banyak digunakan dalam bebagai industri, baik sebagai bahan baku, katalisator, maupun sebagai bahan tambahan. Cu tidak bisa diuraikan di alam sehingga Cu akan diakumulasi di dalam tanaman dan hewan melalui tanah. Tanah kaya Cu berpengaruh terhadap aktivitas mikroorganisme tanah dan cacing tanah, dan menyebabkan dekomposisi senyawa organik sehingga mengurangi kesuburan tanah. (Widowati Wahyu, 2008) 2.9 Nikel Nikel adalah logam berwarna putih perak dengan berat jenis 8,89 g/cm 3 dan berat atom 58,71 g/mol. Ni merupakan logam yang resisten terhadap korosi dan oksidasi pada temperatur tinggi sehingga bisa digunakan untuk memproduksi stainless steel. (Widowati Wahyu, 2008) Nikel (Ni) sebagai bahan paduan logam banyak digunakan di berbagai industri logam, berbagai macam baja, serta elektroplating. Untuk mendayagunakan karakteristik logam yang kuat, tahan tempa, anti-karat, tahan temperatur rendah maupun tinggi, nikel banyak digunakan sebagai campuran baja nirkarat, campuran baja berbasis logam Ni untuk memproduksi baterai dan katalis. Dalam keadaan murni, nikel bersifat lembek, tetapi jika dipadukan dengan besi, Bab II Tinjauan Pustaka 14
krom, dan logam lainnya, dapat membentuk baja tahan karat yang keras. (Widowati Wahyu, 2008) Berbagai macam industri menggunakan bahan baku Ni atau garam nikel, antara lain industri kimia, industri elektronik, serta industri logam. Berbagai macam jenis produk yang dihasilkan oleh industri logam berbahan baku Ni, antara lain compact disc (CD), baterai kering (Ni-MH), pigmen (pewarna) cat, pelapisan permukaan (plating) logam/nonlogam. (Widowati Wahyu, 2008) Pembuangan limbah yang mengandung Ni mengakibatkan pencemaran pada tanah, air, dan tanaman. Total Ni dalam tanah dapat mencapai 5-500 ppm, sedangkan kadar Ni pada air tanah mencapai 0,005-0,05 ppm dan kadar Ni pada tumbuhan tidak lebih dari 1 ppm. (Widowati Wahyu, 2008) Sifat Logam Nikel Tabel 2.2 Sifat unsur nikel Keterangan Density (g/ cm 3 ) 8,89 Melting point ( C) 1453 Coef of thermal expansion (20ºC) [m/m.ºc] 13,3 x 10-6 Thermal conductivity (25ºC) [W/m.K] 92 Electrical resistivity (μω.cm) 9,7 Modulus of elasticity intension (kpa) 204 x 10 6 Tensile strength, annealed (MPa) 462 Yield strength, 0,2% offset (MPa) 148 Sumber: (AWS welding handbook) 2.10 Paduan Ni-Cu Paduan Ni-Cu yang mengandung 10-30% Ni dinamakan tembaga putih atau kupronikel. Sedangkan paduan Ni-Cu yang mengandung kira-kira 67% Ni dinamakan logam monel, yang didapat dari pemurnian langsung dari bijih, yaitu suatu paduan alamiah. Kedua paduan tersebut mempunyai kekuatan dan ketahanan korosi yang baik yang dipergunakan untuk komponen-komponen khusus dari kondensor, komponen-komponen pompa, motor-motor, dan sebagainya. Paduan Ni-Cu yang mengandung 45% Ni mempunyai tahanan listrik Bab II Tinjauan Pustaka 15
yang tinggi dan koefisien pemuaian yang rendah, paduan itu dinamakan konstantan, digunakan sebagai kabel tahanan dan termokopel. 2.10.1 Karakteristik dan Komposisi Monel Monel banyak disukai oleh para penggemar aksesoris, selain karena harganya yang relatif murah juga karena karakteristiknya, Karakteristik monel antara lain : a. Sangat tahan terhadap korosi, monel dikenal sebagai korosi yang kuat, bahan tahan karat. Hal ini tahan terhadap korosi dan asam, dan beberapa paduan dapat menahan api di murni oksigen. b. Kuat dari baja c. Kristalnya isometrik d. Koefisien ekspansi termal rendah e. Sangat tahan terhadap alkali f. Dapat dilas, brazing dan patri 2.11 Spektrofotometer Serapan Atom (AAS) Spektrofotometer Serapan Atom (AAS) adalah suatu alat yang digunakan pada metode analisis untuk penentuan unsur-unsur logam dan metaloid yang berdasarkan pada penyerapan absorbsi radiasi oleh atom bebas. 2.11.1 Prinsip Dasar Spektrofotometer serapan atom (AAS) merupakan teknik analisis kuantitafif dari unsur-unsur yang pemakainnya sangat luas di berbagai bidang karena prosedurnya selektif, spesifik, biaya analisisnya relatif murah, sensitivitasnya tinggi (ppm-ppb), dapat dengan mudah membuat matriks yang sesuai dengan standar, waktu analisis sangat cepat dan mudah dilakukan. AAS pada umumnya digunakan untuk analisa unsur, spektrofotometer absorpsi atom juga dikenal sistem single beam dan double beam layaknya Spektrofotometer UV-VIS. Sebelumnya dikenal fotometer nyala yang hanya dapat menganalisis unsur yang Bab II Tinjauan Pustaka 16
dapat memancarkan sinar terutama unsur golongan IA dan IIA. Umumnya lampu yang digunakan adalah lampu katoda cekung yang mana penggunaanya hanya untuk analisis satu unsur saja. Metode AAS berprinsip pada absorbsi cahaya oleh atom. Atom-atom menyerap cahaya tersebut pada panjang gelombang tertentu, tergantung pada sifat unsurnya. Metode serapan atom hanya tergantung pada perbandingan dan tidak bergantung pada temperatur. Setiap alat AAS terdiri atas tiga komponen yaitu unit teratomisasi, sumber radiasi, sistem pengukur fotometerik. Teknik AAS menjadi alat yang canggih dalam analisis. Ini disebabkan karena sebelum pengukuran tidak selalu memerlukan pemisahan unsur yang ditentukan karena kemungkinan penentuan satu unsur dengan kehadiran unsur lain dapat dilakukan, asalkan katoda berongga yang diperlukan tersedia. AAS dapat digunakan untuk mengukur logam sebanyak 61 logam. Sumber cahaya pada AAS adalah sumber cahaya dari lampu katoda yang berasal dari elemen yang sedang diukur kemudian dilewatkan ke dalam nyala api yang berisi sampel yang telah teratomisasi, kemudian radiasi tersebut diteruskan ke detektor melalui monokromator. Chopper digunakan untuk membedakan radiasi yang berasal dari sumber radiasi, dan radiasi yang berasal dari nyala api. Detektor akan menolak arah searah arus (DC) dari emisi nyala dan hanya mengukur arus bolak-balik dari sumber radiasi atau sampel. Atom dari suatu unsur pada keadaan dasar akan dikenai radiasi maka atom tersebut akan menyerap energi dan mengakibatkan elektron pada kulit terluar naik ke tingkat energi yang lebih tinggi atau tereksitasi. Jika suatu atom diberi energi, maka energi tersebut akan mempercepat gerakan elektron sehingga elektron tersebut akan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan dapat kembali ke keadaan semula. Atom-atom dari sampel akan menyerap sebagian sinar yang dipancarkan oleh sumber cahaya. Penyerapan energi oleh atom terjadi pada panjang gelombang tertentu sesuai dengan energi yang dibutuhkan oleh atom tersebut. Bab II Tinjauan Pustaka 17
2.11.2 Keuntungan metode AAS Keuntungan metode AAS dibandingkan dengan spektrofotometer biasa yaitu spesifik, batas deteksi yang rendah dari larutan yang sama bisa mengukur unsur-unsur yang berlainan, pengukurannya langsung terhadap contoh, output dapat langsung dibaca, cukup ekonomis, dapat diaplikasikan pada banyak jenis unsur, batas kadar penentuan luas (dari ppm sampai %). Sedangkan kelemahannya yaitu pengaruh kimia dimana AAS tidak mampu menguraikan zat menjadi atom misalnya pengaruh fosfat terhadap Ca, pengaruh ionisasi yaitu bila atom tereksitasi (tidak hanya disosiasi) sehingga menimbulkan emisi pada panjang gelombang yang sama, serta pengaruh matriks misalnya pelarut.( http://adityabeyubay359.blogspot.com) Bab II Tinjauan Pustaka 18