skripsi - lontar.ui.ac.idlontar.ui.ac.id/file?file=digital/20312214-s43408-sistem...

UNIVERSITAS INDONESIA

SISTEM PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN REAKTOR GLOW

DISCHARGE PLASMA ELECTROLYSIS DALAM LARUTAN KOH -

ETANOL

SKRIPSI

TAHER BATUBARA

0806456865

FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

DEPOK

JUNI 2012

Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012

UNIVERSITAS INDONESIA

SISTEM PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN REAKTOR GLOW

DISCHARGE PLASMA ELECTROLYSIS DALAM LARUTAN KOH –

ETANOL

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana

TAHER BATUBARA

0806456865

FAKULTAS TEKNIK

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

DEPOK

JUNI 2012


iv Universitas Indonesia


v Universitas Indonesia

KATA PENGANTAR

Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas anugerah,

hikmat, dan karunia-Nya saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi

dengan judul “Sistem Produksi Hidrogen Menggunakan Reaktor Glow Discharge

Plasma Electrolysis Dalam Larutan KOH - Etanol“ ini disusun untuk memenuhi

sebagian persyaratan akademis dalam meraih gelar Sarjana Teknik di Departemen

Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia.

Dalam penyusunan skripsi ini saya mendapatkan banyak bantuan dan

bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih

kepada :

1. Bapak Dr. Ir. Nelson Saksono, MT., selaku dosen pembimbing skripsi

atas ide, saran, dan dana untuk menyelesaikan penelitian dan skripsi.

2. Bapak Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA., selaku kepala

Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia.

3. Ibu Eva Fathul Karamah, ST, MT ., selaku pembimbing akademis.

4. Bapak dan Mama adek abang’ yang memberikan dukungan materi, doa,

serta semangat yang selalu mengalir tiada henti kepada penulis.

5. POFT UI (Teman-teman pengurus, TKK, AKK, dan Tim Reg; Franz,

Kristina, Ingrid) atas penghiburan dan pembinaannya.

6. Mbak Tiwi, Mang Ijal, Mas Eko, Mas Taufik serta seluruh staf dosen

dan staf karyawan Teknik Kimia FT UI.

7. Victor Pinontoan selaku rekan penelitian serta rekan-rekan Teknik

Kimia Universitas Indonesia angkatan 2008, yang telah memberikan

dukungan moril dan sukacita dalam mengerjakan skripsi ini.

Semoga makalah ini dapat memberikan manfaat kepada pembacanya. Kritik

dan saran yang membangun penulis terima dengan senang hati.

Depok, 03 Juli 2012

Penulis


vi Universitas Indonesia


vii Universitas Indonesia

ABSTRAK

Nama : Taher Batubara

Program Studi : Teknik Kimia

Judul : Sistem Produksi Hidrogen Menggunakan Reaktor Glow

Discharge Electrolysis Dalam Larutan KOH – Etanol.

Elektrolisis plasma adalah salah satu teknologi yang menghasilkan gas hidrogen

dalam jumlah besar dengan kebutuhan listrik yang rendah. Penelitian ini

dilakukan untuk mendapatkan gas hidrogen dalam jumlah besar dengan konsumsi

listrik yang rendah dengan memvariasikan konsentrasi KOH dan aditif etanol,

tegangan, dan posisi katoda. Penelitian berhasil mendapatkan produksi hidrogen

hingga 55,35 mmol / menit dan konsumsi energi 1,135 kJ / mmol. Proses

elektrolisis plasma akan lebih efektif jika dilakukan pada tegangan tinggi dengan

posisi katoda tercelup hingga ujungnya menyentuh permukaan larutan.

Kata kunci : Hidrogen, oksigen, KOH, elektrolisis plasma, tegangan, katoda

ABSTRACT

Name : Taher Batubara

Study Program : Chemical Engineering

Title : Hydrogen Production System By Glow Discharge Plasma

Electrolysis Reactor with KOH – Etanol Soluton.

Plasma electrolysis is one of the technologies that produce large quantities of

hydrogen gas while lowering demand for electricity. The study did to get high

quantity of hydrogen gas with low power consumption with variation of KOH

concentration and additive ethanol, voltage, and the position of the cathode. The

experiment results obtain the hydrogen production up to 55.35 mmol / min and the

consumption energy of 1.135 kJ / mmol. Plasma electrolysis process more

effective at high voltage and cathode immersed up to its end touching the surface

solution.

Key words : Hydrogen, oxygen, KOH, plasma electrolysis, voltage, cathode


viii Universitas Indonesia

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i

HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ......................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iv

KATA PENGANTAR ............................................................................................... v

HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ................................. vi

ABSTRAK ................................................................................................................. vii

DAFTAR ISI ............................................................................................................. viii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. x

DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

1.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2. Perumusan Masalah ................................................................................. 2

1.3. Tujuan Penelitian ..................................................................................... 2

1.4. Batasan Masalah ...................................................................................... 2

1.5. Sistematika Penulisan ............................................................................. 3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 4 2.1.Hidrogen ......................................................................................................... 4

2.2.Produksi Hidrogen........................................................................................... 4

2.3. Elektrolisis .................................................................................................... 6

2.3.1. Penggunaan Katoda Terhadap Pembentukan Hidrogen....................... 13

2.3.2. Penggunaan Anoda Terhadap Pembentukan Oksigen ........................ 14

2.4. Plasma .......................................................................................................... 15

2.4.1. Jenis Jenis Plasma .............................................................................. 16

2.4.2. Spesi Aktif Plasma Non-Termal ........................................................ 18

2.5. Elektrolisis Plasma ........................................................................................ 20

2.5.1. Larutan Etanol Sebagai Aditif Pada Elektrolisis Plasma Non-

Termal ............................................................................................... 21

2.5.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma

Pijar ................................................................................................... 23

BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................ 31

3.1. Penelititan ................................................................................................ 31

3.2. Alat dan bahan penelitian ......................................................................... 33

3.2.1. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................. 33

3.2.2. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian ................................................. 34

3.2.3. Peralatan Sumber Tegangan .............................................................. 35

3.2.4. Peralatan Pengambilan Data .............................................................. 36

3.2.5. Bahan Larutan Elektrolisis ................................................................ 38

3.3. Variabel penelitian ................................................................................... 38

3.4. Preparasi Bahan ........................................................................................ 39

3.5. Prosedur Penelitian .................................................................................. 39

3.5.1. Prosedur percobaan ........................................................................... 39


ix Universitas Indonesia

3.5.2. Metode Pengujian ............................................................................. 41

3.6. Hasil Uji Peralatan Sistem Produksi Hidrogen ......................................... 43

BAB IV PEMBAHASAN ......................................................................................... 45

4.1. Kondisi Operasi Elektrolisis Plasma ........................................................ 45

4.1.1. Penampilan Dari Elektrolisis Plasma ................................................. 45

4.1.2. Suhu ................................................................................................. 46

4.1.3. Konduktivitas ................................................................................... 47

4.1.4. pH ..................................................................................................... 47

4.1.5. Arus .................................................................................................. 48

4.2. Pengaruh Variabel – Variabel Penelitian ................................................... 49

4.3.1. Penentuan Larutan Uji Berdasarkan Variasi Konsentrasi Etanol ........ 49

4.3.2. Penentuan Larutan Uji Berdasarkan Variasi Konsentrasi KOH .......... 53

4.3.3. Variasi Jarak Katoda Terhadap Permukaan Larutan .......................... 56

4.3.4. Penentuan Kondisi Elektrolisis Plasma Pada Tegangan Tinggi ........... 60

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 65

DAFTAR REFERENSI ........................................................................................... 67

LAMPIRAN ............................................................................................................. 69


x Universitas Indonesia

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Pengaruh Tegangan Terhadap Konsumsi Energi (daya) Pada

Berbagai Elektrolit Dalam Kondisi Konduktivitas = 11,55 mScm-1, Suhu =

337,15 K, Konsentrasi Metanol = 99,5% ..................................................................... 10

Gambar 2.2 Fenomena pembentukan gas Oksigen dan Hidrogen dalam

Elektrolisis. ................................................................................................................ 11

Gambar 2.3. Pengaruh Tegangan Listrik Terhadap Pembentukan Konsentrasi

Radikal OH Berdasarkan Fungsi Waktu Pada Konduktivitas Larutan 4,577

mS/cm dan pH 3,00..................................................................................................... 24

Gambar 2.4 Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan konsentrasi radikal

OH berdasarkan fungsi waktu pada konduktivitas larutan 4,577 mS/cm dan pH

3,00............................................................................................................................. 25

Gambar 2.5. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap G(H2) Dari Larutan Etanol

99,5% Temperatur 303.15 K, Konduktivitas 5.6 mS cm-1

........................................... 26

Gambar 2.6. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap Wr Dari Larutan Etanol

99,5% Temperatur 303.15 K, Konduktivitas 5.6 mS cm-1

............................................ 26

Gambar 2.7. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan G(H2). Temperatur 303.15 K,

Konduktifitas 5.6 mS cm-1

, Tegangan Discharge 1000 V ........................................... 27

Gambar 2.8 Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan Wr. Temperatur 303.15 K,

Konduktifitas 5.6 mS cm-1

, Tegangan Discharge 1000 V ............................................ 28

Gambar 2.9 Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal

Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00 ........................ 28

Gambar 2.10. Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal

Hidrogen Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00 ........................ 29

Gambar 2.11 Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil

Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577

mS/cm ....................................................................................................................... 30

Gambar 3.1. Diagram Alir Riset Keseluruhan ............................................................ 32

Gambar 3.2. Peralatan Reaktor Elektrolisis Plasma Glow Discharge ........................... 34

Gambar 3.3. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian Yang Terdiri Dari 2 Buah

Tabung Pendingin dan 1 Buah Absorber .................................................................... 35

Gambar 3.4. Peralatan Sumber Tegangan ................................................................... 36


xi Universitas Indonesia

Gambar 3.5. Peralatalan Pengambilan Data ................................................................ 37

Gambar 3.6. Konfigurasi Alat Penghasil Gas Hidrogen Dan Oksigen Elektrolisis

Plasma ....................................................................................................................... 38

Gambar 3.7. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda Dengan

Permukaan Larutan .................................................................................................... 40

Gambar 4.1. Pijaran Plasma Dari Larutan KOH Dengan Additif Etanol ..................... 46

Gambar 4.2 Analogi Sirkuit Listrik Dari Resistansi Dalam Sistem Elektrolisis Air ..... 48

Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Laju Alir Gas H2 Pada Konsentrasi 0,05 M

KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol .............................................................. 50

Gambar 4.4. Grafik Perbandingan Energi Yang Dibutuhkan Pada Konsentrasi

0,05 M KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol .................................................. 52

Gambar 4.5. Grafik Laju Alir Gas Hidrogen Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi

KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10% ....................................................................... 53

Gambar 4.6. Grafik Perbandingan Konsumsi Energi Pada Variasi Perbedaan

Konsentrasi KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10% ................................................... 54

Gambar 4.7. Volume Plasma Yang Menghalangi Transfer Elektron Melalui Ion ........ 55



Gambar 4.9. Pijaran Plasma Yang Terbentuk Pada Variasi Jarak Katoda Dengan


Gambar 4.10. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Konsumsi Energi dari

Electrolyzer Pada Variasi Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan ......... 58

Gambar 4.11 Animasi Plasma yang Terbentuk di Reaktor GDPE Pada Variasi

Ketinggian Katoda ..................................................................................................... 59

Gambar 4.12. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Energi Dari Elektrolisis

Plasma Pada Tegangan Tinggi .................................................................................... 60


xii Universitas Indonesia

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Beberapa Proses Pembuatan Gas Hidrogen ................................................. 5

Tabel 2.2. Parameter Kinetika Produksi Hidrogen Dari Berbagai Metal Katoda .......... 12

Tabel 2.3. Parameter Kinetika Produksi Oksigen Dari Berbagai Metal Anoda ............ 12

Tabel 2.4. Warna Plasma Yang Timbul Akibat Adanya Aliran Gas Tertentu .............. 16

Tabel 2.5. Klasifikasi Plasma ..................................................................................... 18

Tabel 2.6. Energi-Energi Foton Dalam Spektrum Elektromagnetik ............................ 19

Tabel 2.7. Komposisi Gas Yang Dihasilkan Dari CGDPE Pada Beberapa

Konenstrasi Etanol Pada Suhu = 303,15 K, Tegangan Discharge = 1000 V,

Konduktivitas = 5,6 mS cm-1

...................................................................................... 20

Tabel 2.8. Produk CGDPE Larutan Etanol (Suhu = 303,15 K, Konduktivitas =

5,6 mS cm-1

). .............................................................................................................. 22

Tabel 2.9 Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma

Glow Discharge (GDPE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur

303.15 K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktivitas 5.6 mS cm-1 ............................. 23

Tabel 2.10. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Anoda Pada Elektrolisis Plasma

Glow Discharge (GDPE) Dengan Variasi Tegangan Dischage. Temperatur 303.15

K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktifitas 5.6 mS cm-1 .......................................... 23

Tabel 4.1 Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma

Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303.15

K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktivitas 5.6 mS cm-1

........................................... 51

Tabel 4.2. Perbandingan Produktifitas Gas Hidrogen Pada Berbagai Variabel

Dalam Percobaan ........................................................................................................ 62

Tabel 4.3. Perbandingan Energi Elektrolisis Plasma Pada Berbagai Variabel

Dalam Percobaan ........................................................................................................ 63


1 Universitas Indonesia

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Hidrogen dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang sangat penting dan

menjanjikan baik dalam industri kimia maupun industri mesin. Hal ini karena

hidrogen memiliki karakteristik kepadatan energi yang tinggi dan emisi yang

rendah ketika dikonsumsi. Hidrogen juga digunakan dalam jumlah besar di

industri kimia dan petroleum sebagai raw material atau sebagai reaktan yang

esensial dalam banyak proses seperti pemurnian minyak, pembuatan metanol,

pembuatan amonia, dll.

Beberapa metode pembuatan gas hidrogen sudah dikembangkan seperti

Steam Reforming, Gasifikasi Biomasa, Gasifikasi Batubara. Pirolisis, dll. Hingga

saat ini, metode pembuatan gas hidrogen diatas masih mengalami kendala.

Kendala utama pengembangan sumber energi alternatif terbarukan ini terletak

pada produksi yang kecil, tingkat keekonomian yang masih jauh di bawah energi

konvensional (energi dari bahan bakar hidrokarbon), dan emisi yang dihasilkan.

Pembuatan hidrogen dengan metode elektrolisis plasma muncul untuk

mengatasi kendala diatas. Teknologi elektrolisis plasma mirip dengan elektrolisis

konvensional, tetapi dilakukan pada tegangan yang cukup tinggi untuk

membentuk bunga api listrik dan plasma pada larutan.

Produktivitas hidrogen yang dihasilkan melalui proses elektrolisis plasma

jauh lebih besar dibandingkan proses elektrolisis Faraday. Pada proses elektrolisis

konvensional, satu mol air dapat menghasilkan satu mol hidrogen dan setengah

mol oksigen pada kondisi suhu 25 oC dan tekanan 1 atm dengan perubahan

entalphi ( sebesar 285,83 kJ (Chaffin dkk, 2006).

Elektrolisis plasma dengan menggunakan larutan KOH 0,1 M pada suhu 85

oC dan tegangan 300 V, mendapatkan peningkatan produksi hidrogen hingga 13,4

kali lebih besar dibanding proses elektrolisis Faraday untuk jumlah energi listrik

yang sama (Saksono dan Bismo, 2010).


2

Universitas Indonesia

Penelitian terhadap elektrolisis plasma terus dikembangkan untuk

mendapatkan produksi hidrogen yang lebih besar dengan konsumsi energi yang

rendah. Yan (2008) mendapatkan bahwa tegangan dan konsentrasi elektrolit

berpengaruh terhadap produksi H2 dan konsumsi energi pada Glow Discharge

Plasma Electrolysis. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan produksi

hidrogen yang lebih besar dengan konsumsi energi yang rendah dengan mengatur

sedemikian rupa tegangan, konsentrasi larutan dan konfigurasi reaktor Glow

Discharge Plasma Electrolysis. Diharapkan penelitian ini akan mendapatkan

produksi hidrogen terbaik pada tegangan yang lebih tinggi dan konduktivitas

larutan yang rendah.

1.2. Perumusan Masalah :

Ruang lingkup masalah yang akan diselesaikan pada tulisan ini diantaranya

adalah :

1. Bagaimana pengaruh tegangan terhadap produksi gas hidrogen dan konsumsi

energi dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis.

2. Bagaimana pengaruh konsentrasi KOH dan etanol terhadap produksi gas

hidrogen dan konsumsi energi dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis.

3. Bagaimana pengaruh kedalaman katoda terhadap produksi hidrogen dan

konsumsi energi di proses Glow Discharge Plasma Electrolysis.

1.3. Tujuan Penelitian :

Tujuan penelitian yang dilakukan adalah untuk menguji dan mengetahui

hubungan tegangan, konsentrasi KOH-etanol, serta kedalaman katoda terhadap

kinerja dan produktivitas Glow Discharge Plasma Electrolysis dalam

memproduksi hidrogen.

1.4. Batasan Masalah :

Dalam makalah ini, pembahasan akan dibatasi pada :

a. Larutan elektrolit yang digunakan adalah KOH dengan aditif etanol.

b. Elektroda yang digunakan adalah logam Stainless steel (Anoda) dan

Tungsten (Katoda).


3


c. Variabel bebas yang divariasikan meliputi tegangan, konsentrasi larutan

kalium hidroksida (KOH), konsentrasi aditif etanol, dan kedalaman katoda.

d. Produktivitas proses Glow Discharge Plasma Electrolysis hanya dilihat pada

jumlah H2 dan O2 yang dihasilkan dan energi listrik yang dibutuhkan.

1.5. Sistematika Penulisan :

Sistematika penulisan dalam makalah skripsi ini dilakukan dengan

membagi tulisan menjadi tiga bab utama, yaitu :

BAB I : PENDAHULUAN

Meliputi latar belakang penelitian dan penulisan, perumusan

masalah yang dibahas, tujuan dilakukannya penelitian, ruang

lingkup penelitian, serta sistematika penulisan makalah ini.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tinjauan pustaka yang menjadi dasar penelitian yang

meliputi plasma, elektrolisis konvensional, elektrolisis plasma,

penggunaan etanol sebagai aditif larutan.

BAB III : METODE PENELITIAN

Berisi diagram alir penelitian, peralatan percobaan, bahan

percobaan dan prosedur penelitian yang di dalamnya

menjelaskan mengenai langkah-langkah yang dilakukan untuk

mencapai tujuan penelitian.

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi hasil dari penelitian yang telah dilakukan

berdasarkan prosedur yang tertera di Bab III. Dalam bab ini

juga terdapat analisis dan pembahasan dari hasil penelitian yang

telah diperoleh.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi rangkuman keseluruhan atau kesimpulan dari penelitian

yang telah dilakukan, serta mengacu pada hasil yang telah

diperoleh.

DAFTAR PUSTAKA


4


BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Hidrogen

Hidrogen adalah unsur kimia yang memiliki simbol H dan nomor atom 1.

Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat

non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah

terbakar pada konsentrasi serendah 4 % di udara bebas. Dengan massa atom

1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen berasal dari

bahasa Yunani yaitu Hydro = air dan genes = pembentukan sehingga hidrogen

bisa disebut sebagai unsur pembentuk air.

Menurut American Nuclear Society (Juni 2012), kebutuhan dunia akan

hidrogen sangat besar yaitu sekitar 5 juta ton per tahun. Hidrogen sebesar ini

diperlukan dalam proses kimia seperti mengikat nitrogen dengan unsur lain dalam

proses Haber bosch, produksi metanol, bahan bakar roket, memproduksi asam

hidroklorida, mereduksi bijih-bijih besi dan sebagai gas pengisi balon, bahan

bakar alternatif, pembentuk amonia, serta bahan oil refining dan oil upgrading.

Hidrogen merupakan elemen paling melimpah di bumi (sepersepuluh

masa bumi), namun sangat jarang ditemukan dalam bentuk H2. Karena hidrogen

di bumi sangat jarang ditemukan dalam bentuk H2, maka dilakukanlah produksi

hidrogen untuk mencukupi kebutuhan hidrogen dunia. Pada prinsipnya, hidrogen

bisa diperoleh dengan memecah senyawa yang paling banyak mengandung unsur

hidrogen.

2.2. Produksi Hidrogen

Di awal perkembangan teknologi industri dengan menggunakan mesin,

produksi hidrogen masih menggunakan hidrokarbon sebagai bahan utamanya.

Metode untuk memproduksi hidrogen terus berkembang. Hidrogen dapat

diproduksi dari berbagai bahan baku dan menggunakan beberapa teknologi

seperti pada Tabel 2.1. di bawah.


5


Tabel 2.1. Beberapa Proses Pembuatan Gas Hidrogen.

Metode Proses Bahan Baku Energi Emisi

Thermal

Steam

Reforming

Gas alam,

hidrokarbon

ringan

Steam bersuhu tinggi Emisi gas rumah

kaca

Gasifikasi

Batubara,

Hidrokarbon

berat

Steam dan oksigen

pada tekanan dan

suhu tinggi

Emisi gas rumah

kaca

Autotermal

Reformation

(Oksidasi

Parsial)

Gas Alam,

Hidrokarbon

ringan.

Steam yang

dibangkitkan dengan

panas proses eksoterm

Emisi gas rumah

kaca

Catalytic

Reforming.

Naptha dari

oil refining

Panas dari proses oil

refiining

Emisi gas rumah

kaca

Pirolysis Biomassa Steam bersuhu tinggi Emisi gas rumah

kaca

Thermochemical

Water Splitting Air Panas bersuhu tinggi Tidak ada emisi

Elektrokimia

Elektrolisis Air Listrik dari energi

yang terbarukan Tidak ada emisi

Elektrolisis Air

Listrik dari bahan

bakar fosil

Emisi gas rumah

kaca dan emisi

lain dari bahan

bakar fosil

Thermal

Catalytic Dry

Reformation

Metana, air,

gas landfill

Panas (dari energi

matahari atau sumber

panas lain)

Emisi gas rumah

kaca (tergantung

dari feedstok)

Disosiasi Plasma Biomassa,

gas alam

Lisrik (plasma

discharge) Tidak ada emisi

Byproduct Recovery

Recover H2 dari berbagai proses

(Tidak ada

umpan spesifik untuk

produksi

hidrogen)

Energi incremental untuk gas clean up

dan compressi

Tidak ada emisi

Biologi

Photobiologi Air dan alga Sinar matahari Tidak ada emisi

Pencernaan

anaerobik Biomassa

Steam bertemperatur

tinggi

Emisi gas rumah

kaca dan emisi

lain

Fermentasi

mikroorganisme Biomassa

Steam bertemperatur

tinggi

Emisi gas rumah

kaca dan emisi

lain

Sumber : (Sustainable Development Technology Canada. (2006, November).

Renewable Fuel — Hydrogen, SD Business Case™. Canada : Author. “ telah

diolah kembali”)


6


Proses termal seperti pada tabel diatas mampu menghasilkan hidrogen

dalam jumlah yang besar, namun terkendala pada energi yang digunakan dan

emisi yang dihasilkan. Proses elektrokimia tidak menghasilkan emisi namun

jumlah hidrogen yang dihasilkan sedikit. Sedangkan proses biologi menghasilkan

jumlah hidrogen yang sedikit dan penerapannya hanya bisa dilakukan dalam skala

kecil. Berkembangnya sistem produksi energi yang ramah lingkungan membuat

proses elektrolisis terus dimodifikasi agar menghasilkan hidrogen yang lebih

besar.

2.3. Elektrolisis

Elektrolisis adalah metode pemecahan molekul-molekul air menjadi atom-

atom penyusunnya (hidrogen dan oksigen) dengan menggunakan arus listrik yang

melewati 2 kutub elektroda. Teknologi elektrolisis yang umum digunakan adalah

elektrolisis berbasis alkali (menggunakan larutan alkali).

Pada elektrolisis, sebuah sumber listrik dihubungkan dengan dua elektroda

atau 2 plat (umumnya terbuat dari platina atau kabon) yang diletakkan di dalam

suatu larutan. Setelah proses dijalankan, maka air akan terpisah menjadi hidrogen

dan oksigen. Hidrogen akan terkumpul di katoda (elektroda negatif) dan oksigen

akan terkumpul pada anoda (elektoda positif). Gas hidrogen yang dihasilkan

jumlahnya dua kali lipat dari gas oksigen yang dihasilkan dan keduanya

proporsional dengan total energi listrik yang dialirkan melalui air.

Melalui proses elektrolisis, idealnya satu mol air dapat menghasilkan satu

mol hidrogen dan setengah mol oksigen pada suhu 25 oC dan 1 atm. Perubahan

entalphi yang terjadi adalah 285,83 kJ sedangkan perubahan entropi ( T ΔS ) yang

terjadi adalah 48,7 kJ. Energi yang diperlukan (disediakan oleh energi listrik dari

luar sistem) untuk mengelektrolisis air hanya energi bebas Gibbs saja sebab

perubahan entropi dapat diperoleh dari lingkungan. Oleh karena itu, energi yang

dibutuhkan menjadi :

ΔG = ΔH – TΔS (2.1)

Energi istrik yang diperlukan untuk elektrolisis adalah 231,7 kJ / mol H2

produk. Energi dalam jumlah yang cukup besar ini digunakan untuk mengatasi

berbagai hambatan (energi aktivasi, resistansi listrik, resistansi transport dan


7


resistansi reaksi kimia). Tanpa kelebihan energi, elektrolisis dari air murni akan

berlangsung lambat. Hal ini disebabkan oleh kestabilan air secara termokimia

yang menyebabkan susahnya air untuk terionisasi sendiri.

Berdasarkan hasil eksperimennya, Michael Faraday menemukan beberapa

kaidah perhitungan elektrolisis yang dikenal dengan hukum Faraday.

Hukum I Faraday

“Massa zat terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding dengan

kuat arus / arus listrik yang mengalir pada elektrolisis tersebut”.

Hukum II Faraday

“Setiap larutan mendapatkan arus listrik yang sama sehingga dari setiap

larutan akan dihasilkan massa zat yang akan sebanding dengan berat ekivalen

masing-masing zat tersebut”.

Arus listrik satu Faraday (1 F) didefinisikan sebagai jumlah arus listrik yang

terdiri dari 1 mol elektron. Untuk menghitung jumlah zat-zat yang terbentuk di

katoda dan di anoda, hukum Faraday dirumuskan sebagai berikut :

W = e . F (2.2)

Dengan : W = massa hasil elektrolisis (gram)

e = massa ekuivalen hasil elektrolisis

F = jumlah arus lisrik ( Faraday )

(2.3)

( (

F

(2.4)

, (2.5)

Subsitusi Persamaan (2.2), (2.4), dan (2.5), didapatkan :

(2.6)

Atau untuk lebih mudah, sering digunakan


8


(2.7)

Dengan : i = kuat arus ( ampere )

t = waktu lamanya elektrolisis (detik)

Berdasarkan hukum Faraday II diperoleh persamaan :

(2.8)

Dengan : m = massa zat ( gram)

e = berat ekivalen =

Perhitungan lebih mudah jika dilakukan dalam satuan mol, persamaan di

atas bisa dimodifikasi menjadi :

(2.9)

Laju alir produksi hidrogen dan oksigen dihitung dari persamaan berikut :

Untuk Hidrogen :

(2.10)

Untuk Oksigen :

(2.11)

Elektrolisis air tidak dapat mengkonversi 100 % energi listrik menjadi

energi kimia pada hidrogen. Proses ini membutuhkan energi yang jauh lebih besar

untuk mengaktifkan air agar dapat terionisasi. Jumlah energi yang diperlukan ini

tidak sebanding dengan jumlah hidrogen yang dihasillkan. Dengan menggunakan

metode elektrolisis biasa hanya sekitar 4 % produksi hidrogen yang dihasilkan

dari air murni.

Proses elektrolisis akan lebih baik jika menggunakan larutan elektrolit.

Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan listrik. Larutan

elektrolit dibagi menjadi tiga golongan :

a. Asam , seperti asam sulfat (H2SO4), asam nitrat (HNO3), asam klorida

(HCl), Asam karboksilat (CH3COOH) , Asam Format (HCOOH), Asam

Florida (HF), Asam Karbonat (H2CO3).


9


b. Basa , seperti natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH),

barium hidroksida [Ba(OH)2], Ammonium Hidroksida (NH4OH), metanol,

etanol.

c. Garam : hampir semua senyawa kecuali garam merkuri, K2CO3.

Karakter elektrolit yang baik dalam elektrolisis lebih ditekankan pada

mudah menghantarkan arus listrik serta karakter korosi yang dimilikinya.

Dengan tujuan untuk meningkatkan konduktivitas larutan, elektrolit yang

terdiri dari ion-ion dengan mobilitas tinggi secara umum digunakan di

elektrolizer. Kalium Hidroksida adalah garam yang secara umum digunakan

dalam elektrolisis air karena dapat mencegah korosi besar-besaran yang

disebabkan oleh elektron.

Selain itu dengan menggunakan larutan KOH, kemungkinan produksi

hidrogen bisa ditingkatkan. Hal ini dikarenakan KOH dapat menyebarkan muatan

listrik karena fungsinya sebagai zat dielektrikum, sehingga proses pemecahan air

menjadi radikal-radikal yang selanjutnya bereaksi lanjut menghasilkan hidrogen

dan oksigen menjadi optimal. Selain itu kalium berbeda dengan natrium yang

tidak terurai selama proses elektrolisis, sehingga peran KOH dalam meningkatkan

konduktivitas larutan tidak hilang selama reaksi.

Energi yang dikonsumsi pada proses elektrolisis plasma menggunakan

larutan KOH lebih rendah dibandingkan dengan energi yang dikonsumsi oleh

larutan NaOH dan H2SO4 seperti pada Gambar 2.1. Hal ini menyebabkan

elektrolisis menggunakan larutan KOH lebih disukai daripada menggunakan

larutan NaOH dan H2SO4.


10


Gambar 2.1. Pengaruh Tegangan Terhadap Konsumsi Energi (daya) Pada Berbagai Elektrolit

Dalam Kondisi Konduktivitas = 11,55 mScm-1, Suhu = 337,15 K, Konsentrasi Metanol = 99,5 %

Sumber : (Yan dkk, 2009)

Pada saat aliran listrik mengalir dalam larutan elektrolit KOH akan terjadi

reaksi 2.12.

.

Reaksi reduksi terjadi pada air yang terdapat pada katoda yang bermuatan

negatif dengan elektron (e-) dari katoda. Kemungkinan reaksi reduksi yang terjadi

di katoda adalah reduksi air dan reduksi ion K+.

2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2 OH

-(aq) E

o = - 0,83 V (2.13)

K+

(aq) + e K(s) Eo = - 2,92 V (2.14)

Pada elektrolisis larutan yang mengandung ion-ion golongan IA (Na+, K

+),

ion-ion tersebut tidak tereduksi pada katoda tetapi air yang mengalami reduksi

karena potensial reduksi air lebih besar dari potensial reduksi K.

Kemungkinan reaksi oksidasi yang terjadi di anoda adalah oksidasi ion OH-

dan oksidasi air.

2H2O 4H+

+ O2 + 4e- E° = -1.23 V (2.15)

4OH-(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4 e

- E° = -0.40 V (2.16)

Tegangan (V)

KOH (aq) K+ + OH

- (2.12)

Ko

nsu

msi

En

ergi

(kJ

/ L

)


11


Oleh karena potensial oksidasi OH- lebih besar dari potensial oksidasi H2O,

maka oksidasi OH- lebih mudah berlangsung.

Elektrolisis larutan KOH akan menghasilkan gas hidrogen di katoda dan

menghasilkan gas oksigen di anoda seperti reaksi di bawah ini :

Katoda (reduksi) : 2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2 OH

-(aq) (2.17)

Anoda (oksidasi) : 4OH-(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4 e

- (2.18)

Reaksi total : ( ( ( (2.19)

Eo = -1,23 V ; ΔH = 285, 83 kJ / mol

Proses ionisasi dan pembentukan gas hidrogen dan oksigen pada elektrolisis

dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 2.2. di bawah.

Gambar 2.2. menunjukkan bahwa di katoda air akan terpisah menjadi gas

H2 dan ion OH-. Ion OH

- akan bersirkulasi dari katoda menuju anoda dalam

medan listrik yang disediakan oleh sumber daya. Ion OH- akan menuju

permukaan anoda dan membentuk gelembung oksigen. Peristiwa pembentukan

oksigen akan menghasilkan elektron. Elektron ini akan bermigrasi menuju katoda

yang akan dipakai untuk memecah kembali air menjadi ion OH- dan H2.

Gambar 2.2. Fenomena Pembentukan Gas Oksigen dan Hidrogen Dalam Elektrolisis.

Sumber : (Ursúa dkk , 2012)


12


Kinetika dari pembentukan hidrogen dan oksigen akan sangat bervariasi

pada tiap-tiap elektroda. Zeng, K & Zhang D (2010) mengatakan bahwa laju

reaksi elektrolisis dapat ditentukan dari arus atau densitas arus. Pletcher, D & Li,

X (2011) mengatakan bahwa laju dari reaksi pembentukan hidrogen dan oksigen

dalam elektrolisis plasma dapat dideskripsikan dengan persamaan Tafel

(Persamaan 2.25).

| | |

| (2.25)

Dengan :

= Densitas arus

= adalah pertukaran densitas arus (dengan kata lain densitas arus yang

sama dari parsial anoda dan katoda pada kesetimbangan potensial).

= overpotensial yang digunakan ( = E - )

= Tafel slope. Nilai tafel slope akan berbeda pada suhu dan densitas

arus yang berbeda seperti pada Tabel 2.2. dan Tabel 2.3.

Tabel 2.2. Parameter Kinetika Produksi Hidrogen Dari Berbagai Metal Katoda.

Material Metal

Elektrolit Suhu

(oC)

(Am

-2)

Tafel Slope

(mV)

Ni 1 M NaOH 20 1,1 x 10-2

121

Fe 2 M NaOH 20 9,1 x 10-2

133

Pb 6 N NaOH 25 4 x 10-2

121

Zn 6 N NaOH 25 8,5 x 10-6

124

Co 0,5 M NaOH 25 4,0 x 10-3

118

Pt 0,1 N NaOH 22 4,0 105

Au 0,1 N NaOH 25 4,0 x 10-2

120

Sumber : (Zeng, K & Zhang D, 2010)

Tabel 2.3. Parameter Kinetika Produksi Oksigen Dari Berbagai Metal Anoda.

Metal Elektrolit Suhu

(oC)

io

(Am-2

)

Tavel Slope

(mV)

Pt 30% KOH 80 1,2 x 10-5 46

Ir 1 N NaOH N/A 1,0 x 10-7 40

Rh 1 N NaOH N/A 6,0 x 10-8 42

Ni 50% KOH 90 4,2 x 10-2 95

Co 30% KOH 80 3,3 x 10-2 126

Fe 30% KOH 80 1,7 x 10-1 191



13


Selain dikenali dari densitas arus nya, laju reaksi dari elektroda juga

dipengaruhi oleh :

1. Kondisi atau properties dan perlakuan pada permukaan elektroda.

2. Laju reaksi dipengaruhi oleh komposisi larutan elektrolit yang berdekatan

dengan elektroda. Ion tersebut dalam larutan dekat elektroda dengan layer/

batasan di bawah pengaruh elektroda diketahui sebagai double layer.

Sebagai contoh untuk katoda, muatan layer dibentuk dari ion hidroksil dan

ion kalium berdasarkan muatan elektroda seperti di Persamaan (2.13) dan

(2.14).

3. Laju alir yang bergantung dari elektroda potensial, dikenali dari reaksi

overpotensial.

2.3.1. Penggunaan Katoda Terhadap Pembentukan Hidrogen.

Mekanisme dari pembentukan hidrogen di katoda secara luas diterima

sebagai multiple reaction yang melibatkan pembentukan hidrogen teradsorbsi:

(2.26)

Yang selanjutnya diikuti dengan desorpsi kimia.

(2.27)

Atau desorpsi elektrokimia

(2.28)

Dengan huruf kecil “ads” menunjukkan status “adsorbed”.

Adalah penting untuk mengetahui tahap penentu laju (rate determining

step) dalam reaksi pembentukan hidrogen di atas. Jika adsorpsi hidrogen pada

Persamaan 2.26 adalah tahap penentu laju (rate determining step), maka

penggunaan material elektroda dengan banyak tepi atau berlubang-lubang akan

membuat lebih banyak pusat elektrolisis untuk adsorpsi hidrogen. Jika desorpsi

hidrogen pada Persamaan 2.27 dan Persamaan 2.28 adalah tahap penentu laju,

maka penggunaan material dengan properties seperti kekasaran permukaan

atau perforasi akan meningkatkan area reaksi dan mengurangi pertumbuhan


14


gelembung sehingga akan meningkatkan laju elektrolisis. Peningkatan

tegangan juga akan membuat laju adsorpsi akan lebih besar dari laju desorpsi,

sehingga Persamaan 2.26 akan menjadi tahap penentu laju (Zeng, K & Zhang

D, 2010). Pembentukan hidrogen juga dipengaruhi oleh properties elektroda,

jenis dan konsentrasi elektrolit serta suhu reaksi

Penelitian terhadap katoda selama ini masih bertahan di stabilitas

termal dan stabilitas penampakan elektroda (terang, warna, permukaan). Di

samping korosi, elektroda akan mengalami perubahan permukaannya pada

kondisi ; absorpsi hidrogen dalam struktur katalis ; adsorpsi organik dari

kotoran-kotoran dalam air atau elektrolit ; atau ekstraksi dari komponen

komponen dalam reaktor – seperti polimer atau membran) menuju ke

permukaan katalis ; dan endapan dari metal di permukaan katoda (misalnya

besi).

2.3.2. Penggunaan Anoda Terhadap Pembentukan Oksigen.

Mekanisme reaksi pembentukan oksigen lebih komplek jika

dibandingkan dengan reaksi yang disarankan untuk pembentukan hidrogen.

Beberapa teori yang disajikan dan didiskusikan dalam literatur dan

mekanismenya diterima secara umum melibatkan tahapan sebagai berikut :

(2.29)

(2.30)

(2.31)

Salah satu tahapan perpindahan muatan dalam anoda adalah laju

pengontrol (rate controlling). Jika Persamaan 2.29 adalah tahap penentu laju,

maka reaksi akan berlangsung dalam suhu rendah. Jika Persamaan 2.31 adalah

tahap penentu laju, maka reaksi akan berlangsung dalam suhu tinggi pada

elektroda nikel (Zeng, K & Zhang D, 2010).


15


Arus listrik langsung (DC) digunakan unuk menjaga keseimbangan muatan

dan aliran elektron dari sumber arus DC (terminal negatif) ke katoda ketika

elektron digunakan oleh ion hidrogen (proton) untuk membentuk hidrogen. Untuk

menjaga muatan listrik (valensi) dalam keadaan seimbang, ion hidroksida (anion)

mengalir melalui larutan elektrolit menuju anoda, yang mana ion hidroksida ini

memberikan kembali elektron. Elektron ini akan kembali ke terminal positif dari

sumber DC (Ursúa dkk, 2012).

Akan tetapi elektrolisis air yang digunakan sebagai metode untuk

menghasilkan hidrogen sampai saat ini mempunyai kelemahan yang cukup

signifikan yaitu rendahnya konversi yang dihasilkan dari proses elektrolisis dan

kebutuhan arus listrik yang tinggi saat operasi sedang berlangsung

2.4. Plasma

Plasma dapat dikategorikan sebagai bentuk ke-empat dalam klasifikasi

material selain padat, cair, dan gas karena plasma memiliki bentuk seperti gas,

namun plasma memiliki konduktivitas yang cukup tinggi dalam daerah

elektromagnetiknya sama seperti padatan dan cairan. Plasma dapat didefinisikan

sebagai gas yang terionisasi sebagian dalam perbandingan antara elektron bebas

dibandingkan dengan yang terikat pada atom atau molekul. Plasma juga memiliki

kemampuan untuk mengeluarkan arus positif dan negatif sehinga sangat

konduktiv dan terpengaruh dengan medan magnet.

Plasma adalah aliran gas terionisasi, yang merupakan campuran dari

elektron, ion dan partikel netral, namun muatan keseluruhannya adalah netral.

Pada keadaan ini, gas mempunyai viskositas seperti liquid pada tekanan

atmosferik dan muatan listrik bebas memberikan konduktivitas listrik relatif

tinggi yang besarnya mendekati konduktivitas logam. Tingkat ionisasi plasma

adalah proporsi dari atom-atom yang kehilangan atau mendapatkan elektron dan

biasanya dikendalikan oleh suhu.

Teknologi plasma melibatkan pembentukan bunga api listrik dengan

melewatkan arus listrik melalui suatu gas dalam proses yang disebut pemutusan

listrik (electrical breakdown). Sejumlah panas dalam jumlah yang signifikan


16


dihasilkan oleh tahanan listrik sepanjang sistem. Panas ini mengambil elektron

dari molekul-molekul gas menghasilkan suatu aliran gas yang terionisasi atau

plasma (Gomez dkk, 2009). Gas yang mengalir ini akan membuat plasma tampak

berwarna. Setiap gas yang terionisasi dan membentuk plasma akan menghasilkan

warna tersendiri seperti pada Tabel 2.4.

Tabel 2.4. Warna Plasma Yang Timbul Akibat Adanya Aliran Gas Tertentu.

Gas yang mengalir Warna plasma yang timbul

CF4 Biru

SF6 Biru putih

H2 Merah muda

O2 Kuning pucat

Ne Merah bata

Ar Merah tua

N2 Merah menuju kuning

CO2 Keputihan atau biru-putih yang cukup terang

Udara Ungu kemerahmudaan dan makin cerah jika arus

bertambah

Sumber : Barros, 2008; http://www.plasma.de/en/glossary-entry-486.html.

2.4.1. Jenis – jenis plasma

Jenis-jenis plasma yang digunakan dalam proses-proses industri

meliputi plasma termal dan plasma non-termal.

Plasma termal (plasma suhu tinggi): densitas energi tinggi, kesamaan

suhu antara partikel berat (atom, molekul, ion) dan elektron. Karena

mobilitas yang jauh lebih tinggi, energi yang diberikan kepada plasma

ditangkap oleh elektron yang dipindahkan ke partikel-partikel berat

dengan tumbukan elatis.

Jika densitas jumlah elektron tinggi dikaitkan dengan operasi pada

tekanan atmosferik, maka frekuensi tumbukan elastis sangat tinggi dan

kesetimbangan termal tercapai dengan cepat. Plasma termal

membutuhkan listrik dengan tegangan yang sangat tinggi (>1kW) yang

menyebabkan kenaikan suhu pada elektron yang sangat tinggi dan


17


membuat spesi netral menjadi 5.000 – 10.000 K. Oleh karena itu

diperlukan pendingin untuk mencegah elektroda menguap pada suhu

setinggi itu (Bromberg dkk, 1999). Contoh plasma termal adalah plasma

dari arus DC atau radio frequency (RF) inductively coupled discharges

(Kogelschatz, 2004).

Plasma non-termal (plasma dingin): densitas energi lebih rendah,

terdapat perbedaan suhu besar antara elektron dan partikel yang lebih

berat. Elektron dengan energi yang cukup bertumbukan dengan gas latar

(background) menghasilkan disosiasi, eksitasi dan ionisasi tingkat

rendah tanpa peningkatan entalpi gas yang cukup besar. Hasilnya, suhu

elektron melampaui suhu partikel-partikel berat hingga beberapa derajat

perpangkatan dan karenanya memungkinkan untuk mempertahankan

suhu keluaran (discharge) pada suhu yang jauh lebih rendah, bahkan

pada suhu ruang. Plasma jenis ini menghasilkan spesi-spesi aktif yang

lebih beragam, dan atau lebih besar energinya dibandingkan dengan

spesi yang biasa dihasilkan pada reaktor kimia. Plasma jenis ini

dihasilkan dalam berbagai jenis seperti pancaran pijar (glow discharge),

corona discharge, dan dielectric barrier discharge yang mempunyai

densitas energi berkisar antara 10-4

hingga puluhan watt per cm-3

. (Roth,

2001). Pada plasma non-termal ini hanya elektron yang bersuhu tinggi

(>5000K), sedangkan suhu bulk tidak naik secara signifikan (Yan dkk,

2006). Karena hanya elektron yang tereksitasi, sehingga energi

dibutuhkan hanya beberapa ratus Watt daya listrik (T. Paulmier dan L.

Fulcheri, 2005).

Plasma non-termal dikatakan sebagai plasma non-equilibrium karena

suhu bulk-nya berbeda jauh dengan suhu elektron. Oleh karena itu,

plasma jenis ini lebih cocok digunakan mengingat suhu kerjanya berada

tidak jauh dari temperatur ruang, selain itu plasma non-termal ini

menghasilkan spesi-spesi radikal yang membuat mekanisme reaksi tidak

seperti biasanya, yaitu pengaktifan reaksi dengan pemanasan.


18


Klasifikasi plasma berdasarkan perbedaan temperatur elektron, ion , dan

neutron nya seperti penjelasan diatas secara ringkas dapat dibuat kedalam

Tabel 2.5.

Tabel 2.5. Klasifikasi Plasma

Plasma Keadaan Contoh

Plasma Temperatur Tinggi

(Equilibrium Plasma)

Te = Ti = Th, Tp = 106-

108 K, ne ≥ 10

20 m

-3

Laser Fusion Plasma

Plasma Temperatur

Rendah

(Quasi – Equilibrium

Plasma)

Te ≈ Ti ≈ Th, Tp = 2x103 – 3x10

4 K, ne ≥

1020

m-3

Arc plasma ; Atmospheric RF

discharge

Plasma Non Termal

(Non – Equilibrium

Plasma)

Te≥Th, Tp ≈ 3 x 102 –

4x102 K, ne ≈ 10

10 m

-3

Corona Discharge,

Contact Glow Discharge, DBD,

Microwave Plasma

Keterangan ; Te = Temperature electron, Ti = Temperature ion, Th = Temperatur

neutron, Tp = Temperatur plasma, ne= densitas elektron.

Sumber : (Huang & Tang, 2007)

2.4.2. Spesi Aktif Plasma Non-Termal

Spesi aktif yang dihasilkan plasma biasanya dihasilkan dalam jumlah

yang lebih besar dan mencapai konsentrasi yang lebih tinggi daripada spesi

yang sama yang dihasilkan dalam reaktor kimia konvensional. Spesi aktif ini

biasanya dihasilkan dari discharge pijar (torc) atau plasma pancaran (arc) yang

terdiri dari foton, spesi netral, dan partikel bermuatan (Roth, 2001).

Foton

Foton dihasilkan dalam spektrum panjang gelombang yang luas pada

spektrum elektromagnetik seperti disarikan dalam Tabel 2.6 di bawah.

Dalam spektrum elektromagnetik infra merah, energi foton infra merah

terlalu rendah untuk berinteraksi dengan gas kerja dan membangkitkan

radiasi dari plasma. Foton jenis ini mengandung energi di bawah 1,7 eV

dan kebanyakan mempunyai efek umum yang sama dengan dinding

panas atau reaksi-reaksi kimia biasa. Foton sinar tampak mempunyai

energi yang lebih besar, berkisar antara 1,6 sampai 3,3 eV. Foton ini


19


dapat memutuskan beberapa ikatan molekular dan mengeksitasi atom-

atom dengan resonansi pada spektrum tampak. Foton ultraviolet lebih

tinggi energinya, berkisar dari 3,1 sampai 95 eV, dan dapat mengionisasi

dan mengeksitasi atom-atom, menggunting molekul-molekul

hidrokarbon panjang, dan memutus ikatan-ikatan molekular membentuk

potongan-potongan molekular yang lebih kecil.

Tabel 2.6. Energi-Energi Foton Dalam Spektrum Elektromagnetik

Daerah Spektral Kisaran panjang

gelombang (nm)

Kisaran Energi (eV)

Infra merah 730 ≤ λ ≤ 106 0,00124 ≤ E’ ≤ 1,70

Tampak 380 ≤ λ ≤ 730 1,59 ≤ E’ ≤ 3,26

Ultraviolet 13 ≤ λ ≤ 397 3,12 ≤ E’ ≤ 95,3

Sumber : (Roth, 2001)

Spesi Netral

Melalui tumbukan elektron netral dan reaksi kimia dalam plasma,

plasma dapat menghasilkan beberapa jenis spesi-spesi netral aktif yang

mempunyai energi dan mampu berinteraksi dengan permukaan.

Diantaranya adalah atom-atom reaktif; spesi-spesi atomik yang sangat

reaktif secara kimiawi seperti H, O, F, Cl, dan lain-lain; monomer yang

membentuk cabang-cabang polimerik pada permukaan yang

disentuhnya; potongan-potongan molekular yang relatif ringan, yang

dapat membentuk senyawa kompleks pada permukaan dan atau

mendorong pencabangan atau cross-linking molekul-molekul yang dekat

permukaan; atom tereksitasi atau kondisi molekular, dimana eksitasi

elektron orbital membuat spesi-spesi menjadi lebih reaktif secara

kimiawi daripada keadaan normal; radikal bebas, potongan molekular

yang dihasilkan dalam plasma dengan sekurang-kurangnya satu elektron

yang tidak berpasangan. Semua spesi aktif ini dapat berinteraksi kuat

dengan permukaan.


20


2.5. Elektrolisis Plasma.

Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi glow discharge plasma sudah

dikembangkan secara pesat. Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE)

merupakan jenis proses elektrokimia yang plasmanya di sokong oleh arus DC

antara elektroda dan permukaan elektrolit.

Fenomena plasma dalam elektrolisis plasma terjadi karena elektrolisis

plasma dilakukan pada tegangan tinggi yang menyebabkan loncatan bunga api

listrik di dalam larutan. Loncatan bunga api listrik ini disebabkan adanya elektron

yang tereksitasi pada larutan yang mempunyai konduktivitas yang cukup tinggi

Karena plasma terbentuk di dalam uap larutan yang berada di sekitar

elektroda, komposisi larutan dapat mempengaruhi reaksi plasma di gas selama

Glow Discharge Plasma Electrolysis (GDPE) berlangsung. Contohnya adalah

perbedaan komposisi penambahan etanol dalam larutan terhadap produksi gas H2

dan gas produk lainnya pada Tabel 2.7. (Yan, 2008).

Tabel 2.7. Komposisi Gas Yang Dihasilkan Dari CGDE Pada Beberapa Konenstrasi Etanol

Pada Suhu = 303,15 K, Tegangan Discharge = 1000 V, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1.

Konsentrasi

Etanol

(V%)

H2

(mol%)

CO

(mol%)

CH4

(mol%)

C2H6

(mol%)

C3H8

(mol%)

CO2

(mol%)

C4H10

(mol%)

99,5 81,28 4,68 5,29 2,06 5,23 0,00 1,46

75 81,76 5,03 4,21 2,70 4,85 0,00 1,45

40 83,13 5,20 4,06 2,98 2,90 0,69 1,04

15 84,02 5,61 3,41 3,10 1,30 1,65 0,91

10 85,22 5,74 3,32 2,48 0,54 2,07 0,63

5 85,32 6,03 2,59 2,17 0,20 3,23 0,46

Sumber : (Yan, 2008)

Jumlah oksigen dan hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis plasma

melebihi hukum Faraday (elektrolisis konvensional). Biasanya pembentukan

plasma dapat dibentuk jika tegangan ditingkatkan hingga 140 V pada suhu yang

tinggi (Hickling dan Ingram, 1964).

Produksi hidrogen dalam larutan KOH 0,1 M pada suhu 85 oC dan

tegangan 300 V, mengalami peningkatan hingga 13,4 kali lebih besar dibanding


21


proses elektrolisis Faraday untuk jumlah energi listrik yang sama (Saksono dan

Bismo, 2010).

Proses elektrolisis plasma pada dasarnya adalah proses elektrolisis, namun

dengan menaikkan tegangan elektroda hingga terbentuk bunga api listrik (plasma)

dalam larutan. Plasma menyebabkan disosiasi homolitik molekul air

menghasilkan atom hidrogen (H*) dan radikal hidroksil (OH*) yang pada

akhirnya akan meningkatkan pemutusan molekul air menjadi H2 dan O2 (air

splitting).

2.5.1. Larutan Etanol Sebagai Aditif Pada Elektrolisis Plasma Non-

Termal

Konsumsi energi selama elektrolisis air secara signifikan berkurang oleh

keadaan campuran pengakitvasi meskipun jumlahnya sedikit oleh pengaruh

aktivator ionik.

Peningkatkan efisiensi dengan menggunakan elektrolit untuk

meningkatkan transfer ionik dengan menggunakan ditif pada elektrolit masih

bisa dilakukan. Di lain hal, penggunaan aditif elektrolit dapat memainkan

affinitas antara elektrolit dan elektroda serta membantu memanajemen perilaku

gelembung (Zeng, K & Zhang D, 2010).

Etanol (C2H5OH) dapat diaplikasikan sebagai aditif elektrolisis. Reaksi

dekomposisi etanol dari percobaan yang dilakukan Li dkk (2004) dapat dilihat

dibawah ini :

(2.29)

(2.30)

(2.31)

(2.32)

Percobaan elektrolisis plasma dengan larutan dielektrikum berupa etanol

yang dilakukan Yan, (2008) menghasilkan ion-ion seperti H+, CH3CH2OH

+,

CH3CH2+, CH2CH2OH

+,CH3OH

+, CH2OH

+. Produk yang dihasilkan oleh


22


Glow Discharge Plasma Electrolysis pada variasi konsentrasi etanol dapat

dilihat pada Tabel 2.8.

Tabel 2.8. Produk CGDE Larutan Etanol (Suhu = 303,15 K, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1).

Konsentrasi

Etanol

(W%)

Tegangan

Muatan

(V)

Polaritas

Muatan Produk

99,5 1000 Anoda C, HCHO, CH3CHO, (CH3CHOH)2, CH3COOH,

H2, C2H6, CH4, C3H8, C4H10.

75 1000 Anoda H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH,

CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO.

40 1000 Anoda H2, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH, CH3COOH,

C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10,CO2, CO.

99,5 1000 Katoda

H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O,

(CH3CHOH)2, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO.

75 1000 Katoda H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH,

CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO.

40 1000 Katoda

H2, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH,

CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO, CO2.


Ketika level energi elekton untuk menginisiasi dekomposisi etanol

meningkat, jalur reaksi molekul etanol akan menjadi lebih kompleks.

Pemisahan ikatan C-C pada molekul etanol dapat menghasilkan CH3 radikal

dan kemudian akan membentuk CH4 atau gas paraffin. Tegangan yang

semakin tinggi akan meningkatkan komposisi CH4 yang dihasilkan. Komposisi

gas yang dihasilkan pada variasi tegangan disajikan pada Tabel 2.9. dan Tabel

2.10.


23


Tabel 2.9. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow

Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303,15 K,

Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktivitas 5,6 mS cm-1

Discharged

Voltage

(V)

H2

(mol %)

CO

(mol %)

CH4

(mol %)

C2H6

(mol %)

C3H8

(mol %)

C4H10

(mol%)

500 80,84 4,77 4,74 1,81 6,19 1,65

600 80,96 4,88 5,49 2,46 4,87 1,34

700 81,28 4,68 5,29 2,06 5,23 1,46

800 81,92 5,04 5,15 2,43 4,42 1,04

900 82,81 4,01 5,28 2,48 4,24 1,18

1000 82,67 4,17 5,22 2,65 4,08 1,21 Sumber : (Yan, 2008)

Tabel 2.10. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Anoda Pada Elektrolisis Plasma Glow

Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Dischage. Temperatur 303,15 K,

Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktifitas 5,6 mS cm-1

Discharged

Voltage

(V)

H2

(mol %)

CO

(mol %)

CH4

(mol %)

C2H6

(mol %)

C3H8

(mol %)

C4H10

(mol%)

500 71,37 3,97 12,13 3,31 7.43 1,79

600 72,11 4,86 8,87 4,91 6,79 2,46

700 73,04 4,91 8,53 4,22 6,80 2,50

800 73,33 4,79 8,42 4,08 6,83 2,55

900 73,50 4,84 7,93 4,35 6,77 2,61

1000 74,16 5,02 6,98 4,64 6,52 2,68 Sumber : (Yan, 2008)

Energi ikatan O-H di H2O adalah 497,1 kJ/mol, yang lebih besar dari

ikatan C-H di dalam etanol (95,18 kJ/mol) sehingga molekul etanol lebih

reaktif daripada molekul air. Etanol dioksidasi oleh radikal hidroksida (OH*)

dari elektrolisis plasma menghasilkan HCHO, H2 dan asam format atau CO2

(dengan komposisi yang kecil) seperti Tabel 2.9 dan Tabel 2.10.

2.5.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma

Pijar

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi pembentukan radikal OH* dan

H* larutan elektrolit dengan teknologi elektrolisis plasma. Faktor-faktor

tersebut adalah sebagai berikut:


24


a. Pengaruh tegangan listrik

Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan OH* dan H* dapat

dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4. Gambar 2.3. dan Gambar 2.4.

menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan listrik yang digunakan dalam

elektrolisis plasma, konsentrasi radikal *OH maupun *H yang terbentuk akan

semakin tinggi. Hal ini diakibatkan karena energi yang digunakan untuk

mengeksitasi elektron pada tegangan discharge yang tinggi akan meningkatkan

jumlah radikal yang dihasilkan. Akibatnya semakin tinggi tegangan listrik

yang dipakai, pembentukan radikalnya pun semakin besar.

Gambar 2.3. Pengaruh Tegangan Listrik Terhadap Pembentukan Konsentrasi Radikal

OH Berdasarkan Fungsi Waktu Pada Konduktivitas Larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00.

Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008)


25


Gambar 2.4. Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan konsentrasi OH*

berdasarkan fungsi waktu pada konduktivitas larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00.


Penelitian serupa yang dilakukan Yan (2008) pada larutan etanol

menunjukkan sedikit perbedaan dengan penelitian yang dilakukan oleh Gao

Jinzang (2008). Gao Jinzang (2008) melakukan penelitian dengan

memvariasikan tegangan discharge. Tegangan discharge membuat plasma

terbentuk hanya di katoda atau di anoda. Perbandingan gas hidrogen yang

dihasilkan di anoda dengan di katoda pada perbedaan tegangan discharge dapat

dilihat di Gambar 2.5.

Gao Jinzang (2008) mendapati bahwa semakin tinggi tegangan discharge

elektrolisis plasma, maka jumlah hidrogen yang dihasilkan di katoda akan jauh

lebih banyak dibandingkan dengan jumlah hidrogen yang dihasilkan di anoda

(Gambar 2.5).


26


Gambar 2.5. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap G(H2) Dari Larutan Etanol

99,5% Temperatur 303,15 K, Konduktivitas 5,6 mS cm-1


Sedangkan pengaruh tegangan discharge terhadap konsumsi energi yang

terjadi di katoda discharge dan di anoda discharge dapat dilihat pada Gambar

2.6.. Gambar 2.6. menunjukkan bahwa konsumsi energi menurun dengan

peningkatan tegangan discharge.

Gambar 2.6. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap Wr Dari Larutan Etanol 99,5%

Temperatur 303,15 K, Konduktivitas 5,6 mS cm-1



27


b. Pengaruh konsentrasi etanol

Pengaruh konsentrasi etanol terhadap perbandingan jumlah mol H2 yang

dihasilkan melalui elektrolisis plasma dengan elektrolisis konvensional

(G(H2)) dapat dilihat di Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan G(H2). Temperatur 303,15 K,

Konduktifitas 5,6 mS cm-1 , Tegangan Discharge 1000 V


Gambar 2.7. menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi etanol, maka

G (H2) yang dihasilkan akan semakin besar. Konsentrasi etanol dalam larutan

akan membuat konsentrasi air yang melingkupi gas dalam plasma meningkat.

Peningkatan konsentrasi uap air di dalam volume plasma akan meningkatkan

produksi ion hidroksida dan ion hidrogen. Elektron berenergi tinggi akan

memutuskan ikatan hidrogen dan oksigen dalam air dan menghasilkan gas

hidrogen dan gas oksigen. Hal ini membuat konsentrasi etanol dapat

meningkatkan produksi hidrogen.

Sedangkan pengaruh konsentrasi etanol terhadap konsumsi energi dalam

elektrolisis plasma dapat dilihat pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 menunjukkan

bahwa semakin tinggi konsentrasi etanol, konsumsi energi dalam elektrolisis

plasma semakin kecil.


28


Gambar 2.8. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan Wr. Temperatur 303.15 K,

Konduktifitas 5.6 mS cm-1, Tegangan Discharge 1000 V.


c. Pengaruh konduktivitas larutan

Pengaruh konduktivitas larutan terhadap pembentukan OH* dan H* dapat

dilihat di Gambar 2.9 dan Gambar 2.10.


Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00.



29



Hidrogen Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00.


Gambar 2.9. dan Gambar 2.10. menunjukkan semakin besar konduktivitas

larutan, radikal OH* dan H* yang terbentuk semakin besar. Hal ini

dikarenakan dengan konduktivitas yang tinggi, elektron - elektron bisa

bergerak dengan lebih mudah dibanding larutan yang konduktivitasnya rendah.

Akibatnya, peluang/probabilitas terjadinya tumbukan antara elektron dengan

elektron pada molekul juga semakin besar, sehingga pembentukan radikal pun

juga akan terjadi dengan lebih baik.

d. Pengaruh pH larutan

Pengaruh pH larutan terhadap pembentukan OH* dan H* dapat dilihat

pada Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 di bawah. Gambar 2.11. dan Gambar

2.12. menunjukkan bahwa pembentukan radikal OH* maupun H* paling tinggi

terjadi ketika pH larutan sekitar 3.


30


Gambar 2.11. Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil

Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577 mS/cm


Gambar 2.12. Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidrogen

Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577 mS/cm




BAB 3

METODE PENELITIAN

Bagian ini membahas berbagai hal yang berhubungan dengan rancangan

penelitian yang akan dilakukan, alat dan bahan yang dibutuhkan dalam

melakukan penelitian, dan prosedur yang dilakukan untuk penelitian ini.

3.1. Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimental dengan

rangkaian urutan kegiatan sebagai berikut :

Memilih subjek penelitian

Melakukan studi literatur

Melakukan perancangan generator hidrogen dan oksigen

Pada tahap ini dilakukan uji kinerja alat yang meliputi: produksi hidrogen

dan oksigen, konsumsi listrik, dan stabilitas proses produksi H2 dan O2.

Variabel proses yang akan divariasikan adalah tegangan listrik dan

konsentrasi aditif etanol.

Melakukan instalasi alat uji

Melakukan pengujian eksperimen

Mengumpulkan dan mengolah data – data yang diperoleh serta

mengevaluasinya.

Mempresentasikan hasil penelitian dalam bentuk grafik-grafik dan

kemudian melakukan analisis.

Diagram alir penelitian secara keseluruhan dapat dilihat di Gambar 3.1.

berikut.


32


Gambar 3.1. Diagram Alir Riset Keseluruhan

Sumber : (Mardiansyah, 2011) telah diolah kembali.

Mardiansyah (2011) sudah melakukan penelitian yang serupa menggunakan

variasi konsentrasi larutan KOH 0,05 M dan 0,1 M dengan aditif etanol 5 % dan

10 %, menggunakan tegangan hingga 300 volt. Yang membedakan penelitian ini

dengan penelitian sebelumnya adalah menggunakan larutan KOH dengan

konsentrasi yang lebih rendah (0,03 M), menggunakan tegangan tinggi (hingga

700 Volt), dan dengan memvariasikan kedalaman katoda di dalam reaktor Glow

Discharge Plasma Electrolysis.

Pengaruh Variasi Proses (Variabel bebas):

1. Suhu reaktor Larutan 80-85 oC 2. Tegangan 300-700 V 3. Konsentrasi aditif Etanol (5 %, 10 %, 15 %). 4. Konsentrasi KOH (0,03 M, 0,05 M, 0,1 M)

5. Perbedaan kedalaman katoda

Mulai

Studi Pustaka

Merangkai Reaktor Menyusun Rangkaian Listrik Preparasi Bahan

Uji Pendahuluan Reaktor Elektrolisis

Plasma Non-Termal

Pembahasan dan Kesimpulan

Selesai

Mendapatkan data hasil pengujian alat GHO (Variabel terikat) :

1. Laju alir produk H2 + O2 2. Komposisi H2

3. Konsumsi daya / energi


33


3.2. Alat dan Bahan Penelitian

Peralatan uji yang digunakan pada penelitian ini antara lain :

3.2.1. Peralatan Reaktor Glow Discharge Elektrolysis

Housing Filter sebagai tempat terjadinya elektrolisis plasma dengan

diameter 8 cm dan tinggi 25 cm. House filter ini biasa digunakan untuk

proses filtrasi air dengan membran.

Elektroda stainless steel sebagai anoda. Elektroda ini berbentuk pipa

dengan tipe SS 316 G dengan diameter dalam 1/4 ” dan diameter luar 10

cm dan panjang 2 meter yang dimanfaatkan juga sebagai pipa pendingin.

Air akan mengalir dari dalam pipa dan terjadi proses perpindahan panas

antara larutan di dalam reaktor dengan air di dalam pipa. Air yang

mengalir akan menjaga suhu reaktor konstan. Pipa stainless stell ini di

buat melingkar untuk memperluas permukaan kontak dengan larutan yang

panas sehingga kerja nya lebih maksimal.

Elektroda wolfram dengan panjang 13 cm dan diameter 0,5 cm digunakan

untuk katoda. Katoda ini diletakkan di dalam, di bagian bawah reaktor.

Akrilik silinder sebagai penangkap gas hidrogen dan pembatas ruang

anoda dengan katoda dengan diameter 5 cm dan tinggi 20 cm. Akrilik ini

digunakan sebagai pemisah agar gas hidrogen tidak bereaksi dengan gas

oksigen di dalam larutan serta mengurangi nilai arus dalam sistem.

Termometer untuk mengukur suhu larutan.

Pompa laju alir rendah untuk memompa air sebagai substansi pendingin

larutan di dalam reaktor.

Untuk memaksimalkan produksi hidrogen daripada produksi oksigen,

maka konfigurasi reaktor diarahkan pada pembentukan plasma di katoda. (Gao

Jinzhang dkk, 2008) dan (Chaffin dkk, 2006) berhasil membentuk plasma di

katoda dan anoda ketika luas permukaan katoda dan anoda yang menyentuh

elektrolit sama besar. Dengan konfigurasi reaktor seperti pada Gambar 3.2,


34


35


cooling dengan batu es. Proses ini diulang pada kondenser yang kedua agar

proses pemisahan lebih efektif.

Pemisahan yang kedua menggunakan absorben silica gel. Absorber

berbentuk tabung dengan diameter 5 cm dan tinggi 25 cm. Gas keluaran

kondenser akan masuk di bagian bawah absorber kemudian keluar dari atas.

Absorber akan menyerap air yang terbawa di aliran gas. Sistem peralatan

pemisahan dan pemurnian dapat dilihat di Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian Yang Terdiri Dari 2 Buah Tabung

Pendingin dan 1 Buah Absorber.

3.2.3. Peralatan Sumber Tegangan.

Peralatan sumber tegangan yang digunakan dalam penelitian ini dapat

dilihat di Gambar 3.2. Adapun peralatan sumber tegangan yang digunakan

untuk membangkitkan plasma pada larutan di dalam reaktor adalah:

Miniature Circuit Breaker (MCB).

MCB ini memiliki kapasitas 10 Ampere. MCB berfungsi sebagai

penjaga agar arus listrik yang mengalir tidak terlalu. MCB ini akan

memutuskan hubungan listrik jika arus yang mengalir melebihi 10 A.

Slide regulator.

Slide regulator berfungsi untuk mengatur tegangan yang masuk ke

reaktor secara manual. Kapasitas slide regulator ini 3 kVA.

Transformator Step Up.


36


37


Pengambilan data konsumsi listrik, yang terdiri dari :

1. Multimeter. Multimeter ini akan membaca nilai arus yang mengalir

ke reaktor untuk membangkitkan plasma. Multimeter dihubungkan

melalui kabel dari dioda bridge ke katoda untuk membaca arus DC

yang mengalir ke reaktor.

2. Recorder. Arus yang terbaca di multimeter cenderung berubah-ubah

setiap satu detik. Recorder digunakan untuk merekam arus yang

muncul di multimeter kemudian menghitungnya secara manual

untuk mendapatkan arus rata-rata yang mengalir menuju sistem.

Pengambilan data produktivitas hidrogen, yang terdiri dari :

1. Flow meter. Flow meter digunakan untuk mengukur laju alir gas

hidrogen dan oksigen produksi elektrolisis plasma.

2. Hidrogen analyzer. Hidrogen analyzer digunakan untuk mengukur

komposisi hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis plasma.

Hidrogen analyzer yang digunakan adalah model GNL-400F. Alat

ini mampu mengukur sampel yang mengandung hidrogen hingga 50

% komposisi volume dengan laju alir maksimal sebesar 400 ml/s.

Pengambilan data derajat keasaman larutan, yang terdiri dari

konduktometer.

Pengambilan data konduktivitas larutan, yang terdiri dari pH meter.

a. Konduktimeter b. pH meter c. Multimeter d. Flowmeter dan

Hidrogen

analyzer

Gambar 3.5. Peralatalan Pengambilan Data.


38


Komponen komponen diatas kemudian di rangkai menurut skema pada

Gambar 3.6. di bawah.

Keterangan :

1. Pendingin Media Dielektrik 7. Logam Katoda 13. Slide Regulator 2. Pompa Peristaltik 8. Logam Anoda 14. Outlet Hidrogen

3. Ruang Elektrolisis 9. Dioda Bridge 15. Termometer

4. Outlet Hidrogen 10. Kondenser 16. Sumber Listrik PLN

5. Ruang Katoda 11. Absorber Silika 17. Multimeter

6. Kasa Stainless 12. Hidrogen Analyzer

Gambar 3.6. Konfigurasi Alat Penghasil Gas Hidrogen dan Oksigen Elektrolisis Plasma.

3.2.5. Bahan Larutan Elektrolisis

Air akuades (H2O)

Kalium hidroksida (KOH) sebagai zat elektrolit dalam larutan

Etanol sebagai aditif

3.3. Variabel Penelitian

1. Variabel Bebas

Variabel bebas adalah variabel yang diubah dalam suatu pengamatan,

dalam hal ini adalah perbedaan jarak katoda terhadap permukaan larutan,

konsentrasi KOH, konsentrasi aditif etanol, serta tegangan.


39


2. Variabel Terikat

Variabel terikat merupakan variabel yang besarnya didapatkan dari

pengukuran (data yang diinginkan) akibat pengaruh dari variabel bebas.

Variabel terikat pada penelitian ini adalah laju alir gas produk hasil

elektrolisis plasma, komposisi gas hasil elektrolisis plasma dan arus.

3. Variabel Kontrol.

Variabel ini adalah variabel yang diatur pada harga tertentu. Variabel

kontrol yang ditentukan dalam penelitian ini adalah suhu.

3.4. Preparasi Bahan

Bahan yang digunakan adalah larutan dengan variasi komposisi etanol dan

KOH. Berikut adalah preparasi larutan KOH 0,05 M dengan aditif etanol 5 %.

Tahapan dalam preparasi larutan dapat dilihat di halaman Lampiran 5.

Melarutkan 2,404 gram KOH dan 43 mL etanol ke dalam labu erlenmeyer

1000 mL.

Menambahkan aquadest hingga mencapai volume 1000 mL.

Melakukan hal yang sama untuk variasi larutan dengan komposisi 0,03 M

KOH; 0,05 M KOH; 0,1 M KOH dan variasi aditif etanol 5 %, 10 %, 15 %.

3.5. Prosedur Penelitian

3.5.1. Prosedur percobaan.

Prosedur penelitian di bagi menjadi empat tahap yaitu :

1. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh perbedaan

konsentrasi larutan elektrolit KOH terhadap produksi hidrogen dan

oksigen serta energi yang digunakan dari elektrolisis plasma.

2. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh perbedaan

konsentrasi aditif etanol terhadap produksi hidrogen dan energi yang

digunakan dari elektrolisis plasma.

3. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh variasi

jarak katoda dengan permukaan larutan terhadap produksi hidrogen dan

energi yang digunakan dari elektrolisis plasma.


40


4. Melakukan prosedur untuk mengetahui pengaruh elektolisis plasma pada

tegangan tinggi terhadap produksi hidrogen dan energi yang digunakan.

Pada tahapan ke tiga di atas (untuk mengetahui bagaimana pengaruh

variasi jarak katoda dengan permukaan larutan terhadap produktifitas hidrogen

dan energi yang digunakan dari elektrolisis plasma), maka rangkaian percobaan

dibuat seperti Gambar 3.7. di bawah.


Permukaan Larutan.

(a). Permukaan katoda berada di permukaan larutan (jarak katoda dengan permukaan

larutan adalah 0 cm).

(b). Permukaan katoda berada pada 3 cm di bawah permukaan larutan.

(c). Permukaan katoda berada pada 6,6 cm di bawah permukaan larutan

Empat tahap di atas akan melalui tahap berikut.

Membuat larutan uji.

Mengukur konduktivitas larutan uji.

Mengukur pH larutan uji.

Memasukkan larutan uji ke dalam reaktor.

Menyusun rangkaian listrik.

Menghidupkan multimeter.

Menghidupkan Hidrogen Analyzer.


41


Peralatan elektrolisis plasma dihubungkan ke sumber tegangan listrik

(PLN) dan dengan menggunakan slide regulator menaikkan tegangannya

secara perlahan-lahan hingga mencapai tegangan AC yang diinginkan

(300, 400, 500 Volt). Dengan menggunakan Dioda Bridge, arus AC akan

diubah menjadi DC.

Ketika suhu larutan mencapai 80 oC mengukur arus yang mengalir, laju

alir gas H2 dan O2 , serta komposisi H2 dalam gas produk.

Ketika suhu larutan mencapai 85 oC, aliran pendingin dinyalakan untuk

mendapatkan kondisi suhu reaktor di rentang 80-85 oC.

Menurunkan tegangan listrik dengan cara memutar slide regulator hingga

mencapai angka 0.

Melepaskan steker dari sumber tegangan listrik.

Mematikan hidrogen analyzer.

Mematikan pompa pendingin.

Mengukur konduktivitas larutan hasil elektrolisis plasma.

Mengukur pH larutan hasil elektrolisis plasma.

3.5.2. Metode Pengujian

Metode pengujian dilakukan dalam empat kategori :

Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma.

Pengujian arus yang mengalir di sistem.

Pengujian laju alir.

Pengujian konsentrasi hidrogen yang dihasilkan

3.5.2.1. Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma

Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma dibagi menjadi dua bagian,

yaitu uji konduktivitas dan uji derajat keasaman.

a. Uji konduktivitas

Uji konduktivitas larutan dilakukan sebelum proses elektrolisis plasma

dan setelah proses elektrolisis plasma dengan menggunakan


42


konduktometer. Uji konduktivitas dilakukan untuk mengetahui karakteristik

ion-ion dalam larutan elektrolit terhadap elektrolisis plasma.

Adapun prosedur penggunaan konduktometer adalah :

menyalakan konduktometer

setelah ready, mengukur larutan standar

membilas probe elektroda dengan aquadest

setelah ready, mengukur konduktivitas larutan uji kemudian mencatat

hasilnya

membilas probe elektroda dibilas dengan aquadest

mematikan konduktometer.

b. Uji derajat keasaman (pH).

Pengujian ini dilakukan menggunakan pH meter sebelum proses

elektrolisis plasma di mulai dan setelah proses elektrolisis plasma selesai.

Adapun prosedur penggunaan pH meter adalah sebagai berikut:

menyalakan pH meter

setelah ready, mengukur larutan standar

membilas probe pH meter dengan aquadest

setelah ready mengukur tingkat keasaman larutan uji kemudian

mencatat hasilnya

membilas probe pH meter dengan aquadest

mematikan pH meter.

3.5.2.2. Pengujian arus yang mengalir di sistem.

Pengujian dilakukan dengan menggunakan multimeter. Arus yang

terbaca di multimeter akan direkam menggunakan perekam video selama 2

menit. Arus harus direkam karena arus yang terbaca selalu berubah-ubah

setiap detik. Maka nilai arus yang didapat adalah nilai arus rata-rata.

3.5.2.3. Pengujian laju alir.

Pengujian laju alir dilakukan secara manual dengan menggunakan flow

meter 1000 mL kemudian mencatat hasilnya.


43


3.5.2.4. Pengujian konsentrasi hidrogen yang dihasilkan.

Dengan menggunakan syringe, gas hasil keluaran elektrolisis plasma

melalui flow meter dihisap dan masuk ke dalam syringe. Kemudian gas

tersebut di injeksikan ke dalam Gas Analyzer.

3.6. Hasil Uji Peralatan Sistem Produksi Hidrogen.

Data yang didapat seperti laju alir, komposisi, tegangan, konsentrasi KOH,

konsentrasi etanol, serta arus yang mengalir dievaluasi untuk mengetahui kinerja

proses Glow Discharge Plasma Electrolysis.

Kinerja proses Glow Discharge Plasma Electrolysis meliputi :

Daya listrik : Daya listrik dalam penelitian ini adalah besarnya

kecepatan reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis untuk

mengubah energi listrik menjadi energi lain (panas dan kimia). Daya

listrik dapat dirumuskan sebagai :

(2.33)

Dengan :

P = Daya listrik (Watt atau J/s)

I = Kuat arus (Ampere)

V = Beda potensial listrik (ohm)

Konsumsi energi listrik : yaitu jumlah energi listrik (C) yang digunakan

selama produksi hidrogen yang dirumuskan sebagai.

(2.34)

Dengan :

V = Tegangan listrik yang melalui rangkaian.

Q = Muatan listrik.

= Volume hidrogen.

= Konsumsi energi listrik ( kJ . L

-1)

V Q adalah nilai P selama proses elektrolisis berlangsung


44


Laju alir gas Hidrogen :

=

(2.35)

dengan :

V gas = Laju alir gas hidrogen.

X = 1 (Perbandingan koefisien hidrogen terhadap total produk gas)

Perbandingan jumlah mol produk H2 proses elektrolisis plasma

terhadap jumlah produk H2 teoritis berdasarkan rumus elektrolisis

Faraday (H2) yang dirumuskan sebagai berikut :

( = (

)

(2.36)

Dengan : F =


45


BAB 4

PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dibahas hal-hal mengenai fenomena-fenomena yang terjadi

terhadap larutan maupun energi pada peristiwa Glow Discharge Plasma

Electrolysis. Selain itu juga akan dibahas mengenai pengaruh beberapa variabel

proses seperti suhu, tegangan, konsentrasi larutan, serta posisi katoda. Juga

dibahas mengenai konsumsi listrik, produktivitas hidrogen, serta perbandingan

antara elektrosisis konvensional dengan elektrolisis Faraday.

Penelitian ini termasuk ke dalam elektrolisis plasma non-thermal dan Glow

Discharge Plasma Electrolysis karena nyala / pijaran plasma yang dihasilkan

berbentuk glow discharge.

4.1 Kondisi Operasi Elektrolisis Plasma.

4.1.1 Fenomena Elektrolisis Plasma

Pada saat reaktor baru dinyalakan, terbentuk elektrolisis konvensional

dengan laju alir dan persentasi hidrogen yang kecil. Pada kondisi ini tidak ada

plasma yang terbentuk, yang ada hanyalah gelembung-gelembung gas O2 dan

H2 dalam jumlah sedikit. Ketika tegangan dinaikkan (suhu juga akan

meningkat), maka perlahan-lahan akan muncul plasma di sekitar katoda. Pada

suhu 60 oC, untuk tegangan 300 Volt plasma sudah terbentuk. Pembentukan

plasma hanya terjadi di katoda. Hal ini dikarenakan luas permukaan katoda

yang terkena larutan jauh lebih kecil daripada luas permukaan anoda yang

terkena larutan.

Pijaran plasma yang dihasilkan berwarna ungu ke merah mudaan seperti

pada Gambar 4.1. Warna ungu yang dihasilkan dikarenakan adanya eksitasi

elektron dari ion Kalium. Adanya warna merah muda yang muncul bisa

disebabkan karena hidrogen yang diproduksi (sekitar 30 mL/s) juga terbakar

karena plasma. Pijaran plasma yang ditimbulkan tidak konstan, melainkan

fluktuatif. Hal ini disebabkan oleh arus yang selalu berubah-ubah.


46


Gambar 4.1. Pijaran Plasma Dari Larutan KOH Dengan Aditif Etanol

Oksigen yang dihasilkan di anoda membentuk gelembung – gelembung

kecil yang berkumpul menutupi anoda. Hal ini disebabkan karena anoda lebih

cenderung hidrofilik terhadap air dibandingkan terhadap gelembung.

Meskipun berat oksigen jauh lebih kecil dari larutan, namun gelembung

cenderung menempel di anoda dibandingkan terangkat keluar dari larutan

(Zeng, K & Zhang D, 2010).

Penelitian ini menggunakan barrier dari kaca acrylic untuk mencegah

bertemunya gas hidrogen dan oksigen di dalam larutan elektrolit. Barrier juga

akan memperpanjang lintasan elektron untuk mencapai anoda. Lintasan

elektron yang panjang akan membuat arus yang mengalir menjadi lebih sulit.

Dengan kata lain, penggunaan barrier akan mengurangi arus.

Semakin lama larutan elektrolit digunakan maka dalam larutan akan

terdapat endapat berwarna cokelat. Endapan ini timbul karena korosi yang

terjadi pada permukaan anoda. Tegangan tinggi dapat menyebabkan oksidasi

yang besar pada anoda stainless stell dan membentuk fenomena korosi.

4.1.2. Suhu

Pada penelitian ini, sumber energi hanya berasal dari energi listrik yang

juga terkonversi menjadi energi kimia dan energi kalor. Pengambilan data

dimulai ketika suhu reaktor sekitar 80 - 85 oC. Suhu reaktro dijaga agar berada

di antara 80 – 85 oC dengan menggunakan medium pendingin.

Penggunaan suhu tinggi diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas

larutan elektrolit yang akan meningkatkan pergerakan ion-ion didalam larutan.

Selain itu, peningkatan suhu akan meningkatkan jumlah uap larutan yang


47


terbentuk. Uap larutan jika diserang oleh elektron tereksitasi dapat terionisasi

dan membentuk plasma.

4.1.3. Konduktivitas

Pada kondisi elektrolisis plasma selama 13 menit menggunakan KOH

0,05 M + Etanol 10%, pada suhu 80 oC dan tegangan 500 V, serta jarak ujung

katoda dengan permukaan larutan 6,6 cm, konduktivitas larutan menurun dari

6,9 mS menjadi 5,95 mS. Hal ini menunjukkan bahwa konduktivitas larutan

menurun setelah mengalami proses elektrolisis plasma. Konduktivitas dalam

penelitian ini adalah fungsi konsentrasi KOH. Konduktivitas yang berkurang

bisa disebabkan karena proses elektrolisis plasma mengonsumsi KOH yang

akan diubah menjadi ion-ion untuk menghasilkan gas produk seperti K, H2 dan

O2. Ion OH- dan K

+ yang berkurang akan menurunkan konduktivitas larutan.

4.1.4. pH

Pada kondisi elektrolisis plasma selama 12 menit dengan konsentrasi

KOH 0,05 M + etanol 15 %, pada suhu 80 oC dan tegangan 500 V serta jarak

ujung katoda dengan permukaan larutan 6,6 cm, pH larutan menurun dari

12,39 menjadi 10,13. Hal ini menunjukkan bahwa pH larutan meningkat

menjadi lebih asam setelah mengalami proses elektrolisis plasma.

Keseluruhan reaksi sel elektrolisis tidak mengarah pada konsumsi atau

produksi proton dan ion hidroksida. pH yang lebih asam bisa disebabkan

karena oksidasi ion OH- di anoda sangat mudah terjadi dibandingkan oksidasi

air (Persamaan 4.1 – 4.5). Plasma dalam elektrolisis akan membuat ion OH-

yang terkonsumsi menjadi lebih besar. Ion OH- yang berkurang akan

menyebabkan pH larutan menjadi lebih asam.

Katoda : 2H2O(l) + 2e- H2(g) + 2 OH

-(aq) E

o = - 0,83 V (4.2)

K+

(aq) + e K(s) Eo = - 2,92 V (4.3)

KOH (aq) K+ + OH

- (4.1)


48


Anoda : 2H2O 4H+

+ O2 + 4e E° = -1.23 V (4.4)

4OH-(aq) O2(g) + 2H2O(l) + 4 e

- E° = -0.40 V (4.5)

4.1.5. Arus.

Pada penelitian ini, arus listrik yang terbaca di multimeter selalu

berubah-ubah setiap detiknya. Perbedaan arus yang muncul tiap detiknya

cukup jauh mulai dari 0,01 A – 0,7 A.

Ada 8 macam resistansi yang muncul ketika elektrolisis plasma

dijalankan. Resistansi tersebut adalah resistansi eksternal sirkuit, resistansi

anoda, resistansi gelembung oksigen, resistansi elektrolit, resistansi membran,

resistansi gelembung hidrogen, resistansi katoda, dan resistansi eksternal

sirkuit (Zeng, K & Zhang D, 2010). Transfer elektron yang melewati berbagai

hambatan dalam elektrolisis plasma dapat dilihat dalam Gambar 4.2.

Gambar 4.2. Analogi Sirkuit Listrik Dari Resistansi Dalam Sistem Elektrolisis Air


Jumlah gelembung yang berada di sekitar elektroda (gelembung oksigen

di anoda dan gelembung hidrogen di katoda) akan mempengaruhi nilai

hambatan total sistem. Jika hambatan yang ditimbulkan oleh gelembung di

sekitar elektroda bervariasi, maka hambatan total sistem akan bervariasi.

Tegangan memiliki persamaan arus dikali hambatan. Jika tegangan

dibuat konstan dan hambatan elektrolisis plasma selalu berubah-ubah, maka

arus yang dihasilkan juga akan berubah-ubah. Hal ini dilakukan agar nilai

tegangan selalu konstan.

+ -

R1 R anoda R gelembung, O2 R membran R ion R gelembung, H2 R katoda R’1


49


Arus yang dihasilkan pada penelitian ini cukup tinggi (1A – 5A). Arus

dengan jumlah sebesar ini dapat membuat kejang-kejang bagi penderita yang

tersentuh arus tersebut.

4.2. Pengaruh Variabel – Variabel Penelitian.

Variabel-variabel penelitian seperti konsentrasi etanol, konsentrasi KOH,

tegangan dan jarak antara permukaan katoda dengan permukaan elektrolit akan

dibahas dalam sub bab ini.

Data-data yang di dapat dari penelitian ini adalah tegangan (V), laju alir

gas hasil elektrolisis plasma (mL / s), komposisi gas hidrogen (%), konduktivitas

(mS), pH, suhu reaktor (oC), dan arus rata-rata (A). Data tersebut kemudian

digunakan untuk mendapatkan beberapa data seperti produktivitas hidrogen

(mmol/detik), konsumsi listrik energi listrik (Wr), daya listrik (J/s), dan rasio

antara elektrolisis plasma dengan elektrolisis faraday, G (mol/mol). Data

selengkapnya dapat dilihat di halaman Lampiran (Lampiran 1 hingga Lampiran

4).

4.3.1. Pengaruh Konsentrasi Etanol Terhadap Produksi Hidrogen dan

Konsumsi Energi.

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan larutan KOH 0,05 M dengan

variasi konsentrasi aditif etanol 5 %, 10 %, 15 %, dan tanpa etanol dengan jarak

ujung katoda terhadap permukaan larutan adalah 6,6 cm.

Pengaruh konsentrasi etanol terhadap produksi hidrogen dapat dilihat di

Gambar 4.3.


50


Gambar 4.3. Grafik Perbandingan Laju Alir Gas H2 Pada Konsentrasi 0,05 M KOH Dengan

Perbedaan Konsentrasi Etanol.

Gambar 4.3. menunjukkan bahwa etanol memiliki pengaruh terhadap

produktivitas gas hidrogen dalam elektrolisis plasma. Larutan tanpa aditif etanol

menghasilkan gas hidrogen yang jauh lebih sedikit daripada larutan dengan

aditif etanol. Gas hidrogen yang dihasilkan dengan penambahan aditif etanol

bisa mencapai 10 kali lipat lebih banyak daripada tanpa penambahan aditif

etanol.

Yan (2008) mengatakan bahwa aditif etanol berguna unuk meningkatkan

produktifitas hidrogen karena larutan tersebut berfungsi menyeimbangkan spesi-

spesi aktif H* dan OH* yang nantinya akan mendorong pemutusan ikatan dalam

dekomposisi air. Itulah sebabnya mengapa penambahan konsentrasi etanol akan

meningkatkan produktivitas hidrogen dan oksigen.

Gambar 4.3. juga menunjukkan perbedaan laju alir yang sangat besar untuk

tiap variasi tegangan. Laju alir hidrogen pada tegangan 400 Volt mencapai 10

kali lipat lebih banyak dibandingkan pada tegangan 300 Volt. Tegangan tinggi

0,92 1,62 2,89

1,25

15,91

29,18

1,99

14,34

35,46

1,26

27,84

33,03

0

5

10

15

20

25

30

35

40

300 400 500

Laju

alir

Hid

roge

n (m

mo

l/m

en

it)

Tegangan (Volt)

Larutan 0,05 M KOH

Larutan 0,05 M KOH + 5 % etanol




51


akan meningkatkan jumlah elektron berenergi tinggi untuk mendekomposisikan

berbagai ikatan dalam molekul etanol. Ketika energi elektron ditingkatkan untuk

mendekomposisi etanol, maka reaksi yang muncul dari pemutusan berbagai

macam ikatan dalam etanol akan semakin komplek dan produk yang dihasilkan

lebih bervariasi. Meskipun bervariasi, namun H2 masih menjadi produk yang

paling dominan muncul ketika elektron berenergi tinggi bertumbukan dengan

etanol dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis (Yan, 2008).

Pada Gambar 4.3, laju alir hidrogen dari konsentrasi etanol 15 % pada

tegangan 500 volt tidak begitu jauh berbeda dibandingkan pada tegangan 400

volt (hanya berbeda 5,19 mmol/menit). Hal ini tidak sama dengan perbandingan

laju alir hidrogen pada konsentrasi etanol 5 % dan 10 %. Laju alir hidrogen dari

konsentrasi etanol 5 % pada tegangan 500 volt cukup jauh berbeda

dibandingkan pada tegangan 400 volt (memiliki perbedaan 21,12 mmol/menit).

Laju alir hidrogen dari konsentrasi etanol 10 % pada tegangan 500 volt juga

jauh berbeda dibandingkan pada tegangan 400 volt (memiliki perbedaan 13,27

mmol/menit). Tegangan yang semakin tinggi menyebabkan jumlah elektron

berenergi tinggi semakin banyak. Meskipun jumlah elektron berenergi tinggi

yang dihasilkan semakin banyak dan membuat kesempatan bertubrukan dengan

etanol semakin besar, tetapi peluang produk samping dan produk utama

terbentuk tetap sama. Yan, (2008) seperti pada Tabel 4.1. menunjukkan hal

tersebut bahwa komposisi gas produk yang dihasilkan relatif konstan meskipun

tegangan elektrolisis plasma yang digunakan semakin tinggi.




Discharged

Voltage (V)

H2

(mol %)

CO

(mol %)

CH4

(mol %)

C2H6

(mol %)

C3H8

(mol %)

C4H10

(mol%)

500 80,84 4,77 4,74 1,81 6,19 1,65

600 80,96 4,88 5,49 2,46 4,87 1,34

700 81,28 4,68 5,29 2,06 5,23 1,46

800 81,92 5,04 5,15 2,43 4,42 1,04


52





(sambungan)

Discharged

Voltage

(V)

H2

(mol %)

CO

(mol %)

CH4

(mol %)

C2H6

(mol %)

C3H8

(mol %)

C4H10

(mol%)

900 82,81 4,01 5,28 2,48 4,24 1,18

1000 82,67 4,17 5,22 2,65 4,08 1,21


Pengaruh konsentrasi etanol terhadap konsumsi energi dapat dilihat di

Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Grafik Perbandingan Energi Yang Dibutuhkan Pada Konsentrasi 0,05 M KOH

Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol

Gambar 4.4. menunjukkan bahwa penambahan aditif etanol akan

menurunkan konsumsi energi. Gambar 4.4. juga menunjukkan bahwa perbedaan

konsumsi energi pada konsentrasi etanol 0 %, 5 %, 10 %, dan 15 % akan

semakin kecil jika dilakukan pada tegangan yang semakin tinggi.

40,42

23,13

12,42

79,97

6,07 3,23

39,75

4,70 2,31

45,42

1,76 2,55 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

300 400 500

Ko

nsu

msi

En

ergi

(kJ

/mm

ol)

Tegangan (Volt)

Larutan 0,05 M

Larutan 0,05 M+ 5% etanol




53


Dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis, elektroda akan ditutupi oleh

uap larutan. Volume gas yang menutupi elektroda akan bertambah seiring

dengan penambahan etanol (Yan, 2008). Volume gas ini akan menyebabkan

volume plasma yang semakin besar dan akan semakin menghambat perpindahan

elektron dari katoda menuju anoda. Jika ini terjadi, maka arus yang mengalir

dalam sistem semakin berkurang yang juga akan mengurangi energi listrik.

4.3.2. Pengaruh Konsentrasi KOH Terhadap Produksi Hidrogen dan

Konsumsi Energi.

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan aditif etanol 10 % dengan

variasi konsentrasi larutan KOH 0,03 M. 0,05 M. dan 0,1 M dengan jarak ujung

katoda terhadap permukaan larutan adalah 6,6 cm.

Pengaruh konsentrasi KOH terhadap produksi hidrogen dapat dilihat di

Gambar 4.5. di bawah.

Gambar 4.5. Grafik Laju Alir Gas Hidrogen Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi KOH

Dengan Konsentrasi Etanol 10 %

5,35

27,99

35,98

5,09

19,03

37,80

1,52

13,97

15,97

0

5

10

15

20

25

30

35

40

300 400 500

Laju

ali

r g

as

H2 (

mm

ol

/ m

en

it)

Tegangan (Volt)

Larutan 0,1 M KOH + Etanol 10%




54


Gambar 4.5. menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi KOH yang

digunakan, maka laju alir gas hidrogen yang dihasilkan semakin besar. Gambar

4.5. juga menunjukkan bahwa pada tegangan 400 Volt, perbedaan laju alir

hidrogen pada konsentrasi KOH 0,03 M dan 0,05 M jauh berbeda. Namun pada

tegangan 500 Volt perbedaan laju alir hidrogen pada konsentrasi KOH 0,03 M

dan 0,05 M tidak begitu jauh.

Peningkatan konsentrasi KOH dalam larutan akan meningkatkan jumlah

OH-

dan ion K+. Plasma akan membuat ion OH

- menjadi OH*. Radikal OH

(OH*) dapat mengalami dekomposisi menjadi hidrogen dan oksigen. Dengan

kata lain, peningkatan konsentrasi KOH akan meningkatkan produksi hidrogen.

Pengaruh konsentrasi KOH terhadap konsumsi energi dapat di lihat di

Gambar 4.6.

Gambar 4.6. Grafik Perbandingan Konsumsi Energi Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi

KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10 %

13,76

3,16 2,83

15,57

3,45 1,25

34,27

4,10 3,68

0

5

10

15

20

25

30

35

40

300 400 500

Ko

nsu

msi

En

ergi

(kJ

/mm

ol)

Tegangan (Volt)





55


Gambar 4.6. menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi KOH, maka

energi yang digunakan untuk melakukan proses elektrolisis plasma semakin

rendah pada tegangan 500 Volt.

Kemampuan elektron untuk mengalir di dalam larutan elektrolit juga

ditentukan dari seberapa banyak ion OH- yang terbentuk untuk membawa

elektron berpindah dari anoda menuju katoda. Semakin besar konsentrasi KOH

yang digunakan, berarti semakin banyak juga ion-ion yang terbentuk. Semakin

banyak ion K+ dan ion OH

- yang terbentuk dari KOH menyebabkan mobilitas

elektron akan semakin mudah. Mobilitas ion yang semakin mudah akan

menyebabkan arus yang mengalir semakin besar.

Gambar 4.6. juga menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan akan

membuat perbedaan konsumsi energi di larutan KOH 0,03 M, 0,05 M, dan 0,1

M menjadi lebih kecil. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, semakin tinggi

tegangan akan membuat volume plasma semakin besar. Volume plasma akan

membuat perpindahan elektron dari katoda menuju anoda melalui ion-ion

semakin sulit, hal ini disebabkan karena ion OH- di dalam plasma akan diserang

oleh elektron berenergi tinggi menjadi OH* yang kemudian akan menjadi gas

hidrogen. Ion OH- yang seharusnya membawa elektron dari katoda menuju

anoda akan diubah menjadi radikal hidroksil. Meskipun jumlah ion-ion sebagai

medium perpindahan elektron diperbanyak dengan meningkatkan konsentrasi

KOH, volume plasma tetap menghalangi perpindahan elektron melalui ion-ion.

Animasi peristiwa volume plasma dan perpindahan elektron yang terjadi pada

reaktor Glow Discharge Plasma dapat dilihat pada Gambar 4.7.

Gambar 4.7. Volume Plasma yang Menghalangi Transfer Elektron Melalui Ion


56


4.3.3. Pengaruh Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan Terhadap

Produksi Hidrogen dan Konsumsi Energi.

Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan larutan 0,05 M KOH + aditif

etanol 10 % pada tegangan 500 Volt. Pada variabel ini, luas permukaan katoda

yang bersentuhan dengan larutan sama. Perbedaannya terletak pada seberapa

dalam katoda tersebut tercelup dalam larutan. Jika katoda semakin tercelup,

maka jarak antara ujung katoda dengan permukaan larutan elektrolit akan

semakin besar seperti pada Gambar 4.8.

(a). Permukaan katoda berada di permukaan larutan (jarak katoda dengan permukaan

larutan adalah 0 cm).

(b). Permukaan katoda berada pada 3 cm di bawah permukaan larutan.

(c). Permukaan katoda berada pada 6,6 cm di bawah permukaan larutan

Gambar 4.8. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda dengan

Permukaan Larutan.

Pijaran plasma yang dihasilkan pada perbedaan kedalaman katoda akan

berbeda-beda. Gambar 4.9. menunjukkan bahwa pijaran plasma akan semakin

terang seiring dengan semakin dekatnya ujung katoda terhadap permukaan

larutan.


57


Gambar 4.9. Pijaran Plasma Yang Terbentuk Pada Variasi Jarak Katoda dengan

Permukaan Larutan.

Tegangan tinggi dalam elektrolisis plasma akan memperbesar volume

plasma. Volume plasma ini dipengarui oleh seberapa banyak gas-gas yang

berkumpul di sekitar katoda. Pada kondisi ujung katoda berjarak 6,6 cm dari

permukaan larutan elektrolit, gelembung – gelembung hidrogen yang dihasilkan

katoda ditambah dengan tekanan hidrostatis larutan akan menghambat uap-uap

larutan berkumpul di katoda dan saling mengalami kontak. Hal ini

menyebabkan volume plasma semakin kecil. Semakin sedikit uap larutan yang

bersentuhan dengan katoda, semakin sedikit juga elektron yang akan tereksitasi

untuk membentuk plasma.

Hal ini berbeda dengan kondisi ujung katoda berjarak 0 cm dari permukaan

larutan elektrolit. Pada kondisi ini, uap larutan dengan mudah berkumpul di

katoda dan mengalami kontak (tidak ada hambatan dari gelembung oksigen

maupun tekanan hidrostatis larutan). Sehingga elektron akan sangat mudah

tereksitasi ke dalam uap larutan dan membentuk nyala plasma yang paling

terang (volume plasma lebih besar). Hal ini lah yang menyebabkan mengapa

semakin dalam katoda tercelup, volume plasma akan semakin kecil (pijaran

warnanya tidak terang).

Pengaruh perbedaan ketinggian katoda terhadap laju alir hidrogen dan

konsumsi energi dapat dilihat di Gambar 4.10.


58


Gambar 4.10. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Konsumsi Energi dari Electrolyzer

Pada Variasi Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan.

Gambar 4.10. menunjukkan semakin dalam posisi katoda di dalam

elektrolit, energi yang dibutuhkan untuk terjadinya elektrolisis plasma akan

semakin besar.

Semakin dalam katoda tercelup akan membuat tekanan hidrostatis larutan

terhadap katoda semakin besar serta lintasan gelembung hidrogen keluar dari

larutan semakin panjang (Gambar 4.11). Dua faktor tersebut akan membuat

katoda akan lebih sering mengalami kontak dengan larutan dibandingkan

dengan uap larutan. Karena medium transportasi elektron dari katoda menuju

anoda lebih mudah terjadi ketika elektroda mengalami kontak dengan larutan,

maka ketika katoda tercelup lebih dalam arus yang mengalir akan semakin

besar.

44,36

40,02 37,92

35,23

18,06

1,24 1,42 1,39 1,42 2,66

0 1 2 3 6,6

Ketinggian Katoda (cm)

Laju alir Hidrogen (mmol / menit) Konsumsi Energi (kJ / mol)


59


Gambar 4.11. Animasi Plasma yang Terbentuk di Reaktor GDPE Pada Variasi Ketinggian

Katoda

Gambar 4.10 juga menunjukkan bahwa semakin dalam posisi katoda

terhadap permukaan elektrolit, laju alir gas hidrogen yang dihasilkan akan

semakin kecil. Pada jarak katoda dengan permukaan elektrolit sebesar 6,6 cm,

gelembung-gelembung hidrogen di sekitar katoda dan tekanan hidrostatis

larutan akan menghambat pembentukan plasma yang juga akan menghambat

pembentukan elektron tereksitasi berenergi tinggi. Elektron yang mengalir

dalam larutan sebagian besar adalah elektron biasa seperti pada elektrolisis

konvensional. Karena elektron tereksitasi berenergi tinggi yang dihasilkan lebih

sedikit, maka kemungkinan untuk menghasilkan hidrogen yang lebih besar juga

semakin sedikit.

Proses yang paling dominan terjadi ketika posisi katoda sangat dekat

dengan permukaan larutan adalah elektrolisis plasma. Hal ini dikenali dari nyala

plasma yang paling besar dan arus rendah. Sedangkan proses yang paling

dominan terjadi ketika posisi katoda sangat jauh dengan permukaan larutan

adalah adalah proses elektrolisis konvensional. Hal ini terbukti dari nyala

plasma yang paling kecil dan arus besar.

Tekanan hidrostatis

larutan

Kedalaman 0 cm Kedalaman 6,6 cm


60


4.3.4. Pengaruh Tegangan Terhadap Produksi Hidrogen dan Konsumsi

Energi.

Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan larutan 0,03 M KOH + aditif

etanol 10 % pada posisi ujung katoda berjarak 6,6 cm dari permukaan larutan.

Pengaruh tegangan terhadap produksi hidrogen, konsumsi energi, dan

perbandingan nilai G (H2) yang dihasilkan dapat dilihat di Gambar 4.12.

Gambar 4.12. Grafik laju alir gas H2 dan O2 serta energi dari elektrolisis plasma pada

tegangan tinggi.

Gambar 4.12. menunjukan bahwa semakin tinggi tegangan yang digunakan,

energi yang dibutuhkan untuk terjadinya Glow Discharge Plasma Electrolysis

akan semakin kecil. Dari pembahasan sebelumnya juga diketahui bahwa

tegangan yang semakin tinggi akan menurunkan konsumsi energi. Gambar 4.12.

juga menunjukan bahwa semakin tinggi tegangan yang digunakan, hidrogen

yang dihasilkan akan semakin besar. Pembahasan sebelumnya juga

menunjukkan hal yang sama bahwa tegangan tinggi akan meningkatkan

produksi hidrogen.

27,030

4,44 2,76 1,90 1,49 1,95

12,54 15,71

31,14

50,71

14,90

40,80 48,75

95,73

149,68

300 400 500 600 700Tegangan (Volt)

Energi (kJ/mmol) Laju alir Hidrogen (mmol/menit) G (mol/mol)


61


Peningkatan tegangan dapat meningkatkan densitas elektron dan

meningkatkan tubrukan elektron dalam proses eksitasi (Yan, 2008). Pada

tegangan rendah, elektron susah untuk mengalami eksitasi dan menyerang ion-

ion OH- dan H

+. Tegangan tinggi akan meningkatkan volume plasma glow

discharge. Dengan volume plasma glow discharge yang lebih besar, elektron

berenergi tinggi akan memiliki kemungkinan yang lebih besar untuk menabrak

molekul etanol, molekul air, molekul KOH, dan radikal lain membentuk

hidrogen yang lebih banyak.

Elektron berenergi tinggi tersebut akan dengan mudah menyerang H+

membentuk H* (radikal H) dan menyerang air menghasilkan OH- berenergi

tinggi. OH- berenergi tinggi ini kemudian akan membentuk radikal hidroksida

dan elektron tidak berenergi tinggi. Selanjutnya OH* dan H* ini akan

membentuk H2 dan O2. Sedangkan elektron yang terbentuk pada reaksi

pembentukan radikal hidroksil akan kembali membentuk hidrogen dari jalur

elektrolisis konvensional. Berikut persamaan reaksi yang terjadi (Gao, 2008) :

4H+

(aq) + 4e → 4H* (4.1)

4OH-(aq) → 4OH* + 4e (4.2)

4H+

(aq) + 4OH-(aq) → 4H* + 4OH* (4.3)

2H* + 2H* → 2H2(g) (4.4)

4OH* → 2H2(aq) + 2O2(aq) (4.5)

Meskipun produksi hidrogen lebih tinggi pada tegangan yang semakin

tinggi, namun tidak berarti bahwa tegangan dapat ditingkatkan tanpa batas.

Elektroda akan meleleh pada tegangan yang sangat tinggi (Yan, 2008).

Peningkatan tegangan akan meningkatkan jumlah elektron berenergi tinggi.

Semakin banyak elektron berenergi tinggi yang bertumbukan dengan uap

larutan di katoda, maka volume plasma yang dihasilkan akan semakin besar.

Plasma yang menutupi katoda dalam volume yang besar akan menghambat

perpindahan elektron melalui ion-ion dari katoda menuju anoda. Elektron

berenergi tinggi di katoda cenderung untuk bertumbukkan dengan ion-ion

menghasilkan gas produk dibandingkan teradsorb dan berpindah dari katoda


62


menuju anoda melalui ion-ion. Semakin sedikit ion-ion yang berpindah dari

katoda menuju anoda, maka semakin kecil juga arus yang dihasilkan. Hal ini

menyebabkan elektrolisis plasma pada tegangan 700 volt akan memperkecil

arus listrik.

Perbandingan laju alir dan konsumsi energi yang dihasilkan dari Glow

Discharge Plasma Electrolysis pada berbagai kondisi terbaik seperti yang sudah

di bahas diatas akan menghasilkan Tabel 4.2. dan Tabel 4.3.

Tabel 4.2. Perbandingan Produksi Gas Hidrogen Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan.

Tegangan

(Volt)

Laju alir gas hidrogen (mmol / menit)

Variasi KOH Variasi Etanol

Variasi jarak

katoda dan

permukaan

elektrolit

Variasi

Tegangan

0,1 M KOH

etanol 10%

0,05 M KOH + etanol 10%




kedalaman 0 cm

0,03 M KOH + Etanol

10%

300 5,84 5,556 2,18 1,371 - 2,13

400 30,55 20,77 15,65 30,38 - 13,68

500 39,27 41,26 38,71 36,05 48,42 17,14

600 - - - - - 33,99

700 - - - - - 55,35

Tabel 4.2. menunjukkan bahwa tegangan 700 Volt dengan konsentrasi

KOH 0,03 M + etanol 10 % memberikan laju alir hidrogen yang lebih baik

dibandingkan dengan menggunakan konsentrasi KOH 0,1 M + etanol 10 % dan

dengan menggunakan konsentrasi KOH 0,05 M + etanol 10% pada kedalaman

katoda 0 cm. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan tinggi memiliki pengaruh

yang sangat besar terhadap produksi gas hidrogen dibandingkan dengan

menggunakan KOH konsentrasi tinggi atau etanol konsentrasi tinggi.

Pada tegangan yang sama (500 Volt), konfigurasi katoda yang sangat dekat

dengan permukaan larutan elektrolit memberikan laju alir hidrogen yang lebih

baik dibandingkan dengan mengubah konsentrasi KOH menjadi lebih tinggi

atau mengubah konsentrasi etanol lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa

posisi katoda yang semakin dekat dengan permukaan larutan akan memberikan


63


laju alir hidrogen yang optimal dibandingkan mengatur konsentrasi larutan dan


Percobaan elektrolisis plasma yang dilakukan Mardiansyah (2008)

menggunakan larutan KOH 0,1 M + etanol 10 % pada tegangan 300 Volt

mendapatkan laju alir hidrogen hingga 22,49 mmol/menit. Penelitian ini berhasil

mendapatkan laju alir hidrogen 2,46 kali lebih besar dari laju alir hidrogen yang

didapatkan oleh Mardiansyah (2011).

Tabel 4.3. Perbandingan Energi Elektrolisis Plasma Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan.

Tegangan

(Volt)

Konsumsi energi per mmol H2

Variasi KOH Variasi Etanol

Variasi jarak

katoda dengan

permukaan

elektrolit

Variasi

Tegangan

0,1 M KOH

etanol 10%





kedalaman 0 cm

0,03 M KOH + Etanol

10%

300 12,61 14,26 36,41 41,61 - 20,90

400 2,89 3,15 4,31 1,60 - 3,43

500 2,59 1,14 2,11 2,33 1,13 2,13

600 - - - - - 1,47

700 - - - - - 1,15

Tabel 4.3. menunjukkan bahwa pada tegangan yang sama (500 Volt),

konsumsi energi terendah didapat dari konfigurasi katoda yang sangat dekat

dengan permukaan katoda. Hal ini menunjukkan bahwa mengatur posisi katoda

menjadi sangat dekat dengan permukaan larutan akan memberikan konsumsi

energi yang lebih optimal dibandingkan mengatur konsentrasi larutan dan


Konsumsi energi pada konsentrasi larutan KOH 0,05 M + etanol 10 % yang

dilakukan pada tegangan 700 Volt memberikan hasil yang tidak jauh berbeda

dibandingkan memvariasikan jarak katoda dengan permukaan larutan.

Percobaan elektrolisis plasma yang dilakukan Mardiansyah (2008)

menggunakan larutan KOH 0,1 M + etanol 10 % pada tegangan 300 Volt

berhasil mendapatkan konsumsi energi hingga 18,8089 kJ/mmol. Penelitian ini


64


berhasil mendapatkan konsumsi energi hingga 16,6 kali lebih rendah dari

konsumsi energi yang didapatkan oleh Mardiansyah (2011).

Produksi hidrogen menggunakan reaktor Glow Discharge Plasma

Electrolysis ini diharapkan dapat memberikan produksi hidrogen yang besar dan

konsumsi energi yang kecil dengan menggunakan ;

- larutan KOH konsentrasi rendah

- aditif etanol dalam jumlah tepat

- konfigurasi katoda yang sangat dekat dengan permukaan larutan

- serta dilakukan dalam tegangan tinggi.



BAB 5

KESIMPULAN

Bab ini akan menyimpulkan data dan memberikan saran untuk perbaikan dari

hasil penelitian yang telah dilakukan.

5.1. Kesimpulan

1. Produksi hidrogen akan meningkat seiring dengan meningkatnya

konsentrasi larutan KOH dan tegangan listrik yang digunakan.

2. Konsumsi energi listrik akan menurun seiring dengan meningkatnya

tegangan listrik.

3. Reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis akan memberikan produksi

hidrogen yang semakin meningkat dan konsumsi energi yang semakin

menurun seiring dengan semakin dekatnya ujung katoda terhadap

permukaan larutan elektrolit.

4. Penambahan etanol dalam larutan elektrolit membuat produksi hidrogen

lebih tinggi dan konsumsi energi lebih rendah dibandingkan larutan

elektrolit tanpa penambahan etanol.

5. Pada penelitian ini, produksi hidrogen tertinggi senilai 55,35 mmol / menit,

2,46 kali lebih besar dari laju alir hidrogen yang didapatkan oleh

Mardiansyah (2011). Sedangkan konsumsi energi terendah senilai 1,13

kJ/mmol, 16,6 kali lebih rendah dari konsumsi energi yang didapatkan oleh

Mardiansyah (2011).

5.2. Saran

1. Untuk mendapatkan produksi hidrogen dan konsumsi energi listrik yang

maksimal, disarankan agar penelitian selanjutnya menggunakan variabel

variabel seperti, larutan KOH konsentrasi rendah dengan aditif etanol yang


66


cukup, dilakukan pada tegangan yang lebih tinggi dan posisi katoda yang

sangat dekat dengan permukaan larutan elektrolit.

2. Sistem produksi hidrogen dengan mengunakan reaktor Glow Discharge

Plasma Electrolysis pada penelitian ini harus dimodifikasi menjadi sistem

kontinyu supaya ujung katoda tetap berada di permukaan larutan elektrolit.


67


DAFTAR REFERENSI

American Nuclear Society, 2011; http://www.ans.org/pi/matters/hydrogen/

Barros, 2008; http://www.plasma.de/en/glossary-entry-486.html

Chaffin, J.H., Bobbio, S.M., Inyang, H.I. & Kaanagbara, L. (2006). Hydrogen

production by plasma electrolysis, Journal of Energy Engineering, 132, pp.

104-108

Gomez, E., Rani, D. Amutha., Cheeseman, C.R., Deegan, D., Wise, M.,

Boccaccini, A.R.. (2009). Thermal plasma technology for the treatment of

wastes: A critical review, Journal of Hazardous Materials 161. 614–626.

Hickling, A. and Ingram, M. D. (1964). Glow-discharge electrolysis. Journal of

Electroanalytical Chemistry 8, 65-81

Huang, H. and Tang, L. (2007). Treatment of organic waste using thermal plasma

pyrolysis technology. Energy Conversion and Management 48, 1331-1337.

Jinzhang, Gao., Aixiang, WANG., Yan, FU, & Jianlin,WU. (2008). Analysis of

Energetic Species Caused by Contact Glow Discharge Electrolysis in

Aqueous Solution. Plasma Science and Technology, Vol.10.

Kogelschatz, U. (2004). Atmospheric-Pressure Plasma Technology, Plasma Phys.

Controlled Fusion 46, B63–B75.

Lee, T.S. (1971). Hydrogen overpotential on pure metals in alkaline solution, J.

Electrochem.Soc. 118,1278-1282.

Li, Juan., Andrei Kazakov., Frederick L., Dryer. (2004) “Experimental and

numerical studies of ethanol decomposition reaction” Department of

Mechanical & Aerospace Engineering, Princeton University.

Mardiansyah. (2011) Sistem Produksi Hidrogen Melalui Proses Elektrolisis

Plasma Non-Termal dalam Larutan Elektrolit KOH dengan Penambahan

Metanol dan Etanol, Unpublished Thesis, Depok : University of Indonesia.

Paulmier, T., Fulcheri, L. (2005). Use of non-thermal plasma for hydrocarbon

reforming, Chemical Engineering Journal, 106, 59-71.

Pletcher, D & Li, X. (2011). Prospects for alkaline zero gap water electrolysers

for hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 36,

15089 e15104


http://www.ans.org/pi/matters/hydrogen/

http://www.plasma.de/en/glossary-entry-486.html

68


R.A.Day, A.L.U., Analisis Kimia Kuantitatif, 2002, Erlangga: Jakarta

Roth, J.R. (2001). “Aplications to Nonthermal Plasma Processing”, Industrial

Plasma Engineering vol :2, IOP Publsh Philadelphia.

Saksono. N, Abidin. J, Setidjo. B, Hydrogen Production Systems Design

Through Plasma Non-Thermal Electrolysis Process, The 1st International

Seminar on Fundamental & Application ISFAChE Of Chemical

Engineering November 3-4, 2010

Sustainable Development Technology Canada. (2006, November). Renewable

Fuel — Hydrogen, SD Business Case™. Canada : Author.

Ursúa, Alfredo., Luis M. Gandia, Pablo Snchis. (2011, February). Hydrogen

Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends.

Proceedings of the IEEE |Vol.100

Yan, ZC., C. Li, dkk (2009). "Hydrogen generation by glow discharge plasma

electrolysis of methanol solutions." International Journal of Hydrogen

Energy 34, 48-55.

Yan ZC., Li, C., Wang Hong Lin W H., (2008). Hydrogen generation by glow

discharge plasma electrolysis of ethanol solutions. College of Chemical and

Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou.

Zeng, Kai., & Zhang, Dongke. (2010). Recent progress in alkaline water

electrolysis for hydrogen production and applications, Progress in Energy

and Combustion Science, 36, 307–326.


69


Lampiran 1.

Data pada perbedaan konsentrasi Etanol

1. Larutan 0,05 M KOH tanpa Etanol

Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Power

(J/s)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 2,070 5,953 22,537 0,922 6,31 24,77808 620,97900 40,42150

400 1,563 6,833 39,643 1,621 9,67 37,67607 625,01200 23,12896

500 1,198 6,303 70,731 2,893 18,7025 45,33723 598,94100 12,42234

2. Larutan 0,05 M KOH + 5 % Etanol

Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Power

(J/s) Gas Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 5,5640 7,5170 30,6188 1,252 6,7888 11,6404 79,974 1669,2000

400 4,0210 14,7016 388,9161 15,907 44,0900 31,5021 6,067 1608,4000

500 3,1400 26,0417 713,5634 29,185 45,6680 71,4577 3,228 1570,0000


70


3. Larutan 0,05 M KOH + 10 % Etanol

Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Power

(J/s) Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 4,4020 3,0850 48,7348 1,993 26,3288 6,0383 39,752 1320,6000

400 2,8109 13,8160 350,6501 14,342 42,3000 42,3493 4,704 1124,3600

500 2,7320 31,8750 866,9363 35,458 45,3300 100,5261 2,311 1366,0000

4. Larutan 0,05 M KOH + 15% Etanol

Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Power

(J/s) Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 3,1690 2,9430 30,7043 1,256 17,38830 8,00161 45,423 950,7

400 2,0360 28,5060 680,6805 27,840 39,79750 120,63346 1,755 814,4

500 2,8084 31,5216 807,5834 33,030 42,70000 96,70715 2,551 1404,2


71


Lampiran 2.

Data elektrolisis plasma pada perbedaan konsentrasi KOH

1. Larutan 0,1 M KOH + Etanol 10 %

Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Power

(J/s) Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 4,0943 5,2421 130,9047 5,354 41,6200 16,5322 13,765 1228,2900

400 3,6900 25,8404 684,4734 27,995 44,1475 81,4944 3,163 1476,0000

500 3,3914 32,6155 879,6400 35,977 44,9500 102,8614 2,828 1695,7150


Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ /mmol)

Power

(J/s) Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 4,4020 10,0890 124,457904 5,090 20,5600 31,8183 15,566 1320,6

400 2,7320 18,3750 465,255 19,029 42,2000 57,9503 3,446 1092,8

500 1,5800 31,8750 924,31125 37,804 48,3300 100,5261 1,254 790


72



Tegangan

(Volt)

Arus

(Ampere)

Laju alir

Komposis

i (%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr

(kJ

/mmol)

Power

(J/s) Gas Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol / menit)

300 2,8883 4,5765 37,0974 1,517 13,5100 14,4333 34,265 866,4990

400 2,3876 15,4563 341,6461 13,973 36,8400 48,7455 4,101 955,0400

500 1,9611 15,7937 390,5150 15,972 41,2100 49,8095 3,684 980,5500


73


Lampiran 3.

Data Produktifitas Elektrolisis Plasma pada perbedaan jarak antara katoda dan permukaan larutan.

Konsentrasi larutan KOH = 0,05 M + Aditif Etanol 10 %

Konduktansi larutan sebelum elektrolisis plasma = 6,9 mS

Konduktansi larutan setelah elektrolisis plasma = 5,95 mS

pH Larutan sebelum elektrolisis plasma = 12,78

pH Larutan setelah elektrolisis plasma = 10,7

Jarak

katoda

terhadap

permukaan

larutan

Arus

Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol/menit) Komposisi

G

(mol/mol)

Energi = Wr

(kJ /mmol) Power (J/s)

0 1,8315 41,9538 1084,6735 44,363 43,0900 132,3122 1,239 915,7350

1 1,8981 36,6295 978,5945 40,024 44,5267 115,5206 1,423 949,0650

2 1,7606 35,1312 927,1833 37,922 43,9867 110,7954 1,393 880,2750

3 1,6735 32,7257 861,4059 35,231 43,8700 103,2090 1,425 836,7400

6,6 1,6039 17,4747 441,5158 18,058 42,1100 55,1110 2,665 801,9600


74


Lampiran 4.

Data elektrolisis plasma pada tegangan tinggi

Konsentrasi larutan KOH = 0,03 M + Aditif Etanol 10 %

Konduktansi larutan sebelum elektrolisis plasma = 3,93 mS

Konduktansi larutan setelah elektrolisis plasma = 2,73 mS

pH Larutan sebelum elektrolisis plasma = 12,35

pH Larutan setelah elektrolisis plasma = 9,54

Tegangan Arus

Gas

Produk

(mL / s)

Gas H2

(mL/menit)

Gas H2

(mmol /

menit)

Komposisi

(%)

G

(mol/mol)

Energi =

Wr (kJ

/mmol)

Power

(J/s)

300 2,4700 4,7257 47,6351 1,948 16,8000 14,904 27,030 741,0000

400 1,9589 12,9365 306,4918 12,535 39,4867 40,799 4,442 783,5600

500 1,2218 15,4563 384,0578 15,708 41,4133 48,745 2,764 610,8770

600 1,3904 30,3540 761,3384 31,139 41,8033 95,729 1,904 834,2400

700 1,5156 47,4623 1239,9051 50,712 43,5400 149,685 1,487 1060,8990


75



Lampiran 5.

Perhitungan Pengolahan Data

1. Pembuatan Larutan KOH 0,05 M

Volume larutan = 1 Liter

Berat molekul KOH = 56 gr / mol

Molaritas Larutan = 0,05 M

=

Berat KOH yang ditimbang =

=

= 2,8 gram

2. Pembuatan Larutan KOH 0,05 M dengan aditif Etanol 10 %.

Volume Etanol = 10 % Volume Larutan KOH

Volume Total = 1000 mL

Volume Total = Volume KOH + 10% Volume KOH

1000 mL = 1,1 Volume KOH

Volume KOH = 909,0909 mL

Berat Molekul KOH = 56 gr /mol

Molaritas KOH = 0,05 M

=

(

Berat KOH yang ditimbang =

(

=

= 3,08 gram


76



3. Contoh perhitungan laju alir gas Hidrogen dan Oksigen Elektrolisis Plasma.

4. Contoh perhitungan laju produksi H2 (mmol/menit) KOH 0,05 M + etanol 10

%.

V gas = 31,875 mL/detik

X = 1 (Perbandingan koefisien Hidrogen terhadap total produk gas).

- Mencari nilai n dari perbandingan terhadap kondisi STP.

(

- Mencari nilai laju produksi H2.

=


77



=

=

5. Contoh Perhitungan G(H2) (mol . mol

-1) KOH 0,05 M + Etanol 10 % selama

2 menit pada kondisi 500 Volt, 80-85 oC :

( = (

)

= (

)

= (

)

= 100,5261 mol.mol

-1

6. Contoh perhitungan Wr 0,05 M KOH + 10 % Etanol pada tegangan 500 Volt,

=

Dengan V = Tegangan listrik yang melalui rangkaian

Q = Muatan listrik

= Volume Hidrogen

= Konsumsi energi (

=

= 1,485 kJ/mmol


skripsi - lontar.ui.ac.idlontar.ui.ac.id/file?file=digital/20312214-s43408-sistem...

Documents