METODOLOGI PENELITIAN
2. Pembuatan limbah artifisial
Limbah yang digunakan adalah limbah artifisial menggunakan asetat pro analis berupa asam asetat glasial dan glukosa monohidrat. COD yang terkandung di dalam limbah mempengaruhi hasil dari produksi listrik, sebagai sumber karbon untuk produksi listrik serta tujuan pengolahan air limbah. Asam asetat sangat mudah digunakan oleh mikroorganisme untuk menghasilkan energi karena memiliki rantai karbon yang paling rendah, (Du et al, 2007). Glukosa juga menjadi salah satu substrat yang paling digunakan dalam MFCs karena menghasilkan power density yang lebih besar daripada substrat yang lain walaupun glukosa memiliki couloumbic efficiency paling rendah karena glukosa merupakan substrat yang dapat difermentasi sehingga elektron yang dihasilkan lebih banyak digunakan untuk proses metanogenesis dan fermentasi (Lee et al, Du et al, 2007).
Dalam pembuatan limbah artifisial dengan COD yang bervariasi (400, 800, 1200 mg/L), dilakukan percobaan berkali-kali (trial and error) hingga mencapai konsentrasi yang diharapkan. Berikut ini merupakan cara pemubatan dan pengujian COD:
Mulai COD 400 mg/L pengenceran 1 x Pencampuran larutan asam asetat dan glukosa Pengaturan pH mencapai netral menggunakan NaOH 5M Masing-masing sampel diambil 2,5 mL COD 800 mg/L pengenceran 2 x COD 1200 mg/L pengenceran 3 x Pencampuran sampel dengan reagen Dipanaskan di COD reaktor selama 2 jam Pengukuran absorbansi dengan λ 600 nm Analisis data Pengambilan sampel 2,5 ml ke tabung reaksi Selesai Gambar 3.5
Diagram Alir Proses Pembuatan Limbah Artifisial
Untuk membuat limbah artifisial mula-mula menyiapkan asam asetat dan glukosa dengan jumlah yang telah ditentukan dan dilakukan pengenceran masing- masing hingga mencapai volume 100 mL. Kemudian kedua larutan dicampur, maka didapatkan air limbah sebanyak 200 mL. Untuk mendapatkan volume limbah yang lebih besar, komposisi bahan pembuat air limbah artifisial ditambahkan sesuai kelipatannya. Setelah itu dilakukan pengaturan pH hingga mencapai suasana netral menggunakan larutan penyangga NaOH 5M (Jung, et al.,2011). Ketika pH sudah netral, sampel diambil sebanyak 2,5 mL dan dilakukan pengenceran sesuai kebutuhan konsentrasi COD (400 mg/L 1 kali, 800 mg/L 2 kali, 1200 mg/L 3 kali pengenceran). Setelah diencerkan, sampel dipipet ke tabung reaksi sebanyak 2,5 ml lalu ditambahkan 1,5 mL digestion solution dan 3,5 mL pereaksi asam sulfat. Sampel yang telah dibuat, dipanaskan di COD reaktor selama 2 jam dengan temperatur 150 °C. Selanjutnya sampel yang telah dipanaskan, didiamkan beberapa saat untuk menghilangkan panas dan bisa dilakukan analisis menggunankan spektrofotometer dengan panjang gelombang 600 nm (SNI 6989.2:2009).
Air limbah dapat diolah secara biologis apabila terdapat nitrogen dan fosfor dalam jumlah yang cukup. Rasio karbon, nitrogen dan fosfor (C:N:P) pada
pengolahan biologis yang optimum adalah 100:5:1 (Gray, 2004) sehingga pada penelitian ini, digunakan rasio tersebut.
Tabel 3.6
Massa Molekul Relatif Nutrien N dan P
KNO3 KH2PO4
Ar K 39,10 Ar K 39,10
Ar N 14,00 Ar H 2 x 1,00 = 2
Ar O 3x15,99 = 47,99 Ar P 30,97
Ar O 4 x 15,99 = 63,99
Mr KNO3 101,10 gram/mol Mr KH2PO4 136,099 gram/mol
Contoh perhitungan nutrisi COD 400 mg/l rasio C : N : P = 100 : 5 : 1 di dalam 200 mL air limbah artifisial.
Massa KNO3 yang ditambahkan sebagai unsur N Massa KNO3 = 3 � x � � � � � xKonsentrasi COD x V = 101,10 � � / 14 � � / x 5 100 x 400 mg/l x 0,2 liter = 28,885 �
Massa KH2PO4 yang ditambahkan sebagai unsur P
Massa KH2PO4 = 2 4 � x � � � � � x Konsentrasi COD x V = 136,099 � � / 30,97 � � / x 1 100 x 400 mg/l x 0,2 liter = 3,516 �
Dalam tes COD dan BOD, konsentrasi bahan organik dihitung dari konsumsi oksidan yang diperlukan untuk oksidasi bahan organik. Perbedaan utama adalah oksidan yang digunakan dan kondisi operasional selama pengujian. Dalam kasus COD, sampel air limbah yang mengandung bahan organik dikontakkan dengan oksidan anorganik yang sangat kuat, campuran dikromat dan asam sulfat dengan sulfat perak sebagai katalis. Suhu meningkat dan mengakibatkan peningkatan tingkat oksidasi. Setelah dua jam (durasi standar tes) oksidasi senyawa organik hampir selesai. Nilai yang dihasilkan COD dapat
ditentukan dengan cara titrasi atau dengan bantuan spektrofotometer. Nilai COD teoritis dari senyawa tertentu dapat dihitung dari pertimbangan stoikiometri. Jika nilai teoritis ini sesuai dengan nilai eksperimental, disimpulkan bahwa oksidasi bahan organik selesai. Teoritis COD dari senyawa dengan rumus C struktural dapat ditentukan dari dua persamaan redoks yang menggambarkan reaksi oksidasi keseluruhan.
a. Reaksi Oksidasi
CxHyOz + (2x-z).H2O → x.CO2 + (4x + y – 2z).H+ + (4x + y -2z).e- atau 1/(4x + y – 2z). CxHyOz + (2x-z)/ (4x + y – 2z). H2O → x/(4x + y – 2z).CO2 +
H+ + e- (1.1a)
b. Reaksi Reduksi
e- + H+ + ¼. O2 → ½ H2O (1.1b)
Setelah persamaan (1.1a) dan (1.1b) digabung maka menjadi:
CxHyOz + ¼·(4x+y-2z)·O2 → x·CO2 + y/2·H2O (1.1) Dari persamaan (1.1) dapat diketahui bahwa teori COD (atau kebutuhan oksigen teoritis) 1 mol senyawa CxHyOz berjumlah ¼ · (4x + y-2z) mol O2. Mengetahui bahwa massa molar CxHyOz dapat dinyatakan sebagai (12x+y+16z) g.mol-12 dan massa molar oksigen adalah 32 gram, dapat disimpulkan bahwa COD dari (12x + y + 16z) gram senyawa CxHyOz sama dengan ¼ · (4x + y -2z) · 32 = 8 · (4x + y-2z) gram O2. Oleh karena itu COD teoritis per satuan massa CxHyOz adalah:
CODt = 8. (4x+y-2z)/ (12x+y+16z) g COD. g-1 CxHyOz (1.2) Ketika prosedur untuk uji COD sudah dipenuhi, hampir semua senyawa hasil eksperimen tidak akan berbeda beberapa persen dari nilai teoritis. Hal ini mengarah pada kesimpulan bahwa:
1. Selama menguji COD bahan organik benar-benar teroksidasi, dan 2. Ketepatan dan kemampuan pengujian akurat.
Persamaan (1.2) dapat digunakan untuk menghitung COD teoritis per satuan massa untuk rumus struktur yang berbeda CxHyOz. Tabel dibawah ini menunjukkan nilai COD untuk beberapa senyawa (wastewaterhandbook.com).
Tabel 3.7
Nilai COD Teoritis per Unit Massa
Sumber: www.wastewaterhandbook.com
Perhitungan COD glukosa:
Nilai COD secara teoritis untuk 1 kg glukosa (C6H12O6) adalah Dari persamaan (1.2) dan diketahui bahwa x=6, y=12, dan z=6, maka CODt = 8.( (4.6)+(12)-(2.6))/ ((12.6)+(12)+(16.6))
= 192/180
= 1,067 mg COD/ mg C6H12O6 = 1,067 kg COD/ kg C6H12O6
Perhitungan COD asam asetat:
Nilai COD secara teoritis untuk 1 kg asam asetat (CH3COOH) adalah Dari persamaan (1.2) dan diketahui bahwa x=2, y=4, dan z=2, maka
CODt = 8. ((4.2)+(4)-(2.2))/ ((12.2)+(4)+(16.2)) = 64/60
= 1,067 mg COD/ mg CH3COOH = 1,067 kg COD/ kg CH3COOH
Konversi COD ke metan
Satu mol metan membutuhkan 2 mol oksigen untuk mengoksidasinya menjadi karbondioksida dan air. Maka, satu gram metan yang diproduksi sama dengan penyisihan 4 gram COD. Reaksiya adalah (Rabaey et al, 2005):
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 16 64
Atau 1 kg COD = 250 gram CH4 250 gram CH4 = 250
16 mol gas
= 15,62 mol
1 mol gas STP = 22,4 liter 15,62 mol x 22,4 = 349,8 liter = 0,35 m3 CH4 Dalam 1,067 kg COD = 0,37 m3 CH4