INTAN PERMATA SARINRP. 1113201008

Dosen PembimbingEndarko, M.Si, Ph.D.

PROGRAM MAGISTERBIDANG KEAHLIAN INSTRUMENTASI JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMINSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2015

PENDAHULUANó Latar belakang

Kebutuhan air bersih yang meningkat sedangkan ketersediaannya menurun

Teknologi pemurnian air laut dan air payau

Desalinasi dengan metode Capasitive Deionization

Membutuhkan daya kecil dan ramah lingkungan (J. C. Farmer,1998)

Fokus penelitan CDI, yakni peningkatan efisiensi CDI dalam mengurangikadar garam. salah satu Parameter dalam penelitian desalinasi adalahmaterial penyusun elektroda dan sistem CDI (Oren, 2008)

Penelitian Sebelumnya1. Coudle et al pada pertengahan tahun 1960 – 1970 an menggunakan

elektroda berpori (serbuk karbon aktif )yang dialiri arus untukdesalinasi air garam.

2. Park et al pada tahun 2010 dan Chia-Hung Hou et al pada tahun 2013 menggunakan elektroda karbon menggunakan binder PVA denganmetode crosslingking

3. Vrana pada tahun 2009 menggunakan hidrogel PVA yang dibentuk dariproses Freezing/ thawing untuk membuat rekayasa jaringan lunak,

4. Kim dan Choy pada tahun 2010 dengan menambahkan membran padakedua elektroda dapat meningkatkan adsorbsi garam 20 – 56 % darisistem CDI tanpa membran

5. Wei Huang, dkk pada tahun 2014 modifikasi karbon aktif menggunakannitric acid sebagai bahan elektroda dengan binder PVDF

vTujuan1. Membuat elektroda dengan bahan dasar karbon menggunakan binder Polyvinyl

Alcohol 2. Mengetahui bentuk morfologi permukaan elektroda karbon dengan uji SEM EDX.3. Menghitung nilai kapasitansi elektroda karbon dengan uji cyclic voltametry (CV)

serta Electrical Impedance Spectroscopy (EIS)4. Menghitung penurunan nilai konduktifitas larutan NaCl, KCL dan MgCL pada sistem

CDI .5. Meningkatkan efisiensi dengan membuat elektroda berbahan dasar karbon

modifikasi dan menambahkan membrane ion exhcahange pada sistem CDI.

vBatasan Masalah1. Laju aliran 25 ml/s2. Tegangan yang digunakan 2v

TINJAUAN PUSTAKAó CDI (CAPASITIVE DEIONIZATION) adalah Teknologi desalinasi yang

menggunakan prinsip kerja kapasitor dalam penyerapan ion garam

Kapasitor >> elektroda karbon berporousdihubungkan ke sumber tegangan DC

Air garam dialirkan diantara dua plat elektroda

ion negatif dan positif akan terpisah terikatelektroda karbon

Air bersih(S.Porada. 2013)

TINJAUAN PUSTAKAó Bahan Penyusun Elektroda1. Karbon Aktif

2. Karbon Aktif Modifikasi

3. Graphit Sheet

Karbon aktif merupakan material yang berbentuk butiran atau bubuk berasaldari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan aktivasi secara kimia atau fisika sehingga memiliki luas permukaan spesifik yang mampu mengadsorbsisenyawa kimia dalam fase cair atau gas.

graphit sheet berupa graphit foil yang dimanfaatkan sebagai current colektor. Pemakaian current collector dari bahan ini supaya tidak terjadi korosi akibatbereaksi dengan air garam (Porada, 2013)

Karbon aktif modifikasi adalah karbon yang telah mengalami modifikasidengan dilarutkan dalam suasana asam atau basa yang bertujuan untukmeningkatkan kemampuan adsorbsi pada karbon aktif

TINJAUAN PUSTAKA4. PVA (Polyvinil Alkohol)

5.Membrane Ion Exchange

PVA adalah Polimer hidrofilik yang dapat larut dalam air dimanfaatkan sebagaibinder carbon . Dapat dibentuk menjadi hidrogel dalam kandungan air dengan metode freeze/thawing, irradiasi gamma, crosslinking kimiawi danfotopolimerisasi

Membran Ion Exchange adalahmembran penukar ion yang ditambahkan didepan elektroda karbon. counter ion akan terblok pada daerahmakroporus dan membran, sehinggakonsentrasi ion lebih banyak padadaerah tersebut dari pada daertahspaser.

METODOLOGI PENELITIAN

vPembuatan Elektroda

dicetak diatas 10 grafit sheet dimensi 6 x 8 cm

1gr PVA

60mL aquadesdipanaskan sampai

suhu 100°C

Distirer selama 1 jam

20 gr karbon aktif (biasa/ modifikasi), distirer 20 menit

Freezing thawing dengan cycle yang telah ditentukan*

*Variasi cycle yang dilakukan adalah 3, 4 dan 5 cycle. 1 cycle (12 jam Freezing dan 12 jam Thawing)

vModifikasi Karbon aktif

Dikeringkan pada suhu 60° C

Preparasi Bahan

10 gr Karbon aktif

Distirer pada suhu 90 ° C selama 4 jam

Dicuci dengan aquades dan difiltasi sampai PH =7

100 mL Nitric Acid

Karbon aktif modifikasi

METODOLOGI PENELITIAN

karbon biasa +PVAFrezee/thaw 3,4 dan 5 cycle

Pembuatan Elektroda

Morfologi & kandungan bahan-> SEM EDXSifat elektrokimia -> voltametri siklik, EIS

Pengujian Elektroda

1. Membuat Cell CDI 2. Membuat Larutan NaCl, KCl dan MgCl

180 µs/cm3. Mengatur kecepatan aliran 25ml/menit4. Membari tegangan 2V

Pembuatan sistem CDI

Pengukuran nilai Konduktifitas selamaproses desalinasi dalam waktu 6 jam

Pengujian sistem CDI

1. pembuatan Elektroda karbon modifikasi +PVA 2. Penambahan Membran3. Penambahan jumlah elektroda dalam Cell CDI

Meningkatkan Efisiensi

METODOLOGI PENELITIANv Pembuatan Sistem Desalinasi

Inlet

Outlet

Acrilic

Spacer

Elektroda Karbon

Graphit Sheet

conductivitymeter

Larutan Garam

hasil Desalinasi

water pump

Sumber Tegangan DC

Gambar 3.1 Penyusunan cell elektroda

Gambar 3.2 Sistem Desalinasi

METODOLOGI PENELITIANvPengujian Elektroda

1. SEM EDX untuk mengetahui morfologi permukaan elektroda karbon yang telahdibuat.

2. Voltametri siklik danEIS digunakan untuk menghitung nilai spesifik kapasitansiv EIS (Electrical Impedance Spectroscophy )

: frekuensi anguler pada sinyal potensial AC Z’’ : adalah komponen imajiner pada

spectra impedansi.

v Voltametri siklik Dengan C = spesifik kapasitansi(F/g);

qa = muatan anodicqc = muatan katodik,v = laju potensial (v/s)m= massa karbon aktif.

METODOLOGI PENELITIANv Pengujian Sistem Desalinasi

pada proses desalinasi dilakukan perhitungan kadar garam yang teradsorbdengan rumusan sebagai berikut (Park et al ,2007):

dengan Gf = konduktivitas cairan uji (ohm-1)Gp = konduktivitas produk setelah desalinasi (ohm-1)

HASIL DAN PEMBAHASAN

(a) (b) (c) (d) (e)

(f) (g) (h)

1. Proses pembuatan elektroda karbon

Gambar 4.1 Tahapan Pembuatan Elektroda

HASIL DAN PEMBAHASAN1. Proses modifikasi karbon aktif

Gambar 4.3 Tahapan Modifikasi Karbon Aktif

(a) (b) ( c) (d) (e) (f)

HASIL DAN PEMBAHASANv Pengujian Karbon Aktif

Hasil pengujian FT-IR

Gambar 4.4 Hasil Uji FTIR Karbon Aktif (KA = Karbon Aktifdan KAM = Karbon Aktif Modifikasi).

v Penambahanv gugus eter (C-O) pada bilangan

gelombang 1190, v gugus karbonil C=O pada bilangan

gelombang 1713. v Sesuai dengan penelitian yang dilakukan

oleh (Huang, 2014) .

HASIL DAN PEMBAHASAN

(a) (b)

(c) (d)

v Pengujian Morfologi Elektroda

Gambar 4.5 Hasil Uji SEM Elektroda Karbon (a) 3cycle (b) 4 cycle (c) 5cycle (d) Modif 4 cycle

Gambar 4.6 Komposisi elektroda karbon denganvariasi 3, 4, 5 dan modif 4 cycle

HASIL DAN PEMBAHASANv Pengujian Volametri Siklik

Pengujian voltametri dilakukan padasweep rate 10 mv/s dan cycle ke-10Nilai spesifik kapasitansi berturut-turut

Tipe 3cycle = 3.06 F/gTipe 4 cycle = 9.10 F/gTipe 5 cycle = 0.52 F/g Tipe modif 4 cycle = 2.45 F/g

HASIL DAN PEMBAHASANv EIS (Electrical Impedance Spectroscophy)

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

0.001 0.1 10 1000 100000

Kap

asita

nsi (

F/g)

Log Frekuensi (Hz)

v nilai spesifik kapasitansiterbesar yang terukursebesar 13,5 F/g padafrekuensi 0.01 Hz

v Nilai spesifik kapasitasnsimenurun seiring denganbertambahnya frekuensidan konstan pada frekuensitinggi,

HASIL DAN PEMBAHASANv Perancangan dan Penyusunan sistem CDI

Cell CDI

Probe sensor konduktifitimet

er

Power Supplay

Pompa

(c)

(a) (b)

Gambar 4.10 Penyusunan Sistem CDI

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.11 Hasil Desalinasi Larutan GaramNaCl

Tipe Siklus % pengurangan

3 cycle 2 49,16%

4 cycle 3 54,3%

5 cycle 3 41,38

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.11 Hasil Desalinasi Larutan Garam KCl

Tipe Siklus % pengurangan

3 cycle 3 56,4%

4 cycle 1 64,1%

5 cycle 3 61,4%

v Li Min Cang , 2014. penyerapan terbaik padasiklus pertama dan menurun pada siklusberikutnya

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.11 Hasil Desalinasi Larutan GaramMgCl

Tipe Siklus % pengurangan

3 cycle 2 40,41%

4 cycle 2 54,47%

5 cycle 2 38,73%

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.14 Hasil Desalinasi Elektroda 4 Cylce

Jenis Garam % pengurangan

KCl 64,1%

NaCl 54,3%

MgCl 53,4%

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.15 Hasil Desalinasi Elektroda 4 cycledan modif 4 cycle

Tipe Siklus % pengurangan

Modifikasi 2 51,9%

Tanpamodifikasi 3 54,3%

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.16 Hasil Desalinasi Larutan Garam NaCldengan Variasi Penggunaan Membran

Tipe Siklus % pengurangan

Membran 3 66,36%

Tanpamembran 3 54,3%

*Hasil penelitian sesuai denganpenelitian kim dan choy tahun 2010

HASIL DAN PEMBAHASANv Hasil Desalinasi

Gambar 4.17 Hasil Desalinasi Larutan Garam NaCldengan Variasi Cell

Tipe Siklus % pengurangan

5 pasangelektroda

3 73,5%

10 pasangelektroda 3 54,3%

KESIMPULANv Pembuatan elektroda dengan binder PVA menggunakan karbon aktif dan karbon aktif

modifikasi dengan metode freezing thawing dilakukan dengan variasi 3, 4 dan 5 cycle Telah berhasil dibuat.Pengujian FTIR setelah dimodifikasi terdapat penambahan gugusfungsi karboksilat, eter dan karbonil.

v Hasil pengujian SEM EDX menunjukkan proses gelasi dapat membentuk porus padaelektroda dengan peningkatan gugus Oksigen 25% setelah dimodifikasi namun ukuranporus pada elektroda modifikasi terlihat lebih kecil

v Pada uji elektrokimia dapat disimpulkan kapasitansi elektroda terbesar dimiliki olehelktroda tipe 4 cycle sebesar 13.4% pada pengujian EIS

v Hasil desalinasi pada sistem CDI mampu mengurangi kadar garam NaCl, KCl dan MgCldan hasil terbaik ditunjukkan oleh lektroda tipe 4 cycle. Hasil desalinasi pada modifikasikarbon aktif tidak menunjukkan nilai yang yang lebih baik dapat disimpulkan ukuranporus lebih berpengaruh daripada penambahan gugus oksigen terhadap efisiensi desalinasi

v Penambahan membran dapat meningkatkan desalinasi 12%. Penambahan elektroda padacell CDI dapat mengurangi kadar garam dengan konsentrasi lebih banyak

DAFTAR PUSTAKAó Anderson, M.A., Cudero, A.L., Palma, J., (2010). Capacitive deionization as an electrochemical means of saving

energy and delivering clean water. Comparison to present desalination practices.Electrochimica Acta 55, 3845–3856. doi:10.1016/j.electacta.2010.02.012

ó Chang, L.M., Duan, X.Y., Liu, W., (2011). Preparation and electrosorption desalination performance of activated carbon electrode with titania. Desalination 270, 285–290. doi:10.1016/j.desal.2011.01.008

ó Gilar S, yulianto, R., 2013. Pembuatan Karbon Aktif Dari Arang TempurungKelapa Dengan Aktivator ZnCl2 danNa2CO3 Sebagai Adsorben Untuk Mengurangi Kadar Fenol Dalam Air Limbah. Inst. Teknol. Sepuluh Nop. 2, 2301–9721.

ó Gileadi, E., 2011. Physical Electrochemistry Fundamental, Techniques and Application. WILEY-VCH VerlagGmbH & Co.KGaA, israel.

ó Gokce, Y., Aktas, Z., 2014. Nitric acid modification of activated carbon produced from waste tea and adsorption of methylene blue and phenol. Appl. Surf. Sci. 313, 352–359. doi:10.1016/j.apsusc.2014.05.214

ó Hou, C.-H., Liu, N.-L., Hsu, H.-L., Den, W., 2014. Development of multi-walled carbon nanotube/poly(vinyl alcohol) composite as electrode for capacitive deionization. Sep. Purif. Technol. 130, 7–14. doi:10.1016/j.seppur.2014.04.004

ó Huang, W., Zhang, Y., Bao, S., Cruz, R., Song, S., 2014. Desalination by capacitive deionization process using nitric acid-modified activated carbon as the electrodes. Desalination 340, 67–72. doi:10.1016/j.desal.2014.02.012

ó Jia, B., Zou, L., 2012a. Wettability and its influence on graphene nansoheets as electrode material for capacitive deionization. Chem. Phys. Lett. 548, 23–28. doi:10.1016/j.cplett.2012.06.016

ó Jia, B., Zou, L., 2012b. Graphene nanosheets reduced by a multi-step process as high-performance electrode material for capacitive deionisation. Carbon 50, 2315–2321. doi:10.1016/j.carbon.2012.01.051

ó Kim, J.-S., Choi, J.-H., 2010. Fabrication and characterization of a carbon electrode coated with cation-exchange polymer for the membrane capacitive deionization applications. J. Membr. Sci. 355, 85–90. doi:10.1016/j.memsci.2010.03.010