JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 2, No. 1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 1 PENGARUH PERBANDINGAN JUMLAH POLI(VINIL ALKOHOL) DAN PATI JAGUNG DALAM MEMBRAN POLI(VINIL FORMAL) TERHADAP PENGURANGAN ION KLORIDA PADA ELEKTROLISIS LARUTAN NaCl Risa Rininta, Suprapto Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: suprapto@chem.its.ac.id Abstrak Telah dilakukan penelitian terhadap pengaruh perbandingan jumlah poli(vinil alkohol) (PVA) dan pati jagung pada membran poli(vinil formal) terhadap pengurangan ion klorida dalam elektrolisis larutan NaCl. Membran poli(vinil formal) dibuat dalam empat variasi, yaitu membran poli(vinil formal) tanpa pati jagung (membran A), membran poli(vinil formal) dengan perbandingan PVA-pati jagung 25:75 (membran B), membran poli(vinil formal) dengan perbandingan PVA-pati jagung 50:50 (membran C), dan membran poli(vinil formal) dengan perbandingan PVA-pati jagung 75:25 (membran D). Kemudian membran yang telah dibuat dikarakterisasi dengan spektrofotometer FT-IR, AFM, dan mikroskop optik. Persen rejeksi tertinggi dimiliki oleh membran C, yaitu 95,19%. Membran A, B, dan C juga diaplikasikan pada elektrolisis larutan NaCl 5 M selama 120 menit. Dari ketiga membran tersebut, persen rejeksi ion klorida pada elektrolisis paling tinggi dimiliki oleh membran C, yaitu 90%. Kata Kunci membran, polivinil(formal), persen rejeksi, elektrolisis larutan NaCl I. PENDAHULUAN Proses klor-alkali dilakukan dengan mengelektrolisis larutan natrium klorida (NaCl) untuk memproduksi gas klorin, gas hidrogen, dan natrium hidroksida (NaOH) (Madaeni et al., 2007). Gas klorin (Cl 2 ) yang terbentuk di anoda merupakan akibat dari oksidasi ion klorida. Sedangkan, gas hidrogen (H 2 ) dan ion hidroksida (OH - ) dihasilkan dari reaksi reduksi yang dialami oleh molekul air di katoda. Kemudian, ion hidroksida yang terbentuk berikatan dengan ion natrium (Na + ) dalam larutan, sehingga terbentuk NaOH (Savari et al., 2007). Proses klor-alkali dapat dilakukan dalam sel merkuri, sel diafragma, dan sel membran (Madaeni et al., 2007). Penggunaan merkuri dapat menimbulkan dampak negatif bagi lingkungan. Selain itu, proses klor-alkali dengan sel merkuri efisiensi arusnya rendah, sehingga energi listrik yang dibutuhkan cenderung lebih besar. Sel diafragma memiliki kekurangan yaitu NaOH yang dihasilkan dengan teknik ini hanya sedikit yaitu sekitar 12-14 wt% saja. Melihat dari kekurangan-kekurangan tersebut, sel membran digunakan dalam proses klor-alkali (Savari et al., 2007). Beberapa jenis membran pernah digunakan dalam proses elektrolisis larutan NaCl. Membran yang digunakan antara lain: poli(stirena-ko-divinilbenzena) (Savari et al., 2007), Nafion (Chikhi et al., 2002), polieter terphtalate (Madaeni et al., 2007) dan poli(vinil formal) (Muir, 1976). Membran poli(stirena-ko-divinilbenzena) dan Nafion merupakan membran yang berfungsi sebagai penukar ion. Membran polieter terphtalate di atas memiliki persen rejeksi NaCl sebesar 21%, sedangkan membran poli(vinil formal) yang diteliti oleh Muir pada tahun 1976 memiliki persen rejeksi NaCl sebesar 46%. Secara garis besar, membran dalam proses klor-alkali ini berfungsi untuk menahan ion klorida pada kompartemen anoda supaya tidak berdifusi ke kompartemen katoda. Dengan demikian, NaOH yang dihasilkan di katoda memiliki kemurnian yang tinggi (Savari et al., 2007). Tahun 2002, Nagasaka et al. memperoleh hak paten atas penemuannya yang berupa lembaran spons. Di masyarakat, lembaran ini dikenal dengan sebutan kain kanebo. Kain ini berbahan dasar poli(vinil formal). Poli(vinil formal) yang merupakan turunan dari poli(vinil alkohol) (Muir, 1976) dibuat dari poli(vinil alkohol), formaldehida, asam sulfat, dan pati jagung. Poli(vinil alkohol) direaksikan dengan formaldehida sebagai crosslinker dan asam sulfat sebagai katalisator reaksi. Kemudian, pati jagung ditambahkan sebagai aditif untuk membentuk pori-pori pada kain tersebut. Tahun 2012, kain kanebo diteliti Jihad sebagai membran dalam proses klor-alkali. Hasil penelitian Jihad menunjukkan bahwa kain kanebo yang berbahan poli(vinil formal) tersebut dapat berfungsi dengan cukup baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya perbedaan ph dan warna larutan di anoda dan di katoda. Larutan anolit memiliki ph asam dan berwarna kuning. Warna kuning tersebut menunjukkan adanya klorin aktif di dalam larutan anolit. Sedangkan, larutan katolit memiliki ph basa dan tidak berwarna. Proses klor-alkali dengan sel membran telah dilakukan dalam penelitian ini. Sebelum elektrolisis, membran poli(vinil formal) dibuat terlebih dahulu. Membran yang dipilih adalah poli(vinil formal). Bahan ini dipilih karena memiliki ikatan silang yang menyebabkan strukturnya berpori dan memiliki persen rejeksi ion klorida yang cukup baik, yaitu 46% (Muir, 1976). Membran poli(vinil formal) ini dibuat sesuai dengan prosedur dalam paten Nagasaka et al. pada tahun 2002. Membran ini dibuat dengan variasi rasio berat poli(vinil alkohol) dengan pati jagung.
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 2, No. 1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 2 Ada empat jenis membran poli(vinil formal) yang dibuat dalam penelitian ini. Dari empat jenis membran tersebut diteliti manakah membran yang memiliki persen rejeksi ion klorida paling tinggi. Setelah itu, membranmembran tersebut diaplikasikan dalam proses elektrolisis larutan NaCl. Larutan elektrolit yang digunakan dalam elektrolisis ini adalah larutan NaCl 5 M. Grafit batang digunakan sebagai elektroda. Grafit ini diperoleh dari pensil 8 B. Elektrolisis larutan NaCl ini dilakukan selama 120 menit. Penentuan ion klorida dengan metode Mohr juga dilakukan untuk mengetahui kadar ion klorida pada anolit dan katolit. II. URAIAN PENELITIAN 2.1 Pembuatan Membran Poli(vinil formal) Non-Aditif (Membran A) sebanyak 4,6895 gram. Serbuk PVA dilarutkan dalam 50 ml aqua DM panas. Campuran tersebut diaduk hingga larut sempurna. Setelah serbuk PVA larut seluruhnya, 6,25 ml formaldehida 35% dan 6,25 ml H 2 SO 4 50% 2.2 Pembuatan Membran Poli(vinil formal) dengan Rasio PVA : Pati Jagung = 25 : 75 (Membran B) sebanyak 2,3446 gram. Kemudian, serbuk PVA dilarutkan dalam 50 ml aqua DM panas. Lalu, campuran tersebut diaduk hingga larut sempurna. Setelah serbuk PVA larut seluruhnya, pati jagung sebanyak 7,0343 g, 6,25 ml formaldehida 35%, dan 6,25 ml H 2 SO 4 50% 2.3. Pembuatan Membran Poli(vinil formal) dengan Rasio PVA : Pati Jagung = 50 : 50 (Membran C) sebanyak 4,6896 gram. Kemudian, serbuk PVA dilarutkan dalam 50 ml aqua DM panas. Lalu, campuran tersebut diaduk hingga larut sempurna. Setelah serbuk PVA larut seluruhnya, pati jagung sebanyak 4,6895 g, 6,25 ml formaldehida 35%, dan 6,25 ml H 2 SO 4 50% 2.4 Pembuatan Membran Poli(vinil formal) dengan Rasio PVA : Pati Jagung = 75 : 25 (Membran D) sebanyak 7,0343 gram. Kemudian, serbuk PVA dilarutkan dalam 50 ml aqua DM panas. Lalu, campuran tersebut diaduk hingga larut sempurna. Setelah serbuk PVA larut seluruhnya, pati jagung sebanyak 2,3446 g, 6,25 ml formaldehida 35%, dan 6,25 ml H 2 SO 4 50% 2.5 Elektrolisis Larutan NaCl Elektrolisis larutan NaCl dilakukan dalam sel membran dan elektroda grafit. Larutan NaCl 5 M diambil sebanyak 95 ml dan dimasukkan ke kompartemen anoda pada reaktor elektrolisis. Kemudian, sebanyak 95 ml aqua DM dimasukkan ke kompartemen katoda. Kadar ion klorida pada larutan NaCl 5 M dan aqua DM ditentukan dengan metode Mohr. Kemudian larutan tersebut dielektrolisis selama 120 menit dengan beda potensial sebesar 6V. Setiap 20 menit, larutan pada anoda dan katoda diukur ph nya. Setelah 120 menit, kadar ion klorida pada anolit dan katolit ditentukan dengan metode Mohr. III. HASIL DAN DISKUSI 3.1 Pembuatan Membran Poli(vinil formal) Empat variasi membran poli(vinil formal) telah dibuat dalam penelitian ini. Membran A adalah membran poli(vinil formal) tanpa penambahan pati jagung. Membran B adalah membran poli(vinil formal) dengan rasio berat PVA dan pati jagung 25 : 75. Membran C adalah membran poli(vinil formal) dengan rasio berat PVA dan pati jagung 50 : 50. Membran D adalah membran poli(vinil formal) dengan rasio berat PVA dan pati jagung 75 : 25. Namun, membran D tidak dapat dibuat karena jumlah polimer yang digunakan lebih banyak daripada jumlah pelarutnya. Sehingga, polimer tersebut tidak dapat dilarutkan menjadi sirup polimer. Oleh karena itu, membran yang dapat digunakan dalam penelitian ini hanya membran A, membran B, dan membran C. Ketiga membran yang telah dibuat kemudian diamati morfologinya dengan menggunakan mikroskop optik. Morfologi yang diamati adalah morfologi bagian permukaan atas dan bawah membran. Pengamatan morfologi permukaan atas dan bawah membran bertujuan untuk mengetahui persebaran bagaimana bentuk pori-pori dari ketiga membran yang diteliti. Morfologi permukaan atas dan bawah dari membran A, membran B, dan membran C dapat dilihat pada gambar 3.1 hingga gambar 3.3. Gambar 3.1 Membran A perbesaran 100 kali Tampak atas, Tampak bawah
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 2, No. 1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 3 Gambar 3.2 Membran B perbesaran 100 kali Tampak atas, Tampak bawah Gambar 3.3 Membran C perbesaran 100 kali Tampak atas, Tampak bawah Gambar 3.1 hingga Gambar 3.3 menunjukkan adanya perbedaan antara permukaan atas dan permukaan bawah membran. Permukaan bawah membran lebih rata daripada permukaan atasnya. Permukaan bawah membran lebih rata karena bagian tersebut mengalami kontak langsung dengan cetakan, sehingga permukaannya rata dan teratur. Gambar 4.2 hingga Gambar 4.4 menunjukkan bahwa permukaan atas membran memiliki ukuran pori yang lebih besar, sedangkan permukaan bawah membran memiliki pori-pori kecil yang halus. Hal ini mengindikasikan bahwa membran yang dibuat dalam penelitian ini merupakan membran asimetris. 3.2 Pengujian Kinerja Membran Sebelum ketiga membran poli(vinil formal) ini digunakan dalam elektrolisis, perlu dilakukan pengujian untuk mengetahui kemampuan membran tersebut dapat menahan ion klorida. Kadar ion klorida ditentukan dengan menggunakan metode Mohr. Hasil penentuan kadar ion klorida dan persen rejeksi membran ditampilkan pada Tabel 3.1 hingga Tabel 3.3. Tabel 3.1 Hasil penentuan kadar ion klorida dalam berdifusi melalui membran A selama 24 jam NaCl 1 M Awal 35.784,00 Aqua DM Akhir 6.304,80 NaCl 1 M Akhir 24.878,40 Persen Rejeksi Cl - 82,38% Tabel 3.2 Hasil penentuan kadar ion klorida dalam berdifusi melalui membran B selama 24 jam NaCl 1 M Awal 35.500,00 Aqua DM Akhir 13.312,50 NaCl 1 M Akhir 18.548,75 Persen Rejeksi Cl - 61,90% Tabel 3.3 Hasil penentuan kadar ion klorida dalam berdifusi melalui membran C selama 24 jam NaCl 1 M Awal 35.443,20 Aqua DM Akhir 1.704 NaCl 1 M Akhir 33.725 Persen Rejeksi Cl - 95,19% 3.3 Elektrolisis Larutan NaCl dengan Sel Membran Elektrolisis larutan NaCl dalam penelitian ini dilakukan dengan menggunakan sel elektrolisis yang di bagian tengahnya diberi membran poli(vinil formal). Konsentrasi larutan NaCl yang digunakan adalah 5 M, sedangkan tegangan yang diberikan sebesar 6 V. Membran yang digunakan adalah membran A, membran B, dan membran C. Pemilihan konsentrasi larutan NaCl dan tegangan listrik ini didasarkan pada penelitian yang telah dilakukan Jihad pada tahun 2012. Jihad telah melakukan variasi konsentrasi larutan NaCl yaitu 1 M, 3 M, dan 5 M. Tiap variasi konsentrasi larutan NaCl ini dielektrolisis pada variasi tegangan 3 V, 6 V, 9 V, dan 12 V. Hasil penelitian tersebut menunjukkan hasil paling optimum diperoleh pada konsentrasi larutan NaCl 5 M dan tegangan 6 V. 3.3.1 Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Menggunakan Membran A ph pada katolit dapat dilihat pada Tabel 3.4.
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 2, No. 1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 4 Tabel 3.4 Tabel hasil pengukuran ph larutan anolit dan dengan membran A 20 5 10 40 3 11 60 1 12 80 1 13 100 0 14 120 0 14 Melalui Tabel 3.4 dapat diamati bahwa ph larutan proses elektrolisis berlangsung. Hal ini disebabkan oleh meningkat dan pada menit ke-100 ph larutan katolit mencapai nilai 14. tersebut berikatan dengan ion Na + dan membentuk NaOH di katoda. Tabel 3.5 Hasil Pengukuran dalam Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Membran A Anolit Awal 202.350 Katolit Awal 0,00 Anolit Akhir 139.958,75 Katolit Akhir 47.215 Persen Rejeksi Cl - 76,67 % Hingga elektrolisis berakhir, ternyata ion klorida masih banyak tertahan di larutan anolit, sedangkan di larutan katolit ion ini ada dalam jumlah yang lebih sedikit. Hal ini dapat dilihat pada data kadar ion klorida yang ditampilkan dalam Tabel 3.5. Dari data tersebut dapat dinyatakan bahwa membran A dapat berfungsi sebagai penahan ion klorida. 3.3.2 Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Menggunakan Membran B ph pada katolit dapat dilihat pada Tabel 3.6. Tabel 3.6 Tabel hasil pengukuran ph larutan anolit dan dengan membran B 20 2 11 40 1 12 60 0 14 80 0 14 100 0 14 120 0 14 Melalui Tabel 3.6 dapat diamati bahwa ph larutan proses elektrolisis berlangsung. Hal ini disebabkan oleh meningkat dan pada menit ke-60 ph larutan katolit mencapai nilai 14. tersebut berikatan dengan ion Na + dan membentuk NaOH di katoda. Hingga elektrolisis berakhir, ternyata ion klorida masih banyak tertahan di larutan anolit, sedangkan di larutan katolit ion ini ada dalam jumlah yang lebih sedikit. Hal ini dapat dilihat pada data kadar ion klorida yang ditampilkan dalam Tabel 3.7. Dari data tersebut dapat dinyatakan bahwa membran B dapat berfungsi sebagai penahan ion klorida. Tabel 3.7 Hasil Pengukuran dalam Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Membran B Anolit Awal 202,350.00 Katolit Awal 0.00 Anolit Akhir 148,390.00 Katolit Akhir 40,834.23 Persen Rejeksi Cl - 79,82% 3.3.3 Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Menggunakan Membran C ph pada katolit dapat dilihat pada Tabel 3.8.
JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 2, No. 1, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) 5 Tabel 3.8 Tabel hasil pengukuran ph larutan anolit dan dengan membran C 20 3 8 40 1 11 60 1 11 80 0 12 100 0 12 120 0 12 Melalui Tabel 3.8 dapat diamati bahwa ph larutan proses elektrolisis berlangsung. Sebelum elektrolisis, ph katolit adalah 7. Kemudian, selama elektrolisis ph katolit mengalami kenaikan. Hal ini disebabkan oleh meningkat dan pada menit ke-80 ph larutan katolit mencapai nilai 12. Penyebab ph larutan katolit maksimum yang diperoleh pada percobaan ini hanya bernilai 12 adalah terkikisnya elektroda grafit. Luas permukaan grafit yang terkikis lebih kecil daripada luas permukaan grafit sebelumnya, sehingga jumlah molekul air yang dapat dielektrolisis juga semakin sedikit. Oleh sebab itu, ph larutan katolit tidak dapat mencapai ph 14 seperti elektrolisis sebelumnya. tersebut berikatan dengan ion Na + dan membentuk NaOH di katoda. IV. KESIMPULAN Membran poli(vinil formal) yang diteliti dalam penelitian ini dapat digunakan sebagai penahan ion klorida dalam elektrolisis larutan NaCl. Membran yang memiliki persen rejeksi ion klorida paling tinggi adalah membran C, yaitu membran poli(vinil formal) dengan perbandingan komposisi polivinil alkohol (PVA) : pati jagung = 50 : 50. Persen rejeksi ion klorida yang dimiliki oleh membran ini mencapai 95,19 %. Membran A, B, dan C juga diaplikasikan pada elektrolisis larutan NaCl 5 M selama 120 menit. Persen rejeksi ion klorida paling tinggi pada elektrolisis dimiliki oleh membran C, yaitu 90%. DAFTAR PUSTAKA [1] Chikhi, M., Rakib, M., Viers, Ph., Laborie, S., Hita, B., Durand, G. 2002. Current distribution in a chloralkali membrane cell: experimental study and modeling. Journal of Desalination. Elsevier. [2] Jihad, B. A. 2012. Pengurangan Ion Klorida pada Elektrolisis Larutan NaCl dengan Pemisah Polivinil Alkohol Formaldehid Antara Katoda dan Anoda. Tugas Akhir. Jurusan Kimia ITS. [3] Madaeni, S. S., Kazemi, V. 2007. Treatment of saturated brine in chlor-alkali process using membranes. Journal of Separation and Purification Technology. Elsevier. [4] Muir, W. M. 1976. Novel Polymer Membranes For Reverse Osmosis. Inggris : Babcock and Wilcox Limited. [5] Nagasaka, K., Sasaki, Y. 2002. Sponge Sheet. US 6.395.382 B1. United States Patent. [6] Savari, S., Sachdeva, S., Kumar, A. 2007. Electrolysis of sodium chloride using composite poly(styrene-co-divinylbenzene) cation exchange membranes. Journal of Membrane Science. Elsevier. Tabel 3.9 Hasil Pengukuran dalam Elektrolisis Larutan NaCl 5 M dengan Membran C Anolit Awal 202.350 Katolit Awal 0,00 Anolit Akhir 180.428,75 Katolit Akhir 20.235 Persen Rejeksi Cl - 90% Hingga elektrolisis berakhir, ternyata ion klorida masih banyak tertahan di larutan anolit, sedangkan di larutan katolit ion ini ada dalam jumlah yang lebih sedikit. Hal ini dapat dilihat pada data kadar ion klorida yang ditampilkan dalam Tabel 3.9. Dari data tersebut dapat dinyatakan bahwa membran C dapat berfungsi sebagai penahan ion klorida.