PENGGUNAAN GRAFIT MESOPORI BERLAPIS
POLIANILIN SEBAGAI ELEKTRODA PADA
MICROBIAL
FUEL CELL
RIBUT WAHIDIN
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Penggunaan Grafit Mesopori Berlapis Polianilin sebagai Elektroda pada Microbial Fuel Cell adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, September 2014
Ribut Wahidin
ABSTRAK
RIBUT WAHIDIN. Penggunaan Grafit Mesopori Berlapis Polianilin sebagai Elektroda pada Microbial Fuel Cell. Dibimbing oleh AKHIRUDDIN
MADDU dan GUSTAN PARI.
Microbial fuel cell adalah suatu alat yang dapat menghasilkan listrik dari
komponen organik melalui katabolisme pada mikrobial. Namun, rendahnya
power density yang dihasilkan pada sistem MFC menjadi salah satu kendala
utama. Tujuan penelitian ini untuk menentukan kelebihan grafit mesopori berlapis polianilin sebagai elektroda pada sistem MFC. Penelitian ini dilakukan dengan metode chemical treatment dalam pembentukan struktur mesopori permukaan
grafit dan Polimerisasi elektrokimia potensiostatik dalam pelapisan grafit dengan polianilin. Penelitian ini menghasilkan power density tertinggi pada grafit tanpa
perlakuan 0.0059 mW.m-2, grafit mesopori 0.6 mW.m-2, pelapisan polianilin 1.895 mW.m-2 dan grafit mesopori berlapis polianilin 3.557 mW.m-2. Hasil ini memperlihatkan perlakuan pembentukan mesopori pada permukaan grafit serta pelapisan polianilin pada permukaan grafit dapat meningkatkan power density dari
sistem MFC.
Kata kunci : Anoda, microbial fuel cell,polianilin, power density
ABSTRACT
RIBUT WAHIDIN. The Use of Mesoporous Graphite Coated Polyaniline as Electrodes in Microbial Fuel Cell. Supervised by AKHIRUDDIN MADDU and GUSTAN PARI.
Microbial fuel cell is a device can generate electricity from organic components through the microbial catabolism. However, the low power density generated in the MFC system is to be one of the main obstacles. The aims study was to determine the excess graphite-coated mesoporous polyaniline as an electrode in the MFC system. This research was conducted by the method of chemical treatment in the formation of mesoporous structure of the graphite surface and electrochemical polymerization potensiostatic in graphite coating with polyaniline. This study resulted in the highest power density were 0.0059 mW.m-2 in the untreated graphite, 0.6 mW.m-2 in mesoporous graphite, 1.895 mW.m-2 in polyaniline coating and 3.557 mW.m-2 in graphite-coated mesoporous polyaniline. The results showed that formation of mesoporouse treatment on the surface of graphite and polyaniline coating on the graphite surface can increase the power density of the MFC system.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
PENGGUNAAN GRAFIT MESOPORI BERLAPIS
POLIANILIN SEBAGAI ELEKTRODA PADA
MICROBIAL
FUEL CELL
RIBUT WAHIDIN
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi : Penggunaan Grafit Mesopori Berlapis Polianilin sebagai Elektroda pada Microbial Fuel Cell.
Nama : Ribut Wahidin NIM : G74100009
Disetujui oleh
Dr Akhiruddin Maddu, MSi Pembimbing I
Prof (R) Dr Gustan Pari Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr Akhiruddin Maddu, MSi Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas nikmat dan karunia yang telah diberikan. Shalawat serta salam senantiasa tercurah kepada Rasulullah SAW, tauladan yang telah membawa kita menuju zaman yang terang benderang. Atas rahmat-Nya pula sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul “Penggunaan Grafit Mesopori Berlapis Polianilin sebagai Elektroda pada Microbial Fuel Cell” sebagai salah satu syarat untuk memperoleh
gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan penelitian dan karya ilmiah ini, diantaranya:
1. Dosen pembimbing skripsi Bapak Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si dan Prof (R). Dr. Gustan Pari yang telah memberikan ide, saran, dan bimbingan selama penelitian.
2. Dosen pembimbing akademik serta semua dosen dan staff Departemen Fisika IPB.
3. Kedua orang tua, kakak dan semua keluarga besar yang selalu memberikan do’a, nasehat, semangat, dan motivasi kepada penulis. 4. Yudha Jati Wiratmoko sebagai rekan penelitian, serta teman-teman
fisika 47 dan Pondok AA yang selalu memberikan semangat dan motivasi kepada penulis.
5. Beasiswa Bidik Misi yang telah memberikan bantuan biaya dalam pelaksanaan penelitian sehingga berjalan dengan lancar.
Selanjutnya, Penulis menyadari banyak terdapat kekurangan dalam penulisan dan penyusunan karya ilmiah ini. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2014
DAFTAR ISI
Pembuatan elektroda grafit mesopori 7
Karakterisasi karbon mesopori dengan uji iod 7 Karakterisasi BET(Brunauer Emmet Teller) 7
Pelapisan polianilin pada grafit 7
Pengujian elektroda grafit menggunakan LCR meter 8
Penyiapan substrat SMFC 8
Konduktansi Grafit Berlapis Polianilin 11
Kinerja SMFC 12
SIMPULAN DAN SARAN 17
DAFTAR PUSTAKA 18
LAMPIRAN 20
DAFTAR TABEL
1 Metode modifikasi anoda, substrat, dan peningkatkan kinerja MFC 3
2 Komposisi gizi ampas kedelai 5
3 Jenis substrat dengan biokatalisnya 5
4 Hasil pengujian daya jerap iod grafit mesopori 9
5 Hasil pengujian BET sampel grafit 10
DAFTAR GAMBAR
1 Prinsip kerja sistem MFC 4
2 Model produksi listrik SMFC 4
3 Rancangan reaktor SMFC 8
4 Hasil karakterisasi LCR Meter 11
5 Hasil pengujian tegangan 13
6 Hasil pengujian arus 14
7 Produksi listrik SMFC hari ke 1 15
8 Produksi listrik SMFC hari ke 2 16
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian 20
2 Tahapan pengujian daya jerap iod 21
3 Perhitungan daya jerap iod 22
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Energi baru dan terbarukan (EBT) saat ini sudah ramai dibicarakan sebagai energi alternatif. Kebutuhan energi terbarukan dalam menggantikan bahan bakar fosil yang tidak dapat terbaharukan sudah menjadi pemikiran banyak orang sejak tahun 1970 ketika krisis energi di dunia berlangsung. Peranan ini menjadi sangat penting, terlebih dengan semakin besarnya emisi gas buangan kendaraan bermotor yang mencapai sekitar 3 juta ton karbondioksida ke udara pada setiap tahunnya serta memberikan dampak besar terhadap perubahan iklim global.
Energi listrik dapat dilakukan melalui teknologi microbial fuel cell (MFC).
Teknologi ini memanfaatkan senyawa yang mengandung hidrogen atau senyawa yang menghasilkan elektron sehingga ramah lingkungan.1 MFC merupakan salah satu tipe bioelectrochemical systems (BESs) yang mengubah biomassa secara
spontan menjadi energi listrik melalui aktivitas metabolisme mikroorganisme.2 Prinsip kerja MFC yaitu terdapat aliran proton dari ruang anoda menuju ruang katoda melalui membran elektrolit dan aliran elektron yang bergerak ke arah yang sama melalui kabel konduksi.3
Sistem MFC mempunyai kelebihan apabila dibandingkan sistem pembangkit listrik lainnya. Operasi sistem MFC dapat berlangsung pada kondisi suhu ambient, pH netral, tekanan normal, sumber bahan bakarnya banyak tersedia,
dan bahkan ketersediaannya tidak terbatas. Beberapa penelitian yang sudah ada, hasil keluaran MFC berupa power density masih tergolong kecil, hal ini terjadi
karena rendahnya hasil oksidasi dalam substrat sehingga banyak dilakukan penelitian untuk meningkatkan kinerja dari sistem MFC. Peningkatan kinerja sistem MFC dapat dilakukan dengan beberapa usaha diantaranya meningkatkan daya konduksi dengan membedakan kekuatan ion, megunakan akseptor elektron baru seperti permanganate, serta mengurangi jarak elektroda.4,5,6 Material
elektroda berupa material komposit sudah banyak dikembangkan pada eletroda anoda.
Saat ini, bahan polimer yang bersifat konduktif sudah banyak menarik perhatian untuk diaplikasikan pada sensor kimia, sensor biologi, elektroda, dan perangkat elektronik. Bahan ini juga memiliki kelebihan seperti lingkungan stabil, kemudahan disintesis, dan daya konduksi tinggi pada suhu kamar.7 Salah satu contoh dari bahan polimer ini adalah polianilin (PANi). Schröder and Scholz menerangkan apabila platina anoda termodifikasi polianilin dapat meningkatkan arus keluaran.8 Furukawa juga menggunakan modifikasi polianilin untuk meningkatkan kinerja MFC.7 Modifikasi menggunakan polianilin berfungsi sebagai penghubungkan dari kumpulan elektron dengan elektroda secara langsung, daripada menggunakan penghubung dari luar seperti methylene blue. Bahan
polimer ini dapat meningkatkan nilai konduktivitas serta transfer elektron dari sistem MFC.
2
grafit dengan polianilin diharapkan mampu meningkatkan nilai konduktivitas serta transfer elektron dari sistem MFC. Penelitian ini diharapkan dapat diperoleh keluaran energi listrik yang lebih besar dari perlakuan penelitian yang sudah ada.
Perumusan Masalah
1. Apakah permukaan mesopori elektroda grafit mempengaruhi kinerja MFC? 2. Apakah pelapisan polianilin pada elektroda grafit mesopori mampu
meningkatkan kinerja MFC menjadi lebih baik?
3. Apakah limbah ampas kedelai sebagai substrat pada MFC dapat menghasilkan keluaran listrik?
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kelebihan grafit mesopori berlapis polianilin sebagai elektroda pada MFC dan menentukan besarnya luaran
power density yang dihasilkan.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan mampu memberikan informasi tentang teknologi MFC dalam menghasilkan listrik. Teknologi ini dapat diaplikasikan dalam skala yang cukup besar untuk menghasilkan tenaga listrik sebagai sumber energi listrik alternatif.
Ruang Lingkup Penelitian
Kajian yang dilakukan pada penelitian ini penerapan grafit mesopori berlapis polianilin sebagai elektroda pada MFC menggunakan media substrat. Anoda dari grafit baterai dimodifikasi dengan memberi perlakuan chemical treatment untuk membentuk struktur mesopori pada permukaan grafit dan
pelapisan grafit dengan bahan polimer konduktif berupa polianilin. Penelitian sebelumnya juga menjelaskan tentang perlakuan terhadap permukaan anoda menggunakan metode perlakuan asam, panas, dan polianilin sebagai salah satu jenis dari polimer konduktif yang digunakan dalam pelapisan ataupun komposit anoda dapat meningkatkan keluaran power density dari sistem MFC (Tabel 1).
3 Tabel 1 Metode modifikasi anoda, substrat, dan peningkatkan kinerja MFC.9
Material Metode Substrat Peningkatan Kinerja
Surface Treatment
NH3
gas treatment
Domestic Washwater Increase power density by 20%, reduce start-up time by
Acid (H2SO4) treatment Domestic Washwater Increase power density by
8% Surface
Treatment
Acid and heat treatment Domestic Washwater Increase power density by 25%
Marine sediments 1.2-Fold increase in kinetic activity
TINJAUAN PUSTAKA
Mikrobial Fuel Cell
Microbial fuel cell merupakan suatu alat yang dapat menghasilkan listrik
dari komponen organik melalui katabolisme pada mikrobial. Elektron dihasilkan selama proses oksidasi yang dilakukan oleh mikroba, kemudian elektron akan berpindah melalui membran.10 Prinsip kerja sistem MFC adalah bakteri pada bejana anoda mentransfer elektron dari donor elektron ke elektroda anoda (Gambar 1).11 Bakteri yang hidup pada bejana anoda mengkonversi substrat seperti glukosa, asetat dan juga limbah cair menjadi CO2, proton dan elektron. Bejana anoda berada dalam kondisi anaerobik dan bakteri mengubah penerima elektron alaminya menjadi penerima elektron insoluble contohnya anoda.
Penerimaan elektron oleh anoda terjadi melalui kontak langsung kabel-kabel nano (nanowires) atau pengangkut elektron yang dapat larut. Elektron mengalir dari
anoda melalui hambatan luar ke katoda. Selama produksi elektron, proton juga diproduksi dalam jumlah banyak. Proton ini bermigrasi melalui membran ke bejana katoda, selanjutnya bereaksi dengan oksigen menjadi air.11
Reaksi yang terjadi pada sistem MFC dengan contoh substrat asetat adalah sebagai berikut :
Reaksi pada anoda : CH3COO- + 2H2O 2CO2 + 7H+ +8e -Reaksi pada katoda : O2 + 4e- + 4H+ 2H2O
4
Sediment Microbial Fuel Cell
Sediment microbial fuel cell (SMFC) merupakan bentuk pengembangan dari
MFC. Prinsip kerja dari SMFC sangat sederhana, dimana dua elektroda yang saling terhubung ditempatkan, yaitu anoda pada kedalaman sedimen yang bersifat anaerobik dan katoda pada badan air yang mengandung oksigen terlarut.10 Mikroorganisme dapat mendegradasi penerima elektron dan bahan organik kompleks sehingga menghasilkan produk fermentasi. Mekanisme kerja sistem SMFC pada sedimen ampas kedelai serupa dengan rantai makanan mikroorganisme yang menggunakan anoda sebagai penerima elektron.
Produksi listrik SMFC (Gambar 2) memanfaatkan mikroorganisme hidup dalam reaksi elektrokimia sehingga menjadikan sistem MFC sangat sensitif terhadap perubahan kondisi lingkungan yang dapat membunuuh mikroorganisme tersebut. Struktur dan aktivitas mikroorganisme dipengaruhi oleh berbagai parameter yaitu suhu, pH, potensial redoks, suhu, dan kekuatan ion.
Gambar 2 Model produksi listrik SMFC.11
Kinerja SMFC secara umum tergantung dari komponen-komponen penyusunnya meliputi jenis dan struktur elektroda, ada atau tidaknya membran penukar proton, dan kelengkapan membran.13 Jenis bahan dan struktur anoda berdampak pada penempelan mikroorganisme, transfer elektron, dan oksidasi substrat. Bahan yang biasa digunakan sebagai anoda adalah karbon atau grafit, karena stabil terhadap perkembangbiakan mikroba, memiliki konduktivitas yang
5 tinggi, dan luas permukaan yang besar. Namun, penggunaan elektroda berbasis karbon pada katoda dapat menyebabkan kinerja yang belum efisien sehingga perlu dilakukan pelapisan dengan katalis.14,15
Substrat
Substrat merupakan sumber untuk produksi listrik dalam sistem MFC sebagai material organik sederhana sampai campuran kompleks misalnya terdapat pada limbah cair. Substrat kaya dengan kandungan organik untuk membantu pertumbuhan beragam mikroba aktif, namun dianggap lebih baik untuk produksi dalam waktu singkat. Beberapa substrat yang telah digunakan contohnya asetat glukosa, biomassa lignoselulosa dari sampah pertanian, limbah cair industri bir, limbah pati, selulosa, dan kitin.16 Optimasi komunitas mikroba aktif dapat menghasilkan peningkatan efisiensi transfer elektron dan degradasi substrat.
Berbagai bentuk bahan organik dapat dimanfaatkan sebagai substrat dalam
microbial fuel cell, misalnya: glukosa, pati, asam lemak, asam amino, protein, dan
air limbah dari manusia atau hewan. Percobaan MFC pada berbagai jenis substrat dan bakteri sebagai biokatalisnya dapat dilihat pada Tabel 2. Ampas kedelai yang digunakan sebagai substrat memiliki komposisi kandungan gizi yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 2 Jenis substrat dengan biokatalisnya.17
Jenis Substrat Biokatalis
Galaktosa, maltosa, sukrosa,
trehalose Proteus vulgaris
Pati (starch) Clostridium butyricum atau C. Beijerinckii
Asetat E. coli
Endapan kotoran E.coli K12
Glukosa Rhodoferax ferrireduncens
Tabel 3 Komposisi gizi ampas kedelai.18
Zat Gizi Kadar (%)
6
Elektroda
Elektroda merupakan material yang bersifat konduktif, biocompatible atau
sesuai dengan makhluk hidup, dan secara kimia stabil di dalam larutan bioreaktor. Area permukaan elektroda yang lebih luas diberikan oleh elektroda lelehan grafit. Akan tetapi, tidak semua area permukaan yang terindikasi dapat digunakan oleh bakteri.19 Karbon aktif adalah karbon dengan struktur amorphous atau
monokristalin melalui perlakukan khusus sehingga memiliki luas permukaan 300-2000 m2g-1. Karakteristik karbon yang ideal adalah pada rentang pH antara 5-6 (50g/L H2O, 20oC), titik leleh 3800oC, dan ukuran partikel ≤ 50 μm. Resin perekat (10-10/Ω.m – 10-15/Ω.m) berguna untuk merekatkan karbon aktif sehingga memiliki struktur yang kuat dan tidak rapuh selama MFC dioperasikan.
Polianilin
Polianilin adalah salah satu bahan polimer konduktif yang banyak dikaji pada lebih dari dua dekade terakhir karena sifat fisika dan kimianya yang khas sehingga memiliki potensi aplikasi yang luas. Bahan polimer konduktif ini sangat unik yaitu dapat mengalami perubahan sifat listrik dan optik yang dapat balik (reversible) melalui reaksi redoks dan doping-dedoping atau
protonasi-deprotonasi sehingga sangat potensial dimanfaatkan pada berbagai aplikasi. Bahan polianilin telah digunakan pada berbagai aplikasi misalnya sensor kimia khususnya sensor gas, piranti elektrokromik, sel fotovoltaik, LED polimer, dan baterai sekunder.20
Material Mesopori
Material mesopori merupakan material solid berpori yang mempunyai diameter pori antara 2 nm sampai 50 nm. Definisi ini berasal dari International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), yang membagi material solid berpori menjadi tiga kategori berdasarkan ukuran diameter porinya (d), yaitu
mikropori (d < 2 nm), mesopori (2 nm < d < 50 nm), dan makropori (d > 50 nm).
Riset mengenai material mesopori muncul karena kebutuhan material dengan sistem pori yang dapat dikontrol sehingga mempunyai aplikasi luas untuk penetrasi molekul berukuran antara sub-nanometer sampai nanometer.21
METODE
Bahan
7
Alat
Alat-alat yang digunakan untuk membuat rangkaian SMFC adalah akrilit, timbangan digital, multimeter, elektroda karbon, kabel, blender, dan gelas ukur.
Prosedur Analisis Data
Pembuatan elektroda grafit mesopori
Membuat struktur mesopori dari bahan batang grafit baterai menggunakan proses aktivasi. Metode yang digunakan chemical treatment dengan proses
aktivasi berupa aktivasi kimia. Batang grafit baterai yang sudah dipisahkan dicuci dengan alkohol 70% dan aseton. Bahan batang grafit direndam pada larutan basa kuat KOH dengan perbandingan massa 1:1 selama 24 jam. Proses dilanjutkan dengan dikeringkan pada suhu 60o selama 3 jam. Batang grafit kemudian direndam pada larutan HCl 10% selama 2 jam dan dicuci dengan aquades sampai diperoleh pH normal (pH=7).
Karakterisasi grafit mesopori dengan uji iod
Batang grafit yang sudah diaktivasi selanjutnya dihaluskan kemudian dikeringkan. Setelah itu serbuk grafit disaring kemudian serbuk grafit diambil 0.25 g. Serbuk grafit halus dicampur laruran IOD 0.1 N sebanyak 25 mL pada enlemeyer dan digoyang – goyangkan selama 15 menit. Grafit kemudian disaring dengan kertas saring. Larutan Iod dibagi menjadi 2 ke dalam labu enlemeyer dengan masing – masing 10 mL lalu dititrasi dengan Natrium Tio Sulfat (Na2S2O2) hingga larutan berwarna kuning. Indikator kanji kemudian ditambahkan sebanyak 3 tetes dan selanjutnya ditambahkan Natrium Tio Sulfat (Na2S2O2) hingga larutan berwarna bening.
Karakterisasi BET (Brunauer Emmet Teller)
Batang grafit yang sudah diaktivasi kemudian dihaluskan dan dilakukan uji BET untuk mengetahui ukuran diameter, luas permukaan, dan volume pori yang dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung.
Pelapisan polianilin pada grafit
8
Pengujian elektroda grafit menggunakan LCR meter
Pengujian konduktansi elektroda gafit dilakukan menggunakan alat Instrumen LCR meter 5 MHz. Semua elektroda grafit diuji dengan mode tegangan konstan sebesar 1.5 Volt, pergerakan dalam speed slow dan delay nol detik, dan
frekuensi awal yang diberikan 50 Hz sampai 10000 Hz. Pengambilan data pengukuran dilakukan sebesar 100 titik secara acak dalam rentang frekuensi tersebut.
Penyiapan substrat SMFC
Limbah pengolahan kedelai yang digunakan berasal dari Pabrik pembuatan tahu di daerah Cibeureum, Bogor. Limbah yang digunakan adalah bagian ampas kedelai. Bahan tersebut menjadi media untuk perkembangan bakteri atau dikenal sebagai substrat. Limbah ampas kedelai diambil sore hari kemudian didiamkan semalaman ± 17 jam sampai siap digunakan besok paginya. Bahan tersebut sebelumnya dicampur dengan bahan tambahan yaitu gula 1 M sebesar 10% dari jumlah substrat. Substrat telah siap pakai untuk proses SMFC.
Pembuatan reaktor SMFC
Desain sistem reaktor SMFC yang digunakan adalah MFC satu bejana. Reaktor yang digunakan terbuat dari bahan plastik dengan dimensi bejana 8x8x15 cm. Perbandingan volume substrat dan air yang digunakan 50:50. Elektroda katoda (bagian atas) yang digunakan adalah empat grafit baterai biasa, sedangkan anoda (bagian bawah) adalah satu gafit biasa (kontrol), grafit+KOH (1:3), dua lainnya grafit biasa dan grafit KOH (1:3) yang berlapis polianilin. Rancangan reaktor SMFC ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3 Rancangan reaktor SMFC.
Pengujian kinerja SMFC
9 dimulai pukul 12.00 s/d 16.00 WIB dilanjutkan pengukuran hari ke 2 selama 5 jam dalam selang waktu setiap satu jam dari jam ke 22 sampai jam ke 27 pukul 11.00 s/d 16.00 WIB sehingga lama pengujian 27 jam.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Elektroda Grafit Mesopori
Pembuatan grafit mesopori dilakukan dengan metode chemical treatment.
Metode ini merupakan proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik dengan menggunakan bahan kimia berupa larutan basa kuat KOH. Bahan-bahan pengaktif tersebut berfungsi untuk mendegradasi atau penghidrasi molekul organik selama proses karbonisasi, membatasi pembentukan tar, membantu dekomposisi senyawa organik pada tahap aktivasi berikutnya, mengurangi air yang terjebak dalam rongga-rongga karbon, membantu menghilangkan endapan hidrokarbon yang dihasilkan saat proses karbonisasi, dan melindungi permukaan karbon sehingga kemungkinan terjadinya oksidasi dapat dikurangi.22 Pengujian untuk mengetahui ukuran pori yang terbentuk dilakukan dengan pengujian daya jerap iod (Tabel 4).
Tabel 4 Hasil pengujian daya jerap iod grafit mesopori Sampel Grafit Daya Jerap Iod (mg.g-1)
10
larutan ini membantu menghilangkan endapan hidrokarbon yang dihasilkan pada proses karbonisasi.23
Hasil Karakterisasi BET
Batang grafit diaktivasi, diuji daya jerap iodnya, dan selanjutnya dilakukan pengujian BET. Pengujian ini merupakan teknik untuk memperkirakan luas permukaan sebagai suatu parameter yang erat hubungannya dengan kemampuan adsorpsi suatu adsorben. Persamaan BET digunakan dalam menentukan luas permukaan karbon aktif dari adsorpsi isoterm nitrogen yang diukur pada 77K. Analisis BET bertujuan untuk mengetahui karakter fisik dari karbon yang memiliki kemampuan optimum sebagai adsorben. Ciri fisik yang dianalisi yaitu ukuran diameter dan volume pori sehingga diharapkan luas permukaan dapat diperkirakan. Pengujian ini dilakukan untuk membandingkan hasil dari uji daya jerap iod pada pengujian sebelumnya. Uji daya jerap iod pada dasarnya menggunakan larutan iodin untuk mengetahui pori, sedangkan pengujian BET menggunakan gas dengan hasil pengujian yang lebih baik. Pengujian BET dilakukan pada 3 bahan Grafit, yaitu grafit kontrol dan 2 grafit yang direndam dalam KOH dengan perbandingan 1:3 dan 1:6. Hasil pengujian BET sampel grafit dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5 Hasil pengujian BET sampel grafit
Sampel grafit Volume Pori Diameter Pori Luas Permukaan Grafit Kontrol 9.870 e-03 cc.g-1 1.520e+02 Å 2.598 m².g-1 Grafit + KOH (1:3) 1.536 e-02 cc.g-1 1.488e+02 Å 4.129 m².g-1 Grafit + KOH (1:6) 1.468 e-02 cc.g-1 1.883e+02 Å 3.119 m².g-1
11 Menurut Pari, besarnya daya jerap terhadap iodin berkaitan dengan terbentuknya pori pada karbon aktif dan berhubungan dengan pola struktur pori yang terbentuk dan mengindikasikan besarnya diameter pori karbon aktif tersebut yang mampu dimasuki oleh molekul-molekul dengan diameter kurang dari 10 Å.25 Hasil uji BET ukuran diameter pori grafit pada penelitian ini semua sampel lebih dari 100 Å (Tabel 5) sehingga akan mampu mengadsorpsi iodin. Namun, hasil pengujian daya jerap iod serta BET yang diperoleh menunjukkan hubungan yang tidak linear. Pengujian daya jerap iod dengan menggunakan mekanisme adsorpsi larutan iodin memungkinkan tidak mampu menjangkau ukuran pori terkecil dari grafit sehingga ada beberapa pori yang tidak dapat terukur, sedangkan berdasarkan pengujian BET dengan menggunakan mekanisme adsorpsi gas yang pada umumnya nitrogen, argon, dan helium dapat menjangkau sampai ukuran pori terkecil. Berdasarkan pengujian iod pada sampel grafit yang direndam dengan KOH dengan perbandingan 1:6 menunjukkan hasil yang terbaik, sedangkan pengujian BET menunjukan sampel terbaik terjadi pada sampel grafit yang direndam dengan KOH dengan perbandingan 1:3. Perbandingan KOH yang lebih besar memberikan struktur pori besar yang disebabkan karena reaksi KOH dan permukaan grafit pada proses aktivasi serta memungkinkan sisa KOH yang masih menempel. Rendahnya penggunaan komposisi C-O pada perlakuan asam dan panas permukaan anoda memungkinkan sedikitnya terjadi kontaminasi yang mengganggu proses tranfer dari bakteri ke anoda.26
Konduktansi Grafit Berlapis Polianilin
Pengujian konduktansi grafit modifikasi dilakukan untuk mengetahui pengaruh dari pembentukan struktur mesopori dan pelapisan polianilin pada grafit terhadap konduktansi yang dihasilkan. Nilai konduktansi terbesar yang dihasilkan dari uji LCR Meter dari sampel grafit kontrol ±1.3 S pada frekuensi 652 Hz, grafit terlapisi polianilin ±1.29 S pada frekuensi 808 Hz, grafit yang direndam KOH dengan perbandingan 1:3 ±1.2 S pada frekuensi 586 Hz, dan grafit yang direndam
12
KOH dengan perbandingan 1:3 yang terlapisi polianilin sebesar ±1.34 S pada frekuensi 1175 Hz (Gambar 4). Nilai konduktansi menunjukkan grafit modifikasi memiliki daya hantar muatan listrik yang lebih besar daripada sampel lainnya. Semakin besar volume pori serta luas permukaan dari grafit maka akan lebih banyak jumlah nanoserat polianilin yang masuk pada pori-pori sehingga meningkatkan nilai konduktansi pada grafit tersebut yang disebabkan sifat bahan polianilin yang bersifat konduktif. Namun, besarnya nilai konduktansi dari grafit berdasarkan uji LCR meter belum dapat dikatakan baik dalam menerima transfer elektron dari substrat dikarenakan nilai konduktansi ini hanya menunjukkan sifat dari bahan yang baik dalam menghantarkan linstrik.
Penggunaan grafit modifikasi pada sistem SMFC sangat mempengaruhi transfer elektron dari substrat ke elektroda anoda. Perlakuan pembuatan struktur mesopori pada permukaan grafit memberikan tambahan area penempelan polianilin pada grafit sehingga jumlah lapisan polianilin yang menempel lebih banyak. Polianilin sebagai material konduktif dapat memfasilitasi transfer elektron dalam bahan elektroda dan dapat mengurangi hambatan internal untuk meningkatkan kinerja sistem. Pelapisan polianilin pada grafit mesopori dapat meningkatkan difusi dan efisiensi transfer ion dari elektrolit ke elektroda.
Kinerja SMFC
13
Gambar 5 Hasil pengujian tegangan hari ke 1 dari jam ke 0 sampai jam ke 4 (Pukul 12.00 s/d 16.00) dan hari ke 2 dari jam ke 22 sampai jam ke 27 (Pukul 11.00 s/d 16.00) dengan sampel grafit kontrol, grafit kontrol poli, grafit+KOH (1:3), dan grafit+KOH (1:3) poli
Penggunaan variasi elektroda juga mempengaruhi arus keluaran yang dihasilkan sesuai yang ditunjukkan Gambar 6. Pengujian kinerja SMFC hari ke 1 waktu ke 0 jam pengukuran sudah diperolehnya nilai arus keluaran untuk masing-masing sampel. Arus keluaran terbesar 5.68 µA pada grafit yang direndam KOH dan berlapis polianilin, sedangkan yang terkecil 0.14 µA pada grafit kontrol. Pengukuran 4 jam selanjutnya diperoleh arus keluaran yang meningkat seiring bertambahnya waktu. Arus keluaran terbesar terjadi pada elektroda grafit yang direndam KOH dan dilapisi polianilin 7.49 µA, pada elektroda grafit yang direndam KOH 0.79 µA, pada elektroda grafit kontrol yang terlapisi polianilin 5.2 µA, dan pada elektroda grafit kontrol 0.49 µA. Pengujian pada hari ke 2 diperoleh arus keluaran yang sudah menunjukkan penurunan. Waktu pengukuran selama 5 jam pada jam ke 22 sampai jam ke 27 diperoleh nilai arus keluaran terbesar pada masing-masing elektroda yaitu pada elektroda grafit yang direndam KOH dan dilapisi polianilin 18 µA, pada elektroda grafit yang direndam KOH 7.43 µA, pada elektroda grafit kontrol yang terlapisi polianilin 13.3 µA, dan elektroda grafit kontrol 0.36 µA.
14
Gambar 6 Hasil pengujian arus hari ke 1 dari jam ke 0 sampai jam ke 4 (Pukul 12.00 s/d 16.00) dan hari ke 2 dari jam ke 22 sampai jam ke 27 (Pukul 11.00 s/d 16.00) dengan sampel grafit kontrol, grafit kontrol poli, grafit+KOH (1:3), dan grafit+KOH (1:3) poli
Berdasarkan pengujian pada hari ke 1 menunjukkan tegangan keluaran dari sistem SMFC terjadi peningkatan seiring bertambahnya waktu, hal ini disebabkan adanya pertambahan jumlah reaksi dari metabolisme bakteri pada substrat ampas kedelai dalam menghasilkan elektron sehingga jumlah elektron yang ditransfer semakin besar. Pengujian hari ke 2 menunjukkan tegangan keluaran yang sudah mengalami penurunan. Penurunan ini menjelaskan produksi elektron oleh metabolisme dari substrat ampas kedelai sudah mengalami penurunan. Umumnya diketahui bahwa daya keluaran maksimum terjadi ketika daya hambatan dalam setara dengan daya hambatan luarnya. Salah satu faktor yang mempengaruhi daya hambatan internal adalah jarak rata-rata antara anoda dan katoda, ketika elektron dihasilkan pada bagian anoda jarak angkut rata-rata setiap proton untuk melakukan perjalanan menuju katoda relatif panjang panjangnya jarak dari anoda ke katoda memungkinkan terjadinya kehilangan elektron pada anoda.27
Penambahan polimer konduktor seperti polianilin dapat meningkat power density suatu bahan elektroda pada sistem SMFC. Penelitian sebelumnya
dilakukan penambahan polianilin secara coating dan komposit pada elektroda
anoda. Berdasarkan Gambar 7 menunjukkan hubungan antara tegangan, arus dan
power density hasil pengukuran hari ke 1 menggunakan empat elektroda berbeda.
Nilai power density menunjukkan bahwa besarnya produksi listrik persatuan luas
elektroda setiap pengukuran arus. Pengujian pada hari ke 1 diperoleh perbandingan besar power density pada masing-masing elektroda sehingga
diperoleh power density tertinggi terjadi pada elektroda grafit yang direndam
15
Gambar 7 Produksi listrik SMFC hari ke 1 pada jam ke 0 sampai jam ke 4 dari elektroda (A) grafit kontrol, (B) grafit kontrol poli (C) grafit+KOH (1:3), dan (D) grafit+KOH (1:3) poli dengan tegangan dan
power density terhadap arus
Pengujian berikutnya pada hari ke 2 diperoleh hasil hubungan antara tegangan dan power density terhadap arus yang tidak jauh berbeda. Produksi
listrik yang dihasilkan menunjukkan nilai yang lebih tinggi dari hari ke 1, tetapi pada hari ke 2 nilai power density sudah mulai mengalami penurunan. Hasil ini
menunjukkan hubungan yang linear antara arus terhadap tegangan sehingga ketika tegangan meningkat maka besar arus menunjukkan peningkatan begitu pula sebaliknya. Pengujian pada hari ke 2 diperoleh nilai power density pada
masing-masing variasi elektroda sehingga diperoleh power density tertinggi terjadi pada
16
Gambar 8 Produksi listrik SMFC hari ke 2 pada jam ke 22 sampai jam ke 27 dari elektroda (A) grafit kontrol, (B) grafit kontrol poli (C) grafit+KOH (1:3), dan (D) grafit+KOH (1:3) poli dengan tegangan dan
power density terhadap arus
Perbandingan antara ke empat elektroda modifikasi diperoleh perbedaan produksi listrik power density berdasarkan tegangan dan arus keluaran yang
dihasilkan. Perlakuan yang diberikan pada grafit elektroda berupa perlakuan
chemical treatment dan pelapisan polianilin memberikan pengaruh terhadap nilai
produksi listrik yang dihasilkan. Grafit kontrol tanpa diberikan perlakuan jika dibandingkan dengan ke tiga elektroda lainnya memiliki nilai power density
17 yang direndam KOH sedikit lebih baik. Pemberian perlakuan pelapisan polianilin juga mampu meningkatkan besar tegangan keluaran, hal ini ditunjukan dengan grafit kontrol serta grafit yang direndam KOH dan dilapisi polianilin menghasilkan power density terbesar dengan peningkatan hampir 4 kali lipat dari
keluaran power density grafit kontrol. Namun disamping itu, ada beberapa
kekurangan pada penelitian ini diantanya: proses SMFC hanya dapat berlangsung dalam sekali kinerja disebabkan sedimen substrat dengan air yang bercampur sehingga bakteri pada subtrat ketika telah habis tidak dapat ditambahkan kembali dan produksi listrik yang dihasilkan masih sangat kecil sehingga belum cukup untuk digunakan sebagai sumber listrik dari barang-barang elektronik.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Modifikasi anoda dari grafit baterai dengan perlakuan basa kuat dalam pembentukan permukaan mesopori serta pelapisan polianilin pada permukaan grafit mempengaruhi kinerja MFC. Perlakuan pembentukan permukaan mesopori pada grafit, semakin tinggi konsentrasi larutan pengaktivasi maka semakin bertambah banyak mineral yang teradsorpsi sehingga menyebabkan volume pori grafit cenderung bertambah besar, karena larutan ini membantu menghilangkan endapan hidrokarbon yang dihasilkan pada proses karbonisasi. Hasil karakterisasi BET menunjukkan permukaan grafit dengan ukuran diameter pori yang kecil akan terdapat jumlah pori-pori yang lebih banyak dibandingkan dengan ukuran diameter pori yang lebih besar, sedangkan banyaknya jumlah pori menunjukkan semakin besar volume pori dan luas permukaan yang terjadi. Penempelan polianilin dari proses pelapisan polianilin pada grafit dilihat dengan uji LCR meter yang menujukkan perbedaan nilai konduktansi dari masing-masing grafit. Pengujian kinerja SMFC dengan menggunakan substrat ampas kedelai serta perlakuan pembentukan permukaan mesopori dapat menghasilkan power density
tertinggi 0.6 mW.m-2, pelapisan polianilin 1.895 mW.m-2, dan elektroda yang diberikan perlakuan penambahan permukaan mesopori dengan pelapisan polianilin 3.557 mW.m-2 dengan peninggkatan hampir 4 kali lipat dibandingkan tanpa perlakuan. Perlakuan pembentukan permukaan mesopori serta pelapisan polianilin pada permukaan grafit dapat meningkatkan power density sistem MFC.
Saran
18
DAFTAR PUSTAKA
1. Suyanto E, Mayangsari A, Wahyuni A, Zuhro F, Isa S, Sutariningsih SE, Retnaningrum E. Pemanfaatan limbah cair domestik IPAL kricak sebagai substrat generator elektrisitas melalui teknologi microbial fuel cell ramah lingkungan. Seminar Nasional Biologi di Yogyakarta 24-25 September 2010. 2. Pant D, Bogaert GV, Diels L, Van Broekhoven K. A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production. Biores. Tech. 2010. 6(101): 1533-1543.
3. Hoogers G. Fuel cell components and their impact on performance. Di dalam Fuel Cell Technology Handbook, Hoogers G, editor. CRC Press. 2002.
4. Liu, H.; Cheng, S. A.; Logan, B. E. Environ. Sci. Technol, 2005. 39, 5488.
5. You, S. J.; Zhao, Q. L.; Zhang, J. N.; Jiang, J. Q.; Zhao, S. Q. J. Power Source
2006, 162: 1409.
6. Cheng, S. A.; Liu, H.; Logan, B. E. Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 2426.
7. Schroeder, U.; Niessen, J.; Scholz, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2880. 8. Niessen, J.; Schröder, U.; Rosenbaum, M.; Scholz, F. Electrochem. Commun.
2004, 6: 571.
9. Jincheng Wei, Peng Liang, Xia Huang. Recent Progress in Electrodes for Microbial Fuel Cell. Bioresource Technology. 2011. 102: 9335–9344.
10.Lovley DR. The microbe electric: conversion of organic matter to electricity. Curr Opin Biotechnol 19: 564–571Maddu. A, Wahyudi, S. T., Kurniati,M. (2008). Sintesis dan karakterisasi nanoserat polianilin. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi . 2008. 1(2): 74-78.
11.Liu H dan Logan BE. Electricity generation using an air cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of proton exchange membrane. J. Environmental Science Technology. 2004. 38: 4040.
12.Du, Zhuwei, H. Li, and T. Gu. A State Of The Art Review on Microbial Fuel Cell; A Promising Technology for Wastewater Treatment and Bioenergy. Journal Biotechnology Advances 2007. 25: 464-482.
13.Liu, H., Cheng, S., Logan B. Production of Electricity from Acetate or Butyrate Using a Single-Chamber Microbial Fuel Cell. Environ. Sci. Technol. 2005. 39: 658-662.
14.Chae, Kyu Jung. Choi, Mijin. Ajayi, Folusho F. Park, Wooshin. Chang, In Seop. and Kim, In S. Mass Transport through a Proton Exchange Membrane (Nafion) in Microbial Fuel Cells. Energy & Fuels. 2008. 22:169–176.
15.Pant D, Bogaert GV, Diels L, Van Broekhoven K. A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production. Biores. Tech. 2010. 6(101): 1533-1543.
16.Das and Mangwani. Recent developments in microbial fuel cells : a review.Scientific & Industrial Research . 2010. 69: 727-731.
17.Idham F, Halimi S, dan Latifah S. Alternatif Baru Sumber Pembangkit Listrik dengan Menggunakna Sedimen Laut Tropika Melalui Teknologi Microbial Fuel Cell. Teknologi Hasil Perairan. Institut Pertanian Bogor. 2009.
19 Kering Terhadap Nilai pH dan Komposisi Zat-Zat Makanannya. Jurnal Ilmu Ternak. 2005.Volume 5: 2.
19.Shaoan Cheng, Hong Liu, Bruce E. Logan. Increased performance of single-chamber microbial fuel cells using an improved cathode structure. Electrochemistry Communications.2006. 8 : 489–494.
20.Maddu Akhiruddin, Setyanto Tri Wahyudi, Kurniati Mersi. Sintesis dan Nanoserat Polianilin. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi ISSN 1979-0880. 2008.Vol. 1 No.2.
21. K. S. W. Sing, D. H. W. Everett, R. A. Haul, L. Moscou, J. Pierotti, J. Rouquerol, and T. Siemieniewska, “Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity”, Pure Appl. Chem. 1985. vol. 57, pp. 603.
22.Manocha, S. M. Porous Carbons. India Journal Sadhana. 2003. vol 28, part
1&2.
23.Kusuma, S. P., Utomo. Pembuatan Karbon Aktif. Bandung: Lembaga Kimia Nasional LIPI. 1970.
24.Purnama H, Setiati. Adsopsi Limbah Tekstil Sintesis dengan Jerami Padi. Jurnal Teknik Gelagar. 2004. Vol 15;1-9.
25.Pari G.Kajian Struktur Arang Aktif dari Serbuk Gergaji Kayu sebagai Adsorben Emisi Formaldehida Kayu Lapis [Disertasi Program Doktor]. Bogor: Sekolah Pascasarjana. Institut Pertanian Bogor. 2004.
26.Wang, X., Cheng, S.A., Feng, Y.J., Merrill, M.D., Saito, T., Logan, B.E., Use of carbon mesh anodes and the effect of different pretreatment methods on power production in microbial fuel cells. Environ. Sci.Technol. 2009. 43: 6870–6874.
20
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Persiapan
Elektroda Grafit Substrat MFC
Pembuatan elektroda
grafit mesopori Pembuatan substrat dari media Ampas tahu
Penambahan media dengan gula 1 M 10 % Pelapisan dengan polianilin
Pembuatan reaktor MFC Pengujian LCR Meter
Simpulan Analisis Pengujian
21 Lampiran 2 Tahapan pengujian daya jerap iod
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g)
Keterangan :
(a) Serbuk grafit baterai direndam dalam larutan iodin selama 15 menit (b) Larutan iodin dipisahkan dengan serbuk degan cara disaring
(c) Larutan iodin diambil sebanyak 10 ml
(d) Memompa larutan Natrium Tio Sulfat (Na2S2O2) hingga tepat nol
(e) Titrasi menggunakan larutan Natrium Tio Sulfat (Na2S2O2) pada larutan iodin
(f) Setelah larutan berubah warna menjadi warna kekuningan tambahkan indikator kanji sebanyak 3 tetes
22
Lampiran 3 Perhitungan daya jerap iod
24
Lampiran 4 Keterangan pelapisan polianilin
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
a) Grafit baterai
b) Elektrolit 60 ml berupa anilin 0.2 M + HCL 1.2 M c) AMEL Instrument model 2053
d) Potensiostatik 3 elektroda
25
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jepara pada tanggal 19 Agustus 1992 sebagai anak dari Bapak Suliyono dan Ibu Sri Hartini. Penulis merupakan anak ke empat dari empat bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar di SDN Tulakan 07 pada tahun 2004. Pendidikan tingkat menengah pertama diselesaikan penulis pada tahun 2007 di SMPN 02 Keling. Pendidikan tingkat menengah atas diselesaikan penulis tahun 2010 di SMAN 02 Pati dan pada tahun yang sama penulis diterima di Jurusan Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur ujian seleksi masuk IPB (USMI). Selama kuliah penulis aktif mengikuti Unit Kegiatan Mahasiswa Forum for Scientis Studies IPB (FORCES IPB), Wakil ketua Himpunan Profesi Fisika
tahun 2013-2014, Ketua Pelaksana acara Physics Expo 2013, dan beberapa kepanitian lainnya.
