39 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN 4.1 PENDAHULUAN Hasil eksperimen akan ditampilkan pada bab ini. Hasil eksperimen akan didiskusikan untuk mengetahui keoptimalan arang aktif tempurung kelapa lokal pada pengujian adsorpsi dan nilai energi listrik optimal yang dapat dihasilkan dari pembuatan baterai katoda udara berbasis arang tempurung kelapa. 4.2 DATA HASIL ARANG TEMPURUNG KELAPA SETELAH DILAKUKAN AKTIVASI Arang tempurung kelapa yang sudah dilakukan aktivasi akan mengalami penurunan berat, dikarenakan pada proses penyaringan berlangsung. Dimana pada proses penyaringan, arang tempurung kelapa akan menempel pada kertas saring, zat-zat pengotor yang ada pada arang tempurung kelapa akan hilang, dan permukaan karbon menjadi bersih dan lebih luas. Arang aktif adalah arang yang dimurnikan yaitu konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan unsur lain serta pori-porinya dibersihkan dari unsur lain atau kotoran, sehingga permukaan karbon atau pusat aktif menjadi bersih dan lebih luas. Keluasan pusat aktif ini menentukan efektifitas kegunaannya sebagai adsorben (penyerap) cairan maupun gas (Putra, 2016). Proses penyaringan berlangsung 2 kali penggantian kertas saring, hal ini bertujuan agar arang tempurung kelapa bebas dari bahan larutan NaOH yang digunakan sebagai media aktivator. Apabila bahan larutan kimia masih menempel pada arang, akan mengakibatkan tertutupnya pori-pori pada arang.
40 Proses pencucian karbon aktif setelah aktivasi bertujuan untuk mendapatkan karbon yang lebih murni. Hal ini disebabkan masih adanya hasil reaksi antara activating agent dan karbon, maupun sisa activating agent yang terdapat didalamnya. Maka hasil proses aktivasi tersebut harus dicuci terlebih dahulu hingga ph pada air netral. Jika tidak maka hasil tersebut akan menutup atau tersimpan dalam pori-pori karbon aktif yang dihasilkan. Hasil reaksi ini menutup pori-pori yang terbentuk sehingga saat proses pengkuran luas permukaan dikhawatirkan tidak maksimal (Miranti, 2012). Sehingga saat pembuatan katoda udara berlangsung, akan terjadi kurangnya udara yang masuk pada katoda udara dan mengakibatkan kurang optimalnya tegangan dan arus listrik yang dihasilkan pada pengaplikasian baterai alumunium udara. Berikut ini adalah Gambar dimana arang tempurung kelapa menempel pada kertas saring. Gambar 4.1 Arang tempurung kelapa menempel pada kertas saring Berikut ini adalah jumlah persentase penurunan berat arang tempurung kelapa yang menempel pada kertas saring setelah aktivasi dalam proses penyaringan berlangsung:
41 Berat akhir Berat awal x 100% 5,1073 Gr 6,0000 Gr x 100% = 0,85 Gr x 100% = 85% Dari hasil penurunan berat arang tempurung kelapa dapat di analisis sebanyak 0,8927 gram (15%) arang tempurung kelapa menempel pada kertas saring, dan telah hilangnya zat-zat pengotor pada arang tempurung kelapa. Sehingga permukaan arang menjadi bersih dan lebih luas. Secara garis besar, ada tiga tahap pembuatan karbon aktif, yaitu proses dehidrasi, karbonisasi, dan aktivasi. Ketiga proses ini bertujuan untuk membentuk pori-pori pada karbon agar mendapatkan luas permukaan besar (Miranti, 2012). 4.3 ANALISIS PENGUJIAN ADSORPSI ARANG AKTIF MENGGUNAKAN METODE VISUAL Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing-masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan. Semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Sifat arang aktif paling penting adalah daya serap. Vladimir (1974) mengatakan adsorpsi merupakan peristiwa penyerapan suatu adsorbat pada permukaan adsorben. Adsorbat adalah suatu senyawa terlarut (molekul, atom atau ion) yang dapat diserap, sedangkan adsorben adalah zat yang menyerap. Adsorben
42 yang sering digunakan untuk menurunkan kosentrasi logam berat adalah arang aktif, karena lebih mudah didapatkan secara komersial. Adsorpsi adalah suatu proses penyerapan yang terjadi pada suatu bidang permukaan. Saat dua fasa saling berkontak komposisi fasa yang dekat dengan daerah batas fasa akan berbeda dengan yang terdapat pada bulk fasa tersebut. Mousir (2014) mengatakan faktor-faktor yang mempengaruhi adsorpsi antara lain: Jenis adsorben Jenis zat yang diadsorpsi (adsorbat) Luas permukaan adsorben Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbat) Temperatur Untuk mengetahui keunggulan arang aktif tempurung kelapa dari beberapa variasi konsentrasi NaOH 0,1, 0,5, 1, 2, 3, dan 4 molaritas yang digunakan untuk aktivasi. Dilakukan pengujian dengan metode sederhana untuk adsorpsi penyerapan warna pada air dengan variasi tetap arang aktif 5 gram, air 100 ml, pewarna (betadine) 10 tetes dan dilihat sifat penyerapan nya selama 15 menit, 45 menit dan 75 menit. Data hasil Gambar 4.2 dan 4.3 pengujian adsorpsi (penyerapan) warna pada air selama 75 menit. Variasi larutan NaOH 1 molaritas untuk aktivasi arang tempurung kelapa mempunyai sifat penyerapan yang paling baik dibandingkan dengan aktivasi arang tempurung kelapa dengan variasi larutan NaOH lainnya. Seperti ditunjukkan pada Gambar pengujian berikut:
43 (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) 15 menit 45 menit 75 menit Gambar 4.2 (a) Arang tempurung kelapa tanpa dilakukan aktivasi (b) kosentrasi larutan NaOH 0,1 molaritas, (c) kosentrasi larutan NaOH 0,5 molaritas, (d) kosentrasi larutan NaOH 1 molaritas (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) (a) (b) (c) (d) 15 menit 45 menit 75 menit Gambar 4.3 (a) Kosentrasi larutan NaOH 1 molaritas, (b) kosentrasi larutan NaOH 2 molaritas, (c) kosentrasi larutan NaOH 3 molaritas, (d) kosentrasi larutan NaOH 4 molaritas Berdasarkan gambar diatas, aktivasi dengan konsentrasi < 1 molaritas larutan NaOH masih belum mampu untuk membersihkan zat pengotor yang ada pada arang tempurung kelapa dan kurangnya pembentukkan struktur pori pada arang tempurung kelapa sehingga hasil pengujian adsorpsi menjadi kurang optimal. Sementara itu aktivasi dengan konsentrasi > 1 molaritas akan menyebabkan rusak nya luas permukaan pada arang, sehingga dapat mengurangi daya adsorpsi.
44 Berikut ini adalah grafik pengujian daya adsorpsi dari beberapa variasi konsentrasi larutan terhadap waktu. Pengujian Adsorpsi Waktu (menit) 200 150 100 50 120 150 75 105 165 180 0 0,1 M 0,5 M 1 M 2 M 3 M 4 M Kosentrasi Larutan Gambar 4.4 Grafik hasil pengujian daya adsorpsi pada arang aktif tempurung kelapa Hal ini sesuai dengan pernyataan Wulandari dkk (2015). Mengatakan bahwa semakin tinggi kosentrasi NaOH, maka semakin menurun persentase daya adsorpsi. Pengujian daya adsorpsi maksimum dihasilkan dengan larutan aktivator 1% sebesar 80,87%. Gambar 4.5 Hasil pengujian kadar air karbon aktif dengan aktivator NaOH (Sumber: Wulandari, 2015)
45 Rachmani, dkk (2014). Mengatakan bahwa bertambahnya konsentrasi pada aktivasi menggunakan activating agent NaOH akan menyebabkan lebih banyak reaksi reduksi dan oksidasi yang akan merusak permukaan bahan baku sehingga membentuk mikropori dan mesopori yang lebih banyak pada karbon aktif. 4.4 ANALISIS PERBANDINGAN HASIL PENGUJIAN ADSORPSI ARANG SEBELUM DILAKUKAN AKTIVASI DAN SESUDAH AKTIVASI Putra (2016) mengatakan bahwa hasil pengujian adsorpsi arang impor buatan Filipina mempunyai sifat penyerapan yang paling baik dibandingkan dengan arang tempurung kelapa lokal dan arang tempurung kelapa penjernih air aquarium. Arang tempurung kelapa impor buatan Filipina memiliki sifat adsorpsi yang paling optimal. Bisa dilihat pada gambar 4.6. (a) (b) (c) (a) (b) (c) (a) (b) (c) 2 Jam 4 Jam 6 Jam Gambar 4.6 (a) arang tempurung kelapa buatan lokal, (b) arang tempurung kelapa impor buatan Filipina, (c) arang tempurung kelapa penjernih air aquarium (Sumber: Putra, 2016) Dari hasil penelitian pengujian adsorpsi pada arang yang belum diaktivasi dapat dianalisis. Bahwa arang yang belum diaktivasi mampu menjernihkan air selama 360 menit dibandingkan dengan arang yang sudah teraktivasi mampu menjernihkan air selama 75 menit. Hal ini membuktikkan jika ada terjadinya perubahan struktur pori pada arang tempurung kelapa dan hilangnya zat pengotor pada arang yang dilakukan proses aktivasi, sehingga dapat menyerap warna lebih cepat. Berikut ini adalah grafik pengujian daya adsorpsi dari perbandingan arang tanpa aktivasi dan arang yang sudah dilakukan aktivasi:
46 Pengujian Adsorpsi Waktu (menit) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 360 Sebelum Aktivasi 75 Setelah Aktivasi Gambar 4.7 Grafik perbandingan pengujian daya adsorpsi pada arang tempurung kelapa sebelum aktivasi dan setelah aktivasi 4.5 ANALISIS DATA HASIL PENGUJIAN BATERAI ALUMUNIUM UDARA TERHADAP PENAMBAHAN VARIASI KATALIS Dari hasil pengujian baterai alumunium udara dalam pembuatan katoda udara terlihat pada gambar 4.8 skema baterai alumunium udara jenis baterai koin dari arang aktif tempurung kelapa menggunakan komposisi 1 gram arang aktif, 0,7 gram arabic gum sebagai binder, penambahan variasi katalis MnO2 1%, 5%, 10%, dan 20% dan 24 µl larutan elektrolit KOH 4 M disuntikkan pada tissue. Anoda yang digunakan pada baterai alumunium dari kaleng bekas minuman ringan (pocari sweat). Adapun hasil pengujian pengukuran melalui proses elektrokimia dengan alat multitester atau AVO meter (ampere volt ohm) didapatkan hasil berupa potensial tegangan dan arus. Gambar 4.8 Skema baterai alumunium udara jenis baterai koin
47 Dari hasil pengujian baterai alumunium udara menggunakan variasi katalis MnO2 1%, 5%, 10%, dan 20% maka didapat nilai rata-rata potensial tegangan yang optimal dari penambahan katalis 10% yaitu sebesar 1,27 V. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.1. Tabel 4.1 Nilai rata-rata potensial tegangan dan arus yang dihasilkan Variasi Katalis Tanpa katalis Katalis 1% Katalis 5% Katalis 10% Katalis 20% Pengujian Sample Tegangan (V) Arus (ma) Pengujian 1 1,06 V 0,55 ma Pengujian 2 1,07 V 0,35 ma Pengujian 3 1,01 V 0,40 ma Pengujian 1 1,03 V 0,43 ma Pengujian 2 1,09 V 0,44 ma Pengujian 3 1,02 V 0,50 ma Pengujian 1 1,02 V 0,55 ma Pengujian 2 1,08 V 0,35 ma Pengujian 3 1,23 V 0,40 ma Pengujian 1 1,31 V 0,30 ma Pengujian 2 1,39 V 0,60 ma Pengujian 3 1,13 V 0,36 ma Pengujian 1 1,14 V 0,40 ma Pengujian 2 0,97 V 0,18 ma Pengujian 3 0,92 V 0,11 ma Nilai Rata-Rata V ma 1,04 V 0,43 ma 1,04 V 0,45 ma 1,11 V 0,43 ma 1,27 V 0,42 ma 1,01 V 0,23 ma Syarat utama baterai mampu menghasilkan tegangan dari beda potensial kedua elektroda dan arus listrik. Beda potensial terjadi karena perbedaan banyaknya jumlah elektron yang di produksi dari proses elektrokimia. Sedangkan arus listrik adalah banyaknya muatan listrik yang disebabkan dari pergerakan-pergerakan elektron yang diproduksi dari reaksi elektrokimia.
48 Dari hasil pengujian baterai alumunium udara maka dapat dianalisis bahwa adanya pengaruh penambahan katalis pada pembuatan katoda. Penambahan katalis yang terlalu banyak akan mengalami penurunan tegangan dan arus listrik yang dihasilkan, disebabkan karna penggunaan katalis yang terlalu banyak akan mempercepat laju reaksi kimia sehingga akan membentuk endapan oksida lebih cepat dari ion logam anoda. Yang akan mengakibatkan tertutup nya pori-pori dari karbon pada katoda, sehingga oksigen dari udara tidak dapat masuk kedalam sistem baterai. Berikut ini adalah gambar logam yang sudah teroksidasi: (a) (b) Gambar 4.9 (a) Logam anoda belum teroksidasi, (b) logam anoda sudah teroksidasi Menurut (Yugang, 2013) ion logam dari anoda bergerak melalui elektrolit dan bereaksi dengan ion O2 2- atau O 2- yang diperoleh dari reaksi reduksi O2 oleh katalis pada permukaan katoda udara untuk membentuk suatu endapan oksida dari ion logam anoda. O2 yang terlibat dalam sistem baterai logam udara berasal dari udara yang masuk melalui poripori karbon pada yang terdapat pada katoda. Menurut (Jang dkk, 2011) endapan oksida dapat menutupi pori-pori dari karbon pada katoda, sehingga oksigen dari udara tidak dapat masuk kedalam sistem baterai logam udara. Kondisi ini akan menyebabkan turunnya densitas energi baterai logam udara, karena reaksi elektrokimia dalam sistem baterai terhambat.
49 4.6 DATA HASIL PENGUJIAN ARUS LISTRIK BATERAI ALUMUNIUM UDARA VARIASI KATALIS TERHADAP WAKTU Hasil pengujian arus listrik baterai alumunium udara menggunakan variasi katalis terhadap waktu 15 menit, 30 menit, 45 menit, 60 menit didapatkan hasil data seperti yang terlihat pada tabel 4.2. Dari hasil pengujian secara elektrokimia pada baterai alumunium udara diperoleh arus yang optimal pada menit 15 yaitu sebesar 0,45 ma dan akan menurun pada menit selanjutnya. Hal ini disebabkan terjadinya korosi pada logam anoda dengan elektrolit, sehingga produksi ion untuk menghasilkan elektron berkurang setiap menit nya, masalah lainnya yaitu berkurangnya komposisi elektrolit cair yang digunakan karena sudah dikonsumsi untuk menghasilkan arus pada awal proses elektrokimia berjalan. Pada penambahan katalis 20% arus yang dihasilkan kecil dibanding dengan tanpa katalis, katalis 1%, 5%, dan 10%. Hal ini disebabkan karena penambahan katalis 20% akan mempercepat laju reaksi kimia sehingga akan membentuk endapan oksida lebih cepat dari ion logam anoda, yang akan mengakibatkan produksi ion pada logam untuk menghasilkan elektron berkurang, dan akan menutupi pori-pori pada karbon di katoda. hal ini disebabkan karena ukuran partikel arang berbentuk serbuk dengan ditambahkan katalis yang cukup banyak. Sehingga udara sulit untuk dapat masuk kedalam katoda. Berikut ini adalah Gambar ilustrasi pori-pori tertutup katalis: Karbon berpori Katalis Gambar 4.10 katalis menutupi pori-pori pada karbon
50 Apabila arus listrik pada baterai alumunium udara sudah menurun maka baterai dapat di recharge kembali dengan menambahkan elektrolit. Sehingga arus pada baterai dapat kembali seperti semula. Berikut ini adalah tabel dan grafik pengaruh pengujian arus terhadap waktu: Tabel 4.2 Pengaruh pengujian arus listrik terhadap waktu Variasi Katalis Arus (ma) 15 Menit 30 Menit 45 Menit 60 Menit Tanpa Katalis 0,43 ma 0,23 ma 0, 14 ma 0,09 ma Katalis 1 % 0,45 ma 0,33 ma 0,12 ma 0,09 ma Katalis 5 % 0,43 ma 0,24 ma 0,22 ma 0,09 ma Katalis 10 % 0,42 ma 0,36 ma 0,29 ma 0,23 ma Katalis 20 % 0,23 ma 0,14 ma 0,07 ma 0,04 ma Arus (ma) 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Pengujian Arus Terhadap Waktu 0.45 0.43 0.42 0.36 0.33 0.29 0.23 0.23 0.24 0.22 0.23 0.14 0.14 0.12 0.07 0.09 0.04 15 30 45 60 Waktu (menit) Tanpa katalis Katalis 1% Katalis 5% Katalis 10% Katalis 20% Gambar 4.11 Grafik pengujian arus terhadap waktu
51 Berikut ini adalah Gambar 4.12 grafik pengujian voltametri siklik yang digunakan untuk mengetahui bahwa adanya unsur katalis MnO2 yang dicampurkan pada katoda dan mengetahui mekanisme reaksi dari proses oksidasi-reduksi: ARUS (A) GRAFIK KATALIS katalis 1 % katalis 5% katalis 10% katalis 20 % 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0-0.0001 0.2 0.4 0.6 0.8 1 POTENSIAL (V) Gambar 4.12 Grafik pengujian voltametri siklik Berdasarkan Gambar grafik pengujian voltametri siklik diatas menunjukkan pada pengujian katalis 10% puncak oksidasi terbentuk lebih cepat yaitu pada potensial tegangan 0,47 V dan besar arus 7,51x10-5, dibandingkan dengan pengujian 1% pada potensial tegangan 0,51 V dan besar arus 7,40x10-5, pengujian 5% pada potensial tegangan 0,72 V dan besar arus 8,81x10-5, sedangkan pengujian 20% puncak oksidasi tidak terlihat dikarenakan banyaknya katalis dapat menghambat perpindahan elektron. Puncak reduksi pengujian 1% pada potensial tegangan 0,77 V dan besar arus 4,45x10-5, pengujian 5% pada potensial tegangan 0,75 V dan besar arus 4,80x10-5, pengujian 10% pada potensial tegangan 0,70 V dan besar arus 5,19x10-5, pengujian 20% puncak reduksi tidak terlihat dikarenakan tidak adanya perpindahan elektron yang terjadi. Puncak arus pengujian 1% sebesar 2,46x10-4, pengujian 5% sebesar 1,78x10-4, pengujian 10% sebesar 3,28x10-4, pengujian 20% sebesar 8,23x10-5. Hal ini sesuai dengan data Tabel 4.2, dimana katalis 10% arus yang dihasilkan lebih besar dibanding yang lainnya. Dan katalis 20% mengalami penurunan arus.
52 4.7 ANALISIS PERBANDINGAN NILAI TEGANGAN DAN ARUS VARIASI KATODA ARANG SEBELUM AKTIVASI DAN SETELAH AKTIVASI Berikut ini merupakan Tabel perbandingan nilai tegangan dan arus variasi katoda arang sebelum aktivasi dan setelah aktivasi: Tabel 4.3 Nilai rata-rata tegangan dan arus menggunakan katoda arang tempurung kelapa lokal sebelum aktivasi (Putra, 2016) Variasi Karbon Aktif Tempurung Kelapa Lokal Tempurung Kelapa Impor Buatan Filipina Tempurung Kelapa Penjernih Air Aquarium Komposisi (gram) Tegangan (V) Arus (ma) 0.198 0.854 0.074 0.196 0.868 0.164 0.194 0.847 0.074 0.198 0.836 2.620 0.196 0.817 2.198 0.194 0.838 1.420 0.198 0.944 0.106 0.196 0.933 0.122 0.194 0.949 0.412 Harga Optimal V ma 0.868 0.164 0.838 2.620 0.949 0.412 Putra (2016) mengatakan bahwa hasil pengujian baterai alumunium udara dalam pembuatan katoda udara jenis baterai koin dari beberapa jenis arang yaitu arang tempurung kelapa lokal, arang tempurung kelapa impor buatan Filipina dan arang penjernih air aquarium menggunakan variasi komposisi 0,198 gram, 0,196 gram, 0,194 gram, katalis 0,002 gram, konsentrasi elektrolit NaCl 4,5% 0,1 ml dengan menggunakan anoda baterai alumunium dari kaleng bekas minuman ringan didapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal dengan komposisi arang sebesar 0,198 gram.
53 Tabel 4.4 Nilai rata-rata tegangan dan arus menggunakan katoda arang tempurung kelapa lokal sesudah aktivasi Variasi Katalis Tanpa katalis Katalis 1% Katalis 5% Katalis 10% Katalis 20% Pengujian Sample Tegangan (V) Arus (ma) Pengujian 1 1,06 V 0,55 ma Pengujian 2 1,07 V 0,35 ma Pengujian 3 1,01 V 0,40 ma Pengujian 1 1,03 V 0,43 ma Pengujian 2 1,09 V 0,44 ma Pengujian 3 1,02 V 0,50 ma Pengujian 1 1,02 V 0,55 ma Pengujian 2 1,08 V 0,35 ma Pengujian 3 1,23 V 0,40 ma Pengujian 1 1,31 V 0,30 ma Pengujian 2 1,39 V 0,60 ma Pengujian 3 1,13 V 0,36 ma Pengujian 1 1,14 V 0,40 ma Pengujian 2 0,97 V 0,18 ma Pengujian 3 0,92 V 0,11 ma Nilai Rata-Rata V ma 1,04 V 0,43 ma 1,04 V 0,45 ma 1,11 V 0,43 ma 1,27 V 0,42 ma 1,01 V 0,23 ma Dari data kedua Tabel di atas dapat dianalisis bahwa arang tempurung kelapa lokal yang sudah dilakukan aktivasi telah terjadi kenaikan nilai tegangan dan arus listrik yang dihasilkan pada baterai alumunium udara. Besar nilai tegangan rata-rata yang dihasilkan pada katoda arang yang sudah teraktivasi yaitu sebesar 1,27 V, arus optimal yang dihasilkan sebesar 0,45 ma. Sedangkan besar nilai rata-rata yang dihasilkan pada katoda arang sebelum aktivasi sebesar 0,85 V, arus optimal yang dihasilkan sebesar 0,16 ma. Hal ini disebabkan karena tingkat adsorpsi oksigen pada arang yang sudah teraktivasi untuk masuk kedalam katoda udara semakin meningkat, sehingga proses elektrokimia di dalam sistem baterai akan optimal, serta adanya penambahan katalis yang akan mempercepat laju reaksi kimia di dalam sistem baterai.