MODUL PRAKTIKUM LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA ELEKTROLISIS AIR (ELS) Koordinator LabTK Dr. Dianika Lestari / Dr. Pramujo Widiatmoko PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2016
Kontributor: Dr. Isdiriayani Nurdin, Dr. Hary Devianto, Dr. Ardiyan Harimawan, Robby Sukma Dharmawan ELS 2
DAFTAR ISI DAFTAR ISI... 3 DAFTAR GAMBAR... 4 BAB I PENDAHULUAN... 5 BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN... 6 2.1. Tujuan Percobaan... 6 2.2. Sasaran Percobaan... 6 BAB III RANCANGAN PERCOBAAN... 7 3.1. Alat... 7 3.2. Bahan/Zat Kimia... 7 3.3. Kondisi Percobaan... 7 3.3.2. Variabel yang Divariasikan... 8 3.3.3. Variabel Terikat... 8 3.4. Rangkaian Alat... 8 BAB IV PROSEDUR KERJA... 9 4.1. Persiapan... 9 4.2. Pengukuran Overpotensial Minimum... 9 4.3. Pengukuran Efsiensi Arus dan Konsumsi Energi... 9 DAFTAR PUSTAKA... 11 LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH... 12 LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN... 13 LAMPIRAN C SPESIFIKASI LITERATUR... 14 ELS 3
DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Rangkaian Alat... 8 Gambar 2. Diagram Alir Percobaan... 10 ELS 4
BAB I PENDAHULUAN Secara terminologi, elektrolisis merupakan proses pemecahan (lisis) senyawa dengan bantuan energi listrik. Proses elektrolisis memegang peranan penting dalam industri, salah satunya dalam produksi hidrogen murni yang berguna dalam industri makanan dan obat-obatan. Hidrogen murni juga digunakan untuk proses metalurgi khusus dalam jumlah kecil (W, Mo, Ge) dan mentransformasi minyak menjadi lemak yang dapat dimakan. Hidrogen dapat diperoleh secara ekonomis melalui elektrolisis air dalam elektrolit asam maupun basa. Sementara itu, elektrolisis air juga menghasilkan oksigen sebagai produk samping. Konsumsi oksigen dunia hanya sekitar 1/10 dari jumlah oksigen yang merupakan produk samping elektrolisis. Oleh karena itu, oksigen elektrolitik dianggap terlalu mahal dibandingkan dengan oksigen dari distilasi udara cair. Jika oksigen elektrolitik tidak digunakan di tempat, maka oksigen sering dibuang begitu saja. Namun, karena tingkat kemurniannya yang tinggi (99,6 %), kadang-kadang oksigen elektrolitik dimampatkan dan diangkut untuk penggunaan khusus. ELS 5
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN 2.1. Tujuan Percobaan Percobaan ini bertujuan untuk memahami fenomena-fenomena overpotensial evolusi hidrogen yang terjadi di permukaan elektroda selama berlangsungnya proses elektrolisis air. 2.2. Sasaran Percobaan Sasaran yang hendak dicapai melalui percobaan ini adalah sebagai berikut. 1. Mengidentifikasi pengaruh jenis elektroda terhadap overpotensial minimum proses elektrolisis air 2. Mengidentifikasi pengaruh jenis dan konsentrasi elektrolit terhadap overpotensial minimum proses elektrolisis air 3. Menghitung efisiensi arus dan konsumsi energi proses elektrolisis air. ELS 6
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN 3.1. Alat Peralatan yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut. a. Gelas kimia 500 ml j. Laptop b. Gelas kimia 1000 ml k. Batang pengaduk c. Buret 25 ml l. Filler d. Corong m. Termometer e. Elektroda Pt-Ir (Anoda) n. Sumber listrik DC f. Pipet volume 25 ml o. Elektroda g. Labu takar 1000 ml p. Botol semprot h. Kabel listrik q. Statif dan klep i. Multimeter 3.2. Bahan/Zat Kimia Daftar bahan yang digunakan dalam percobaan adalah sebagai berikut. a. Aqua dm b. H 2 SO 4 18 M c. Padatabn KOH/NaOH d. Isolator tape e. Kertas abrasif 3.3. Kondisi Percobaan Kondisi percobaan terdiri dari variabel percobaan yang dibuat tetap dan variabel percobaan yang diubah. 3.3.1. Variabel yang Dibuat Tetap a. Tekanan udara ruang (660 700 mmhg) b. Temperatur ruang (23 28 o C) c. Jenis anoda (kawat Pt-Ir) d. Volume elektrolit (250 ml) e. Jarak antar elektroda (1 cm) ELS 7
f. Luas permukaan elektroda 3.3.2. Variabel yang Divariasikan a. Jenis katoda b. Jenis elektrolit (KOH/NaOH atau H 2 SO 4 ) c. Konsentrasi elektrolit (larutan H 2 SO 4 dan larutan NaOH dengan berbagai macam variasi konsentrasi) 3.3.3. Variabel Terikat a. Overpotensial minimum b. Jumlah gas hidrogen yang dihasilkan c. Temperatur larutan 3.4. Rangkaian Alat Rangkaian alat yang digunakan dalam percobaan dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1. Rangkaian Alat ELS 8
BAB IV PROSEDUR KERJA Percobaan modul elektrolisis air ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bagian persiapan, penentuan overpotensial minimum dan penentuan efisiensi arus serta konsumsi energi elektrolisis air. 4.1. Persiapan Beberapa persiapan yang harus dilakukan adalah sebagai berikut. 1. Persiapan elektrolit Larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan kalium hidroksida atau asam sulfat yang diencerkan. Konsentrasi elektrolit yang dipakai disesuaikan dengan variasi pada penugasan. Volume larutan elektrolit untuk setiap percobaan sama yaitu 300 ml. 2. Persiapan elektroda Anoda yang dipakai untuk percobaan ini adalah kawat Pt Ir berdiameter 0,5 mm dan panjang 22 cm. Sedangkan katoda yang digunakan disesuaikan dengan variasi pada penugasan. Elektroda dibersihkan dengan menggunakan kertas abrasif di bawah aliran air. 3. Perangkaian Alat Alat dirangkai sedemikian sehingga sesuai dengan rangkaian alat pada Gambar 1. 4.2. Pengukuran Overpotensial Minimum 1. Sumber listrik dinyalakan pada tegangan minimum 2. Variasikan arus dengan memutar potensiometer pada sumber arus DC 3. Lakukan pembacaan terhadap amperemeter dan voltmeter setiap kenaikan 0,1 ma. Overpotensial diperoleh ketika pembacaan tegangan bernilai sama 4 kali berturutturut. 4.3. Pengukuran Efsiensi Arus dan Konsumsi Energi Setelah melakukan percobaan menentukan overpotensial minimum sehingga mendapatkan kondisi yang menghasilkan overpotensial minimum paling kecil, elektrolisis air kemudian ELS 9
dilakukan pada kondisi yang bersangkutan dengan variasi potensial sel di atas potensial minimum tersebut. Pada percobaan ini, data yang harus dicatat adalah: 1. Kondisi operasi, disesuaikan dengan kondisi yang menghasilkan overpotensial minimum paling kecil. 2. Potensial sel, divariasikan 300 mv, 600 mv dan 900 mv di atas overpotensial minimum. 3. Rapat arus, dicatat setiap detik dalam satu run elektrolisis menggunakan bantuan software. 4. Elektrolisis dilakukan selama 3600 detik karena dianggap selama waktu tersebut rapat arus sudah relatif stabil. 5. Jumlah gas hidrogen yang dihasilkan. Diagram alir percobaan diperlihatkan dalam Gambar 2. Gambar 2. Diagram Alir Percobaan ELS 10
DAFTAR PUSTAKA Jean Besson et Jacques Guitton. 1972. Manipulations d electrochimie, introduction a vla theorie et a la pratique de la cinetique electrochimique. Paris: MASSON & CIE. Pletcher, D. and Walsh, Frank C. 1993. Industrial Electrochemistry. Glasgow: Blackie Academic & Professional. Prentice, G. 1991. Electrochemical Engineering Principles, Prentice-Hall International, Inc. ELS 11
LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH A.1. Penentuan Overpotensial Minimum Run ke- : Katoda : Jenis elektrolit : Konsentrasi : Temperatur : Tekanan : No I (ma) V (volt) 1 2 3 A.2. Penentuan Efisiensi Arus dan Konsumsi Energi Run ke- : Katoda : Jenis elektrolit : Konsentrasi : Temperatur : Tekanan : H 2 yang dihasilkan : Waktu (menit) I (ma) V (volt) 0 1 2... 60 *gunakan bantuan software untuk mencatat data persatuan detik selama 1 jam (sekali run) ELS 12
LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN B.1. Perhitungan Volume H 2 SO 4 Gunakan persamaan pengenceran untuk menghitung jumlah volume H 2 SO 4 pekat yang dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi H 2 SO 4 sesuai dengan penugasan. V 1 = V 2 x M 2 / M 1 B.2. Perhitungan Muatan Listrik Muatan listrik merupakan perkalian antara arus (A) dengan waktu (detik). Nilainya dihitung dengan pendekatan grafik, yaitu menghitung luas di bawah kurva arus dan waktu. Metode yang digunakan adalah metode trapesium. B.3. Perhitungan Efisiensi Arus Untuk menghitung efisiesi arus, gunakan persamaan berikut. B.4. Perhitungan Konsumsi Energi per Satuan Volume H 2 ELS 13
LAMPIRAN C SPESIFIKASI LITERATUR C.1. Tetapan Faraday F = 96.485,3 (C/ekivalen) Sumber : bird, B. Byron. Transport Phenomena 2 nd Ed. 2002. New York : John Wiley and Sons, Inc.) C.2. Tabel Potensial Standar Reaksi ½ sel Potensial standar (V) Au 3+ + 3e - Au +1,420 O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O +1,229 Pt 2+ + 2e - Pt +1,2 Ag + + e - Ag +0,800 Fe 3+ + e - Fe 2+ +0,771 O 2 + 2H 2 O + 4e - 4(OH - ) +0,401 Cu 2+ + 2e - Cu +0,340 2H + + 2e - H 2 0,000 Pb 2+ + 2e - Pb -0,126 Sn 2+ + 2e - Sn -0,136 Ni 2+ + 2e - Ni -0,250 Co 2+ + 2e - Co -0,277 Cd 2+ + 2e - Cd -0,403 Fe 2+ + 2e - Fe -0,440 Cr 3+ + 3e - Cr -0,744 Zn 2+ + 2e - Zn -0,763 2H 2 O + 2e - H 2 + 2(OH - ) -0,828 Al 3+ + 3e - Al -1,662 Mg 2+ + 2e - Mg -2,363 Na + + e - Na -2,714 K + + e - K -2,924 Sumber : Callister, William D. Materials Science and Engineering : An Introduction 7 th Ed. 2002. New York : John Wiley and Sons, Inc.) ELS 14
C.3. Tetapan Gas Ideal R = 82,0578 cm 3.atm/mol/K Sumber : bird, B. Byron. Transport Phenomena 2 nd Ed. 2002. New York : John Wiley and Sons, Inc.) C.4. Konduktivitas Listrik Temukan konduktivitas listrik logam yang digunakan sebagai elektroda (sesuai dengan penugasan)! ELS 15