ELEKTROLISIS LIMBAH CAIR INDUSTRI PELAPISAN LOGAM DENGAN MENGGUNAKAN ELEKTRODA KARBON
UNTUK MENURUNKAN KADAR LOGAM KROMIUM (Cr), ZINK (Zn), DAN KADMIUM (Cd)
SKRIPSI
VALENTINA HUTAGALUNG 130802007
PROGRAM STUDI S1 KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
ELEKTROLISIS LIMBAH CAIR INDUSTRI PELAPISAN LOGAM DENGAN MENGGUNAKAN ELEKTRODA KARBON
UNTUK MENURUNKAN KADAR LOGAM KROMIUM (Cr), ZINK (Zn), DAN KADMIUM (Cd)
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
VALENTINA HUTAGALUNG 130802007
PROGRAM STUDI S1 KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2019
PENGESAHAN SKRIPSI
Judul : Elektolisis Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Dengan Menggunakan Elektroda
Karbon Untuk Menurunkan Kadar Logam Kromium (Cr), Zink (Zn), dan Kadmiun (Cd)
Kategori : Skripsi
Nama : Valentina Hutagalung
Nomor Induk Mahasiswa : 130802007
Program Studi : Sarjana (S1) Kimia
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (MIPA) Universitas Sumatera Utara
Disetujui di Medan, Juli 2019
Ketua Program Studi, Pembimbing,
Dr. Cut Fatimah Zuhra, M.Si Prof. Dr. Zul Alfian,M.Sc NIP. 197404051999032001 NIP.195504051983011002
PERNYATAAN ORISINALITAS
ELEKTROLISIS LIMBAH CAIR INDUSTRI PELAPISAN LOGAM DENGAN MENGGUNAKAN ELEKTRODA KARBON
UNTUK MENURUNKAN KADAR LOGAM KROMIUM (Cr), ZINK (Zn), DAN KADMIUM (Cd)
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil kerja sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing – masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2019
Valentina Hutagalung 130802007
PENGHARGAAN
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Bapa, Putra, dan Roh Kudus Yang Maha Kasih, oleh karena kasih dan anugrahNya, Ia tetap membimbing penulis dalam saat suka maupun duka sehingga dapat tersusun penulisan skripsi ini untuk memperoleh gelar Sarjana Sains di Universitas Sumatera Utara.
Ucapan terima kasih yang tiada terkira untuk Papa terhebat B. Hutagalung dan Mama tercinta dan terhebat dalam hidup saya, BS.Tobing, serta kepada abang-abang aku, Benny P.Hutagalung dan Sandro J.Hutagalung, dan kakak- kakakku Sri R.Hutagalung dan Junita K.Hutagalung dan adikku Ruth E.Hutagalung yang selalu mendukung, menasehati dan mendoakan. Tak lupa juga untuk seluruh keluarga besar yang selama ini memberikan bantuan, arahan dan dorongan positif yang diperlukan sehingga terselesaikan skripsi ini.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Almarhum Bapak Prof. Dr. Harlem Marpaung dan Prof.Dr. Zul Alfian, M.sc selaku dosen Pembimbing yang telah mengajarkan, mengarahkan, menyempurnakan dan membimbing hingga terselesaikan penulisan skripsi ini
2. Bapak Prof. Dr. Zul Alfian, M.Sc selaku Kepala Laboratorium Kimia Analitik FMIPA USU yang telah memberikan saran-saran dan nasehat kepada penulis
3. Ibu Dr. Cut Fatimah Zuhra, M.Si selaku Ketua Prodi Kimia FMIPA USU dan Ibu Sovia Lenny, S.Si, M.Si. selaku Sekretaris Prodi Kimia FMIPA USU yang turut memberikan arahan, perbaikan dan mensahkan skripsi ini.
4. Bapak Prof. Dr. Darwin Yunus Nst, M.S selaku dosen penasehat akademik yang selalu memberikan nasehat dan arahan dalam perkuliahan
5. Bapak Lintong Pane, M.Si dan bapak Amos, S.Si yang telah banyak memberikan bantuan dalam penelitian ini dan juga saran-saran yang sangat berharga dan membangun.
6. Aisyah sahabat terbaiku , buat adek-adekku Fajar Hutagalung dan Santa br, manurung dan bang Randi P.Sinaga yang banyak mendukung dan memberikan semangat positif selama mengemban pendidikan
Tuhan Yesus memberkati.
Medan, April 2019
Valentina Hutagalung
ELEKTROLISIS LIMBAH CAIR INDUSTRI PELAPISAN LOGAM DENGAN MENGGUNAKAN ELEKTRODA KARBON
UNTUK MENURUNKAN KADAR LOGAM KROMIUM (Cr), ZINK (Zn), DAN KADMIUM (Cd)
ABSTRAK
Limbah cair industri pelapisan logam mengandung logam berbahaya dan beracun sehingga sebelum dibuang ke perairan harus diturunkan konsentrasinya terlebih dahulu. Cara kimia yang biasa digunakan adalah dengan penambahan Poly Aluminium Chloride(PAC) di mana logam berbahaya akan berkurang konsentrasinya karena terikat oleh Poly Aluminium Chloride(PAC). Kemudian diikuti dengan pengukuran dan penentuan kadar logam dengan metode Spektrofotometri Serapan Atom. Pada penelitian ini digunakan metode elektrolisis dengan elektroda karbon. Limbah cair dielektrolisis dengan variasi tegangan 8,11,14 dan 17 volt dalam waktu 2 jam. Dari penelitian diperoleh tegangan optimum untuk menurunkan kadar logam-logam tersebut adalah sebesar 17 volt.
Penurunan logam Cr, Zn dan Cd dengan menggunakan tegangan optimum tersebut adalah masing-masing sebesar 63,02%, 70,02% dan 80,14%.
.
Kata kunci : elektrolisis, limbah cair, logam berat, pelapisan logam, Variasi tegangan 8, 11, 14, dan 17 volt
ELECTROLYSIS OF LIQUID WASTE OF METAL COATING INDUSTRIES USING CARBON ELECTRODY TO REDUCE CHROMIUM (CR), ZINK (Zn), AND CADMIUM (Cd) METALS
ABSTRACT
The liquid waste of the metal coating industry contains dangerous and toxic metals so that the concentration must be reduced before being discharged into the water. The chemical method commonly used is by adding Poly Aluminium Chloride (PAC) where the dangerous metal will concentrate because it is followed by Poly Aluminium Chloride(PAC). Then followed by measuring and determination of metal content by atomic absorption spectrophotometry method.
In this study used the electrolysis method with carbon electrodes. Liquid waste is electrolyzed with variations in voltage 8, 11, 14 and 17 volts within 2 hours. From the research the optimum voltage was obtained to reduce metal content. The metal is 17 volts, the decrease in Cr, Zn and Cd metals using the optimum voltage is 63.02%, 70.02% and 80.14% respectively.
Key words: electrolysis, liquid waste, heavy metals, metal coating, voltagr variation 8, 11, 14 dan 18 volt.
DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN SKRIPSI iii
PERNYATAAN ORISINALITAS iv
PENGHARGAAN v
ABSTRAK vi
ABSTRACT vii
DAFTAR ISI viii
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR LAMPIRAN xv
DAFTAR SINGKATAN xv
BAB 1 PENDAHULUAN 1 1.1 Latar belakang 1 1.2 Permasalahan 2 1.3 Tujuan Penelitian 3 1.4 Manfaat Penelitian 3 1.5 Metodologi Penelitian 3 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 4 2.1 Limbah Cair 4 2.2 Logam 6 2.2.1. Logam Berat 6 2.2.1.1. Kromium(Cr) 7 2.2.1.1.1. Sifat Kimia Kromium 8
2.2.1.1.2. Sifat fisika kromium 8
2.2.1.1.3. Toksisititas Logam kromium(Cr) 9 2.2.1.2. Logam Zink(Zn) 10 2.2.1.2.1. Sifat Logam Zn 10 2.2.1.3. Logam kadmium(Cd) 10
2.2.3.1. Sifat Logam Cd 10 2.2.3.2. Toksisitas Logam Cd 11 2.3. Elektrolisis 11
2.3.1. Aplikasi Elektrolisis 12 2.3.2.1. Elekroplating/pelapisan Logam 12 2.3.2.2. Elekrokoagulasi 14 2.4. Persamaan-Persamaan Dasar Dalam Elektrolisis 16 2.4.1. Persamaan Nernst 16
2.4.2. Perpindahan Massa 16
2.4.3. Hukum Faraday 16
2.4.3.1.Hukum Faraday I 17 2.4.3.2. Hukum Faraday II 17
2.4.4. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Elektrolisis 18
2.6. Elektroda 19
2.6.1. Jenis-Jenis Elektroda 20
2.6.2. Potensial Elektroda 21
2.7. Poly Aluminium Chlorid 22
BAB 3 METODE PENELITIAN 24
3.1. Waktu dan tempat 24
3.2. Alat dan bahan 24
3.2.1. Alat-alat 24
3.2.2. Bahan-bahan 25 3.3 Pengambilan sampel 25 3.4. Pembuatan larutan NaOH 1 N 25
3.5. Pembuatan Larutan Standar Zn 26
a. Larutan Blanko 26
b. Pembuatan Larutan Standar Zn 1000 mg/L 26 c. Pembuatan Larutan Standar Zn 100 mg/L 26 d. Pembuatan Larutan Standar Zn 10 mg/L 26 e. Pembuatan Larutan Seri Standar Zn 0,2; 0,4; 0,6;
0,8; dan 1,0 mg/L 26
f. Pembuatan Kurva Kalibrasi Zn 26
3.6. Pembuatan Larutan Standar Cd 27
a. Larutan Blanko 27
b. Pembuatan Larutan Standar Cd 1000 mg/L 27 c. Pembuatan Larutan Standar Cd 100 mg/L 27 d. Pembuatan Larutan Standar Cd 10 mg/L 27 e. Pembuatan Larutan Seri Standar Cd 0,2; 0,4; 0,6
0,8; dan 1,0 mg/L 27
f. Pembuatan Kurva Kalibrasi Cd 27
3.7. Pembuatan Larutan Standar Cr 28
a. Larutan Blanko 28
b. Pembuatan Larutan Standar Cr 1000 mg/L 28 c. Pembuatan Larutan Standar Cr 100 mg/L 28 d. Pembuatan Larutan Standar Cr 10 mg/L 28 e. Pembuatan Larutan Seri Standar Cr 0,2; 0,4; 0,6
0,8; dan 1,0 mg/L 28
f. Pembuatan Kurva Kalibrasi Cr
3.8. Penentuan Kadar Zn, Cd, Cr dalam Limbah Cair Elektroplating Sebelum Penambahan Poly
Aluminium Chloride (PAC) 29
a. Preparasi Sampel 29 b. Penentuan Kadar Zn, Cd dan Cr pada Sampel 29 3.9. Penentuan Kadar Zn, Cd, Cr dalam Limbah Cair
Elektroplating Setelah Penambahan Poly
Aluminium Chloride (PAC) 29
a. Preparasi Sampel 29 b. Penentuan Kadar Zn, Cd dan Cr pada Sampel 30
3.10. Proses elektrolisis Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Sebelum Penambahan Poly Aluminium
Chloride (PAC) 30
3.10.1. Elektrolisis Limbah Cair Industri Pelapisan
Logam dengan Katoda dan Anoda Karbon 30
a. Proses Elektrolisis dan Preparasi Sampel 30
b. Penentuan Kadar Zn, Cr dan Cd pada Sampel 30
3.10.2. Elektrolisis Limbah Cair Industri dengan Variasi tegangan 30 a. Proses Elektrolisis dan Preparasi Sampel 31 b. Penentuan Kadar Zn, Cr, dan Cd pada Sampel 31
3.11. Bagan Penelitian 32 3.11.1. Rangkaian Alat 32 3.11.2. Pembuatan Kurva Kalibrasi Zn 33 3.11.3. Pembuatan Kurva Kalibrasi Cd 33 3.11.4. Pembuatan Kurva Kalibrasi Cr 33 3.11.5. Penentuan Kadar Zn, Cd, Cr di dalam Limbah Cair Elektroplating Sebelum Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) 34 3.11.6. Penentuan Kadar Zn, Cd, Cr dalam Limbah Cair Elektroplating Setelah Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) 35 3.11.7. Proses elektrolisis Limbah Cair Elektroplating Sebelum Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) dengan elektroda Karbon 36 3.11.8. Proses elektrolisis Limbah Cair Elektroplating Tanpa Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) dengan variasi tegangan 37 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 38
4.1. Hasil penelitian 38
4.1.1. Logam kromium (Cr) 38
4.1.1.1. Penurunan Persamaan Garis Regresi 38
4.1.1.2. Penentuan koefisien Korelasi 40
4.1.1.3. Penentuan kandungan Kromium dalam Sampel 40
4.1.1.4. Penentuan kandungan Kromium dalam sampel tanpa penambahan PAC sebelum Elektrolisis dalam mg/L 42
4.1.1.5. Penentuan kandungan kromium dalam sampel setelah penambahan PAC dalam mg/L 43
4.1.1.6. Penentuan Kandungan kromium dalam sampel tanpa penambahan PAC setelah elektrolisis dengan tegangan 8 Volt 45
4.1.1.7. Persentase penurunan kadar logam Kromium dengan penambahan PAC 46
4.1.1.8. Persentase Penurunan Kadar logam Kromium
dengan metode Elektrolisis 47
4.1.2. Logam Zink (Zn) 47
4.1.2.1. Penurunan Persamaan Garis Regresi 48
4.1.2.2. Penentuan koefisien Korelasi 49
4.1.2.3. Penentuan kandungan Zink dalam Sampel 50
4.1.2.4. Penentuan kandungan Zink dalam sampel tanpa penambahan PAC sebelum Elektrolisis dalam mg/L 51
4.1.2.5. Penentuan kandungan Zink dalam sampel setelah penambahan PAC dalam mg/L 52
4.1.2.6. Penentuan Kandungan Zink dalam sampel tanpa penambahan PAC setelah elektrolisis dengan tegangan 8 Volt 53
4.1.2.7. Persentase penurunan kadar logam Zink dengan penambahan PAC 55
4.1.2.8. Persentase Penurunan Kadar logam Zink dengan metode Elektrolisis 55
4.1.3. Logam Kadmium (Cd) 56
4.1.3.1. Penurunan Persamaan Garis Regresi 56
4.1.3.2. Penentuan koefisien Korelasi 58
4.1.3.3. Penentuan kandungan Kadmium dalam Sampel 58
4.1.3.4. Penentuan kandungan Kadmium dalam sampel tanpa penambahan PAC sebelum Elektrolisis dalam mg/L 59
4.1.3.5. Penentuan kandungan Zink dalam sampel setelah penambahan PAC dalam mg/L 60
4.1.3.6. Penentuan Kandungan Zink dalam sampel tanpa penambahan PAC setelah elektrolisis dengan tegangan 8 Volt 62
4.1.3.7. Persentase penurunan kadar logam Zink dengan penambahan PAC 63
4.1.3.8. Persentase Penurunan Kadar logam Zink dengan metode Elektrolisis 64
4.2. Pembahasan 65
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 68
5.1. Kesimpulan 68
5.2. Saran 68
DAFTAR PUSTAKA 70
LAMPIRAN 73
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman Tabel
2.1 Sifat Kimia Dan Sifat Fisika Kromium 4.1 Data Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standart Kromium 4.2 Data Hasil Penurunan Persamaan Garis Regresi Larutan Seri
Standrat
4.3 Data hasil penurunan Absorbansi Logam Cr Pada Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Dengan Metode SSA Pada λspesifik
357,9 nm
4.4 Data Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standart Zink 4.5 Data Hasil Penurunan Persamaan Garis Regresi Larutan Seri
Standrat Zink(Zn)
4.6 Data Hasil Pengukuran Absorbansi Logam Zn Pada Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Dengan Metode SSA Pada λ213,9
4.7 Data Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standar Kadmium 4.8 Data Hasil Penurunann Persamaan Garis Regrasi Larutan Seri Standar Kadmium (Cd)
4.9 Data Hasil Pengukuran Absorbansi Logam Cd Pada Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Dengan Metode SSA Pada λ228,8 nm
9 38
39
41 47
48
50 56
57
58
6 14 15 23 32 39 48 56 66
67 DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman Gambar
2.1 Bentuk-Bentuk Pada Logam 2.2 Skema Proses
2.3 Prinsip Elektrokoagulasi 2.4 Poly Aluminium Chloride (PAC)
3.1 Rangkaian Alat Elektrolisis 4.1 Kurva Kalibrasi Larutan Seri Standar Cr 4.2 Kurva Kalibrasi Larutan Seri Standar Zn 4.3 Kurva Kalibrasi Larutan Seri Standar Cd 4.4 Grafik Perbandingan Persentase Penurunan Kadar Logam Cr, Zn dan Cd Dengan Menggunakan Metode Penambahan PAC Dan MetodeElektrolisis 4.5 Grafik Perubahan Konsentrasi Logam Terhadap tegangan
Elektrolisis
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman Lampiran
1 Data Hasil Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standar Cr Dengan Spektrofotometri Serapan Atom Pada
λspesifik=357,9 nm 74 2 Data Hasil Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standar
Zn Dengan Spektrofotometri Serapan Atom Pada
λspesifik=213,9 nm 74 3 Data Hasil Pengukuran Absorbansi Larutan Seri Standar
Cd Dengan Spektrofotometri Serapan Atom Pada
λspesifik 357,9 nm 74 4 Peraturan Mentri Lingkungan Hidup Republik Indonesia
nomor 5 Tahun 2014 Tentang Baku Mutu Air Limbah Bagi Usaha dan Kegiatan Industri Pelapisan Logam dan
Galvanis 75 5 Sampel Limbah Cair Industri Elektroplating 75 6 Proses dan Peralatan yang Digunakan Pada Saat Elektrolisis 87 7 Limbah Cair Industri Elektroplating Sebelum dan Sesudah
Elektrolisis 78 9 Spektrofotometer Serapan Atom Merk Shimadzu Tipe
AA-7000 78
DAFTAR SINGKATAN
SSA : Spektrofotometer Serapan Atom AKG : Angka Kecukupan Gizi
PAC : Poly Aluminium Chloride
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Air limbah industri merupakan air hasil proses produksi, air limbah industri umumnya terjadi sebagai akibat adanya pemakaian air dalam proses produksi. Zat-zat yang terkandung di dalamnya sangat bervariasi tergantung pada bahan baku yang digunakan oleh industri tersebut. Air limbah yang tidak dikelolah dengan baik dapat menimbulkan dampak buruk bagi makhluk hidup dan lingkungannya (Suhatro, 2011).
Kromium(Cr), Zink(Zn) dan kadmium(Cd) merupakan logam berat dan termasuk kedalam kelompok logam yang beracun dan berbahaya bagi kehidupan makhluk hidup. Ketiga logam berat ini juga termasuk ke dalam parameter PerMenLH RI No. 5 Tahun 2014 tentang baku mutu air limbah bagi usaha atau kegiatan Industri pelapisan logam dan galvanis. Akumulasi logam-logam berat ini dalam tubuh dapat mengganggu kesehatan manusia. Kromium dapat mengakibatkan kerusakan dalam sistem organ tubuh seperti dapar merusak serta mengiritasi hidung, paru-paru, lambung, dan usus. Zink dapat menurunkan absorbsi tembaga, mempergaruhi kolesterol, , mengubah nilai lipoprotein, dan dapat mempercepat timbulnya aterosklerosisi. Sedangkan kadmium dapat menaikkan resiko terjadinya kanker payudara, penyakit kardiovaskular atau paru- pari, penyakit jantung, kegagalan fungsi ginjal, encok, pembentukan artritis dan kerusakan tulang.
Oleh sebab itu, diperlukan langkah penanganan atau pengolahan lebih lanjut pada limbah cair industri pelapisan logam ini sebelum dibuang ke lingkungan sebagai efluen atau dimanfaatkan kembali sebagai air pendukung aktivitas industri.
Berbagai metode telah dirancang dan diaplikasikan untuk mengatasi masalah limbah cair tersebut, sebagian besar menggunakan proses kimiawi melalui reaksi dengan bahan-bahan kimia. Proses penjernihan limbah cair juga dapat dilakukan
dengan menggunakan proses kimia, seperti penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC). Namun proses ini memiliki beberapa kekurangan, diantaranya menggunakan bahan kimia yang dapat memiliki efek samping terhadap kesehatan, biaya operasional yang cukup tinggi, proses penjernihan memerlukan waktu yang cukup lama. Pada era sebelum dan bahkan setelah globalisasi ini pemakaian bahan kimia sebagai bahan utama maupun bahan tambahan pada proses pengolahan limbah harus benar-benar dipertimbangkan karena beban pencemaran lingkungan semakin mengkhawatirkan. Pengolahan kimia pada pengolahan limbah B3 cair fase air biasanya hanya mampu mengatasi persoalan limbah dengan karakteristik tertentu, sehingga beningan yang dihasilkan dari proses pengolahan kimia biasanya masih mengandung sedikit logam berat dan zat padat terlarut sehingga belum dapat dibuang ke lingkungan.(Djajadiningrat, 2004).
Alternatif lain yang dapat digunakan untuk proses pengolahan limbah cair ini adalah dengan proses elektrolisis, teknik elektrolisis memiliki beberapa kelebihan, yaitu peralatan sederhana, mudah dalam pengoperasian dan waktu reaksi yang singkat. Elektrolisisi mampu menyisikan berbagai jenis polutan dalam air, yaitu partikel tersuspensi, logam-logam berat, warna pada zat pewarna, dan berbagai zat berbahaya.
Berbagai penelitian tentang metode elektrolisis telak dilakukan. Fajar hutagalung(2018) telah menggunakan metode elektrolisisi ini dengan membandingkan penggunaan elektroda aluminium dengan penggunan Poly Aluminium Chloride(PAC) untuk menurukan kadar logam Kromium(Cr), Zink(Zn) dan kadmium(Cd) pada limbah cair pelapisan logam. Ada pun variasi waktu yg digunakan untuk penurunan kadar logam Kromium(Cr), Zink(Zn) dan Kadmium(Cd) didapat waktu optimum dalam elektrolisis selama 90 menit.
Berdasarkan uraian tersebut peneliti tertarik untuk melakukan penelitian tentang aplikasih penggunaan elektrolisis dengan menggunakan elektroda karbon untuk menurunkan kadar Kromium(Cr), Zink(Zn) dan Kadmium(Cd) secra elektrolisis dengan memvariasikan tegangan didalam limbah cair industri pelapisan logam.
1.2. Permasalahan
Pengolahan limbah cair yang du igunakan dalam industri pelapisan logam di kecamatan medan johor masih menggunakan metode pengolahan limbah secara kimia yakni dengan penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC). Namun pemakaian PAC ini dinilai masih memiliki beberapa kekurangan, diantarannya menggunakan biaya operasional yang cukup tinggi, proses penjernihan yang lama, dan hasil yang diperoleh masih mengandung logam berat, seperti kromium, zink dan kadmium. Untuk itu, peneliti ini dilakukan untuk melihat apakah penerapan elektrolisis ini mampu menurunkan logam berat yang terdapat didalam limbah cair tersebut dan seberapa efektif metode ini jika di bandingkan dengan metode penambahan poly Aluminium Chloride (PAC) yang digunakan tersebut.
1.3. Tujuan Penelitian
Untuk membandingkan penggunaan metode penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) yang digunakan di industry pelapisan logam dengan metode elektrolisis untuk menurunkan kadar kromium, zink, dan kadmium pada limbah cair industri pelapisan logam dengan menggunakan metode elektrolisis dan untuk menentukan tegangan optimum yang diperlukan dalam proses elektrolisis tersebut
1.4. Manfaat Penelitian
Dari hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat dan informasi mengenai pemanfaatan metode elektrolisi dengan menggunakan elektroda karbon dalam penurunan kadar kromium, zink dan kadmium pada limbah cair industri pelapisan logam serta dapat dijadikan sebagai salah satu masukan pada proses pengolahan limbah cair industri pelapisan logam dengan menggunakan metode elektrolisis dan dapat dijadikan sebagi referensi untuk kpenelitian pengembangan di masa depan.
1.5. Metodologi Penelitian
Penelitian ini bersifat eksperimen laboratorium, yang meliputi beberapa tahapan:
1. Penelitian ini merupakan Penelitian Laboratorium dan bersifat Purposif.
2. Sampel limbah cair diambil langsung dari salah satu Industri Pelapisan Logam Kromium di Kecamatan Medan Johor, Medan, Sumatera Utara
3. Pengukuran pH air limbah langsung dilakukan saat pengambilan sampel
4. Penentuan kandungan logam Cr dengan menggunakan SSA pada = 357,9 nm di Laboratorium Baristand Medan.
5. Penentuan kandungan logam Cd dengan menggunakan SSA pada = 228,8 nm di Laboratorium Baristand Medan.
6. Penentuan kandungan logam Zn dengan menggunakan SSA pada = 213,9 nm di Laboratorium Baristand Medan
7. Proses elektrolisis limbah cair industry pelapisan logam dilakukan di Laboratorium Kimia Analitik FMIPA Universitas Sumatera Utara
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Limbah cair
Limbah merupakan buangan yang kehadirannya pada suatu saat dan tempat tertentu tidak dikehendaki lingkungannya karena tidak mempunyai nilai ekonomi. Limbah yang mengandung bahan polutan yang memiliki sifat racun dan berbahaya dikenal dengan limbah B3, yang dinyatakan sebagai bahan yang dalam jumlah relatif sedikit tetapi berpontensi untuk merusak lingkungan hidup dan sumber daya.
Air limbah adalah kotoran dari masyarakat dan rumah tangga dan juga yang berasal dari industri, rumah sakit, air tanah, air permukaan serta buangan lainnya, dengan demikian air buangan ini merupakan hal yang bersifat kotoran umum. Air limbah berasal dari dua jenis sumber, yaitu air limbah rumah tangga dan air limbah industri.
Secara umum di dalam limbah rumah tangga tidak terkandung zat-zat berbahaya, sedangkan di dalam limbah industri harus dibedakan antara limbah yang mengandung zat-zat yang berbahaya dan yang tidak. Untuk yang mengandung zat-zat yang berbahaya harus dilakukan penanganan khusus tahap awal sehingga kandungannya bisa diminimalisasi terlebih dahulu, karena zat-zat berbahaya itu dapat mematikan fungsi mikroorganisme yang berfungsi menguraikan senyawa-senyawa di dalam air limbah.
Air limbah sangat berbahaya terhadap kesehatan manusia mengingat bahwa banyak penyakit yang dapat ditularkan melalui air limbah. Air limbah ini ada yang hanya berfungsi sebagai media pembawa saja, seperti penyakit kolera, radang usus, hepatitis infektiosa, serta schitosomiasis. Selain itu, pada air limbah itu sendiri banyak terdapat bakteri patogen penyebab penyakit, seperti virus, vibrio cholera, salmonella thyphosa, dan sebagainya. Selain sebagai pembawa dan kandungan kuman penyakit, air limbah juga dapat mengandung bahan-bahan beracun, penyebab iritasi, bau, dan bahkan suhu yang tinggi, serta bahan-bahan
lainnya yang mudah terbakar. Keadaan demikian ini sangat dipengaruhi oleh sumber asal air limbah.
Secara umum dapat dikemukakan bahaya limbah cair adalah cairan buangan yang berasal dari rumah tangga dan industri serta tempat-tempat umum lainnya dan mengandung bahan atau zat yang dapat membahayakan kesehatan manusia serta mengganggu kelestarian lingkungan hidup (Kusnoputranto,1985) Dalam kegiatan industri, air limbah akan mengandung zat-zat kontaminan yang dihasilkan dari sisa bahan baku, sisa pelarut atau bahan aditif, produk terbuang atau gagal, pencucian atau pembilasan peralatan. Agar dapat memenuhi baku mutu, industri harus menerapkan prinsip pengendalian limbah secara cermat dan terpadu baik dalam proses produksi atau setelah proses produksi.
Air limbah industri merupakan hasil sisa dari produksi, air limbah industri umumnya terjadi sebagai akibat adanya pemakaian air dalam proses produksi.
Zat-zat yang terkandung didalamnya sangat bervariasi tergantung pada bahan baku yang digunakan oleh industri tersebut. Air limbah yang mengandung bahan pencemaran seperti NH3 dialirkan dilingkungakan, hal ini lah yang akan mengakibatkan terjadinya pencemaran pada air tersebut. Air limbah yang tidak dikelola dengan baik dapat menimbulkan dampak buruk bagi makhluk hidup dan lingkungan(Suharto,2011)
Adapun efek samping dari limbah dapat berupa:
1. Membahayakan kesehatan manusia karena dapat membawa suatu penyakit (sebagai vehicle).
2. Merugikan segi ekonomi karena dapat menimbulkan kerusakan pada benda/bangunan maupun tanaman-tanaman dan peternakan.
3. Dapat merusak atau membunuh kehidupan yang ada di dalam air seperti ikan dan binatang peliharaan lainnya.
4. Dapat merusak keindahan (estetika), karena bau busuk dan pemandangan yang tidak sedap dipandang terutama di daerah hilir sungai yang merupakan daerah rekreasi.
2.2. Logam
Logam merupakan mayoritas paling banyak dalam unsur-unsur. Unsur tersebut memiliki berbagai sifat fisik yang berbeda dari tiap-tiap logam, dengan catatan: (1) daya pantul tinggi; (2) konduktivitas elektrik tinggi, menurun dengan meningkatnya suhu; (3) konduktivitas termal tinggi; dan (4) sifat mekanis seperti kekuatan dan elastisitas. Terdapat tiga dasar struktur logam: kubik dan heksagonal tertutup rapat dan kubik berpusat tengah. Bentuk-bentuk logam dapat ditunjukkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Bentuk-bentuk pada logam (Cotton et al. 1995).
Pada heksagonal tertutup rapat, kubik tertutup rapat, dan kubik berpusat tengah pada setiap unsur. Dimana dua atau lebih jumlah simbol digunakan, yang terbesar mewakili bentuk stabil pada suhu 25 oC (Cotton et al. 1995).
2.2.1. Logam Berat
Logam berat adalah komponen alamiah lingkungan yang mendapatkan perhatian berlebih akibat ditambahkan ke dalam tanah dalam jumlah yang semakin meningkat dan bahaya yang mungkin ditimbulkan. Logam berat menunjuk pada logam yang mempunyai berat jenis lebih tinggi dari 5 atau 6
g/mL. Namun pada kenyataannya dalam pengertian logam berat ini, dimasukkan pula unsur-unsur metaloid yang mempunyai sifat berbahaya seperti logam berat sehingga jumlah seluruhnya mencapai lebih kurang 40 jenis. Beberapa logam berat yang beracun tersebut adalah As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, dan Zn (Palar, 1994).
2.2.1.1. Kromium (Cr)
Kromium (Cr) termasuk unsur yang jarang ditemukan pada perairan alami.
Kerak bumi mengadung kromium sekitar 100 mg/kg (Moore, 1991). Kromium yang ditemukan di perairan adalah kromium trivalen (Cr3+) dan kromium heksavalen (Cr6+). Kromium trivalen stabil, dan berasal dari trikromium dioksida.
Kromium heksavalen hampir semua senyawa anionik, mudah larut dan agen pengoksidasi yang kuat dalam asam. Bentuk heksavalen lebih beracun dibandingkan yang trivalen. Cr (IV) lebih labil, beracun dan bersifat karsinogenik untuk mahluk hidup. Cr (IV) merupakan logam yang sangat beracun dan dapat menyebabkan kanker pada manuasia. Kromium tidak pernah ditemukan di alam sebagai logam murni. Sumber alami kromium sangat sedikit, yaitu bahan chromite (FeCr4O4) dan chromic oxide (Cr2O3) (Novonty and Olem, 1994).
Garam-garam kromium digunakan dalam industri baja, besi, cat, bahan celupan (dyes), bahan peledak, tekstil, kertas, keramik, gelas, fotografi, sebagai penghambat korosi, dan sebagai campuran lumpur pengeboran (drilling mud).
Keracunan kromium dapat mengganggu fungsi hati, ginjal, pernafasan, dan mengakibatkan terjadinya kerusakan kulit.
Kadar kromium maksimum yang diperkenankan bagi kepentingan air minum adalah 0,05 mg/ liter (Sawyer dan McCarty, 1978). Kadar kromium laut perairan tawar biasanya kurang dari 0,001 mg/liter dan pada perairan laut sekitar 0,00005 mg/liter. Garam-garam kromium yang masuk ke dalam tubuh manusia akan segera dikeluarkan oleh tubuh. Akan tetapi, jika kadar kromium tersebut cukup besar, akan mengakibatkan kerusakan pada sistem pencernaan. Kadar kromium yang diperkenankan pada air minum adalah 0,05 mg/liter (Moore, 1991). Sedangkan kadar kromium yang diperkenankan menurut Peraturan Menteri
Lingkungan Hidup Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2014 tentang baku mutu air limbah bagi usaha/ industri keramik adalah maksimum 0,5 mg/liter.
2.2.1.1.1. Sifat Kimia Kromium
Tabel 2.1 Sifat kimia logam Kromium (Cr)
Sifat kimia logam Kromium Keterangan
Nomor atom 24
Densitas (g/cm3) 13,11
Titik lebut (C0) 1765
titik didih (C0) 1810
kalor fusi (kJ/mol) 4,90
kalor penguapan (kJ?mol) 190,5
kapasitas panas pada 250C (J/mol.K) 21,650 Sumber : https://id.wikipedia.org/wiki/Kromium
2.2.1.1.2 Sifat Fisika Kromium
Logam Kromium (Cr) pertama kali ditemukan oleh vauquelin(1797).
Umunya logam di alam ditemukan dalam bentuk persenyawaan dengan unsur lain dan sangat jarang ditemukan dalam bentuk unsur tunggal. Logam Kromium di alam ditemukan dalam bentuk chromite (FeO.Cr2O3). kromium adalah logam yang berwarna putih, tak begitu liat dan tak dapat ditempa. Logam kromium (Cr) larut dalam asam klorida encer atau pekat.
jika terkena udara, akan terbentuk ion-ion kromium
Cr(s) + 2HCl(aq) Cr2+(aq) + 2Cl-(aq) + H2(g)
Logam kromium tidak dapat teroksidasi oleh udara yang lembab dan proses pemanasan cairan. Logam kromium mudah larut dalam HCl, H2SO4, dan asam perklorat. Logam kromium (Cr) mempunyai tingkat oksidasi yang berbeda- beda, ion kromium yang telah membentuk senyawa, mempunyai sifat yang berbeda sesuai dengan tingkat oksidasinya
Menurut Basset (1994) dalam larutan air, Kromium (Cr) membentuk tiga jenis ion yaitu:
a. Ion kromium(II) atau kromo(Cr2+)
Ion kromium(II) memiliki bilangan oksidasi +2, bersifat tidak stabil karena merupakan zat pereduksi yang kuat dan dapat menguraikan air perlahan- lahan dengan bentuk hidrogen. Oksigen di udara akan mengoksidasi Cr2+
menjadi ion kromium(III), ion ini membentuk larutan yang berwarna biru.
Senyawa yang terbentuk dari ion logam Cr2+ bersifat basa b. Ion kromium(III) atau kromi (Cr3+)
Ion kromium(III) memiliki bilangan oksidasi +3 dan bersifat stabil. Dalam larutan, ion-ion ini berwarna hijau atau lembayung. Senyawa yang terbentuk dari ion logam Cr3+ bersifat amfoter
c. Ion kromium(VI) atau kromat (CrO42-) dan dikromat(Cr2O72-)
Ion kromium(VI) memiliki bilangan okidasi +6. Ion-ion kromat berwarna kuning sedangkan dokromat berwarna jingga . senyawa yang terbentuk dari ion kromium(VI) bersifat asam. Ion-ion kromat dan dikromat merupakan zat pengoksidasi yang kuat sedangkan jika diasamkan, akan membentuk ion-ion dikromat.
2.2.1.1.3. Toksisitas Logam Cr
Kromium secara alami merupakan unsur esensial yang dibutuhkan oleh tubuh dan terdapat dalam hewan, tumbuhan maupun tanah. Kromium dapat berbentuk cair, padatan maupun gas dan terdapat dialam dalam 3 jenis valensi yaitu kromium(0), kromium(III) dan kromium(VI). Kromium(III) merupakan unsur esensial yang dibutuhkan tubuh dalam reaksi enzimatis untuk metabolisme gula, protein dan lemak. Kromium(III) memiliki sifat toksisitas yang rendah dibandingkan dengan kromium(VI). Pada bahan makanan dan tumbuhan mobilitas kromium relatif rendah dan diperkirakan konsumsi harian kromium pada manusia dibawah 100 µg, berasal dari makanan, sedangkan dari air dan udara dalam tingkat yang rendah. Kromium(VI) lebih mudah diserap dalam tubuh dibandingkan dengan kromium(III). Namun, setelah didalam tubuh kromium(VI) segera reduksi menjadi kromium(III) (ATSDR,2008)
Akumulasi kromium dalam tubuh manusia dapat mengakibatkan kerusakan dalam sistem organ tubuh. Efek toksisitas kromium(Cr) dapat merusak
serta mengiritasi hidung, paru-paru, lambung, dan usus. Mengkonsumsi makanan berbahan kromium dalam jumlah yang sangat besar, menyebabkan gangguan perut, bisul, kejang, ginjal, kerusakan hati, dan bahkan kematian (Pallar,1994)
2.2.1.2.Logam Zink (Zn)
Zink adalah logam putih-kebiruan. logamnya yang murni, melarutkan lambat sekali dalam asam dan dalam alkali, adanya zat-zat pencemaran atau kontak dengan platinum atau tembaga yang dihasilkan oleh penambahan beberapa tetes larutan garam dari logam-logam ini, mempercepat reaksi. Zink mudah larut dalam asam klorida encer dan asam sulfat encer dengan mengeluarkan hydrogen(Vogel,1985)
2.2.1.2.1 Sifat Logam Zn
Unsur yang berwarna putih-kebiruan mengkilap, rapuh pada suhu biasa tetapi liat pada suhu 100-1500C, konduktor listrik, pada suhu tinggi terbakar disertai asap putih oksidanya. Sifat lainnya adalah unsur elektropositif, mudah bereaksi dengan O2 tetapi oksida yang terbentuk bersifat, melapisi dan menghambat oksidasi selanjutnya berekasi dengan belerang dan unsur logam lainnya (Mulyono, 2006).
2.2.1.3 Logam Kadmium (Cd)
Kadmium (Cd) adalah logam berwarna putih perak, lunak, mengkilap, tidak larut dalam basa. Kadmium memiliki nomor atom 40, berat atom 112,4 g/mol; titik leleh 2310C, dan titik didih 7670C. Kadmium bersifat lentur, tahan terhadap tekanan. keberadaan Kadmium bisa mencemari lingkungan dan bisa berada di atmosfer, tanah, dan perairan(Widodo, 2008)
2.2.1.3.1.Sifat Logam Kadmium (Cd)
Meskipun cadmium biasanya memiliki tingkat oksidasi +2, ia juga hadir dengan tingkat oksidasi +1. Kadmium dan kongenernya tidak selalu dianggap logam transisi, karena ia tidak memiliki kulit electron d dan f yang terisi sebagian atau seluruhnya, baik dalam bentuk unsur maupun dalam tingkat oksidasi
umumnya. Kadmiun terbakar diudara membentuk kadmium oksida (CdO) yang amorf dan berwarna coklat: Kristal yang terbentuk dari senyawa ini berwarna merah tua yang berubah warna saat dipanaskan, sama seperti seng oksida(Vogel, 1985)
2.2.1.3.2. Toksisitas logam Cd
Logam kadmium sangat banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari manusia. logam ini telah digunakan semenjak 1950 dan total produksi dunia adalah sekitar 15.000-18.000 per tahun. Prinsip dasar atau prinsip utama dalam penggunaan Kadmium adalah sebagai bahan ’stabilitas’ sebagai bahan pewarna dalam industri plastik dan pada electroplating. Namun sebagian dari substansi logam Kadmium ini juga digunakan untuk solder dan alloy-alloynya digunakan pula untuk baterai (Palar,2004)
Kadmium dalam konsentrasi rendah banyak digunakan dalam industry pada proses pengolahan roti, pengolahan ikan, pengolahan minuman, serta industry tekstil(Widowati,2008)
2.3. Elektrolisis
Elektolisis adalah peristiwa penguraian elektrolit oleh arus listik searah dengan menggunakan dua macam elektroda, yaitu elektroda katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub negative) dan anoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub positif). Elektrolisa adalah proses koversi energi listrik menjadi energi kimia dengan tujuan mengubah zat dengan oksidasi atau reduksi, sehingga terbentuk produk yang sesuai dengan keinginan, seperti didalam elektrokimia pada umumnya, proses elektrolisa mempunyai beberapa parameter yang berpengaruh yaitu: pelarut, elektrolit pendukung, konsentrasi spesies elektro aktif, gerakan larutan, bahan dan bentuk elektroda, sel elektrokimia, arus atau potensial yang dipergunakan dan suhu. Semua faktor tersebut akan memperoleh yield yang tinggi, maka kontak antara elekroda dan elektrolit harus diperbesar, disamping itu dipergunakan over potensial yang cukup besar agar tahanan larutan terlampaui(Brett et al.,1993)
Di dalam proses elektrolisa dipergunakan beberapa istilah dengan pengertian masing-masing sebagai berikut
1. Sel elektrolisis : Tempat/alat yang dipergunakan untuk elektrolisa 2. Elektrolit : Senyawa yang bersifat elektrolit pada saat meleleh
atau dilarutkan
3. Elektroda : Batangan atau lempengan tempat arus listrik masuk atau meninggalkan elektrolit selama proses
elektrolusa.
4. Anoda : Elektroda positif yang dihubungan dengan terminal positif satu daya DC. Reaksi oksidasi terjadi di anoda ini
5. Katoda : Elektroda negatif yang di hubungankan dengan terminal negatif satu daya CD. Reaksi reduksi terjadi di katoda
6. Anion : Ion bermuatana negatif, selama proses elektrolisa akan menuju anoda
7. Kation : Ion bermuatan positif, selama proses elektrolisa akan menuju katoda
Disamping itu banyak dipergunakan untuk mengekstaksi logam dari mineralnya, elektrokimia juga dapat dimanfaatkan untuk mengendalikan selektivitas reaksi yang dicapai melalui pengaturan potensial(Brett et al., 1993)
2.3.1. Aplikasi elektrolisis
2.3.1.1. Elektroplating / pelapisan logam
Secara sederhana, elektroplating dapat diartikan sebagai proses pelapisan logam, dengan menggunakan bantuan arus listrik dan senyawa kimia tertentu guna memindahkan partikel logam pelapis ke material yang hendak dilapis.
Pelapisan logam dapat berupa lapis seng (zink), galvanis, perak, emas, brass, tembaga, nikel dan krom. Penggunaan lapisan tersebut disesuaikan dengan
kebutuhan dan kegunaan masing-masing material. Perbedaan utama dari pelapisan tersebut selain anoda yang digunakan, adalah larutan elektrolisisnya.
Proses electroplating mengubah sifat fisik, mekanik, dan sifat teknologi suatu material. Salah satu contoh perubahan fisik ketika material dilapis dengan nikel adalah bertambahnya daya tahan material tersebut terhadap korosi, serta bertambahnya kapasitas konduktifitasnya. Adapun dalam sifat mekanik, terjadi perubahan kekuatan tarik maupun tekan dari suatu material sesudah mengalami pelapisan dibandingkan sebelumnya. Karena itu, tujuan pelapisan logam tidak luput dari tiga hal, yaitu untuk meningkatkan sifat teknis/mekanis dari suatu logam, yang kedua melindungi logam dari korosi, dan ketiga memperindah tampilan (decorative)
Mekanisme terjadinya pelapisan logam adalah dimulai dari dikelilinginya ion-ion logam oleh molekul-molekul pelarut yang mengalami polarisasi. Di dekat permukaan katoda, terbentuk daerah Electrical Double Layer (EDL) yang bertindak seperti lapisan dielektrik. Adanya lapisan EDL memberi beban tambahan bagi ion-ion untuk menembusnya. Dengan gaya dorong beda potensial listrik dan dibantu oleh reaksi-reaksi kimia, ion-ion logam akan menuju permukaan katoda dan menangkap elektron dari katoda, sambil mendeposisikan diri di permukaan katoda. Dalam kondisi equilibrium, setelah ion-ion mengalami discharge menjadi atom-atom kemudian akan menempatkan diri pada permukaan katoda dengan mula-mula menyesuaikan mengikuti susunan atom dari material katoda.
Skema Proses Electroplating
Perpindahan ion logam dengan bantuan arus listrik melalui larutan elektrolit sehinga ion logam mengendap pada benda padat yang akan dilapisi. Ion logam diperoleh dari elektrolit maupun berasal dari pelarutan anoda logam di dalam elektrolit. Pengendapan terjadi pada benda kerja yang berlaku sebagai katoda (Satoto, 2007)
Skema proses elektroplating/pelapisan logam dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini.
Gambar 2.2. Skema proses electroplating/pelapisan logam (Satoto,2007)
Reaksi kimia yang terjadi pada proses electroplating seperti yang terlihat pada Gambar dapat dijelaskan sebagai berikut:
Reaksi pada katoda : Pembentukan lapisan Nikel Ni2+(aq) + 2e– → Ni (s) Pembentukan gas Hidrogen 2H+(aq) + 2e– → H2 (g)
Reduksi oksigen terlarut
½ O2 (g) + 2H+ → H2O (l)
2.3.1.2. Elektrokoagulasi
Elektrokoagulasi merupakan proses koagulasi dengan menggunakan arus listrik searah melalui proses elektrokimia, yaitu dekomposisi elektrolit, di mana elektrodanya terbuat dari aluminium atau besi (Purwaningsih dalam Husni, 2010).
Proses ini juga merupakan gabungan dari proses elektrokimia dan proses flokulasi-koagulasi (Retno, 2008). Metode ini mempunyai kelebihan yaitu nilai efisiensinya cukup tinggi dan tidak diperlukan penambahan bahan kimia. Pada proses elektrokimia akan terjadi pelepasan Al3+ dari plat elektroda (anoda)
Reaksi pada anoda : Pembentukan gas oksigen H2O (l) → 4H+(aq) + O2 (g) + 4e– Oksidasi gas Hidrogen H2 (g) → 2H+(aq) + 2e–
Reaksi pada katoda : M(aq)n+
+ ne-M(s)
2H2O(l) + 2e-H2(g) + 4OH-
sehingga membentuk flok Al(OH)3 yang mampu mengikat kontaminan dan partikel-partikel dalam limbah. Dengan demikian, bentuk kontaminan akan terendapkan dan dapat dengan mudah dihilangkan dengan cara pemisahan. Proses pengendapan terjadi sebagaimana proses koagulasi, dengan koagulan terbentuk dari elektroda reaktif, yang dipicu oleh arus listrik searah. Metode elektrokoagulasi telah banyak digunakan untuk pengolahan air limbah karena peralatannya sederhana dan mudah dioperasikan bila dibandingkan dengan metode yang lain serta tidak memerlukan tambahan bahan kimia dan efisiensi pengolahan yang dihasilkan cukup tinggi. Pada proses ini, pada anoda terjadi pelepasan koagulan aktif berupa ion logam (biasanya aluminium atau besi) ke dalam larutan, sedangkan pada katoda terjadi reaksi elektrolisis berupa pelepasan gas hidrogen. (Holt et.al., 2005)
Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut : Reaksi pada anoda :
M(s)M(aq)n+ + ne-
2H2O(l)+ 2e-4H+(aq) + O2(g) + 4e-
Gambar 2.3.Prinsip Elektrokoagulasi (Tjokrokusumo, 1995)
2.4. Persmaan-Persamaan Dasar Dalam Elektrolisa 2.4.1 Persamaan Nernst
Persamaan nernst merupakan persamaan yang dipergunakan untuk menghitung besar potensial dari sebuah sel elektrokimia sistem reversibel.
Persamaan ini hanya dapat digunakan pada kondisi kesetimbangan di permukaan elektroda.
E=E0+𝑅𝑇𝑛𝐹𝑙𝑛𝐶𝑜𝐶𝑟 (1) Misalkan untuk reaksi sederhana berukut:
O + ne̅R (2)
Potensial standar pada persamaan (1) digunakan untuk menghitung konsentrasi bulk untuk spesies O dan R (Zoski,2007)
2.4.2. Perpindahan massa
Laju perpindahan massa pada proses elektrolisa dibatasi oleh arus i1 (Ampere) yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
i1= n F A m C (3)
jika diketahui bahwa analit (C* = 20 mM) bereaksi seluruh pada elektroda dengan luas area A= 0.1 cm2 didalam sebuah sistem yang melibatkab n = 2 buah elektron, serta larutan di aduk dengan koefisien perpindahan massa m = 0,01 cm sec-1, maka dapat dihitung besarnya arus i1 yang membatasi perpindahan massa sebesar 4 mA (Zoski, 2007).
2.4.3. Hukum Faraday
Hukum Faraday menghubungkan jumlah muatan Q(Coulomb), yang melewati sel dengan jumlah produk N(mol), seperti yang terlihat pada persamaan (4)
Q= n F N (4)
Hukum Faraday dapat dipergunakan untuk beberapa penerapan seperti elektrogravimetri (mencari jumlah zat yang diendapkan pada elektroda) dan kalometri (mencari jumlah total arus yang dibutukan untuk mengelektrolisa sejumlah senyawa dengan sempurna), juga dapat dipergunakan untuk mencari jumlah elektron yang berpengaruh dalam suatu proses elektrolisa(Zoski,2007)
2.4.3.1 Hukum Faraday I
“Massa zat yang dihasilkan/dibebaskan di elektroda selama elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah listrik yang ditransfer pada elektroda tersebut.
Jumlah listrik yang dimaksud adalah muatan listrik yang mempunyai satuan Coulomb (C)”
2.4.3.2. Hukum faraday II
“Jika jumlah muatan listrik yang sama diberikan pada 2 elektroda atau lebih, maka massa zat yang dihasilkan/dibebaskan di elektroda berbanding lurus dengan berat ekivalen (e) unsur.”
𝑚 = (𝑄 𝐹)(𝑀
𝑍)
Di mana :
m = adalah massa zat yang dihasilkan/dibebaskan (g)
Q = adalah total muatan listrik yang dilewatkan pada zat (C) F = adalah tetapan atau konstanta Faraday (96500 C.mol-1) M = adalah massa molar zat
Z = adalah bilangan valensi ion (elektron yang ditransfer per ion)
Pada hukum pertama dinyatakan bahwa M, F, z adalah konstan. Jadi semakin besar Q maka m juga semakin besar
Pada hukum pertama dinyatakan bahwa Q, F, z adalah konstan. Jadi semakin M/z (massa ekivalen) besar maka m juga semakin besar
2.5. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Elektrolisis
Faktor-faktor yang mempengaruhi elektrolisis antara lain adalah:
1. Penggunaan Katalisator
Misalnya H2SO4 dan KOH berfungsi mempermudah proses penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen karena ion-ion katalis mampu mempengaruhi kestabilan molekul air menjadi ion H dan OH yang lebih mudah di elektrolisis karena terjadi penurunan energi pengaktifan. Zat tersebut tidak mengalami perubahan yang kekal (tidak dikonsumsi dalam proses elektrolisis). Penggunaan asam sulfat sebagai katalis dalam proses elektrilisis menjadi pilihan utama dibandingkan KOH. Karena asam sulfat melepaskan H+ yang memudahkan membentuk gas hidrogen. Sedangkan KOH melepaskan OH- yang menghambat pembentukan gas hidrogen (Apriliana,2014)
2. Luas Permukaan elektroda yang Menyentuh Elektrolit
Semakin banyak luas permukaan elektroda yang menyentuh elektrolit maka semakin mempermudah suatu elektrilit untuk mentransfer elektronnya. Sehingga terjadi hubungan sebanding jika luasan yang tercelup sedikit maka semakin mempersulit elektrolit untuk melepaskan elektron dikarena sedikitnya luas penampang penghantar yang menyentuh elektrolit. Sehingga transfer elektron bekerja lambat dalam mengelektrolisis elektrolit.(Apriliana,2014)
3. Sifat Logam Bahan Elektroda
Penggunaan medan listrik pada logam dapat menyebabkan seluruh elektron bebas bergerak dalam metal, sejajar dan berlawanan arah dengan arah medan listrik. Ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk mengantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan pada ujung-ujung sebuah konduktor, muatan-muatan yang bergerak akan berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktifitas listrik didefenisiskan sebagai ratio rapat arus terhadap kuat medan listrik.
Konduktifitas listrik dapat dilihat pada deret volta seperti, Li K Ba SR
Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au.
Semakin kekanan maka semakin besar massa jenisnya.
4. Konsentrasi Pereaksi
Semakin besar konsentrasi suatu larutan pereaksi maka akan semakin besar pula laju reaksinya. Ini dikarenakan persentase katalis yang semakin tinggi dapat mereduksi hambatan pada elektrolit. Sehingga transfer elektron dapat lebih cepat mengelektrolisi elektrolit dan dapat ditarik garis lurus bahwa terjadi hubungan sebanding terhadap katalis dengan transfer elektron(apriliana, 2014)
2.6. Elektroda
Elektroda adalah suatu sistem dua fase yang terdiri dari sebuah penghantar elektrolit (misalnya logam) dan sebuah penghantar ionik (larutan) (Rivai,1995).
Eletrolida positif (+) disebut anoda sedangkan elektroda negatif (-) adalah katoda.
Reaksi kimia yang terjadi pada elektroda selama terjadi konduksi listrik disebut elektrolisis. Sel elektrolisis memerlukan energi untuk memompa elektron.(Brady.1999)
Karbon atau zat arang merupakan unsur kimia yang mempunyai sombil c dan nomor atom 6 pada tabel periodik. Sebagai unsur golongan 14 pada tabel periodek, karbon merupakan unsur non-logam dan bervalensi 4, yang berarti bahwa terdapat empat elektron yang dapat digunakan untuk membentuk ikatan kokvalen.
Karbon merupakan zat yang telat ada semenjak proses terbentuk bumi.
Karbon terdapat pada semua benda mati dan makhluk hidup. Karbon terdapat di udara dalam bentuk gas karboh dioksida
Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal adalah grafit, intan, dan karbon amorf. Sifat-sifat karbon bervariasi bergantung pada jenis alotropnya. Sebagai contohnya, intan berwarna transparan, sedangkan grafit berwarna hitam dan kusam. Intan merupakan salah satu materi terkeras didunia, sedangkan grafit cukup lunak untuk meninggalkan bekasnya pada kertas. Intan
memiliki konduktor listrik yang sangat rendah, sedangkan grafit adalah konduktor listrik yang sangat baik(Rivai, 1995)
2.6.1. Jenis-Jenis Elektroda 1. Elektroda jenis pertama
Pada elektroda ini ion analit berpartisipasi langsung dengan logamnya dalam suatu reaksi paruh yang dapat dibalik. Beberapa logam seperti Ag, Hg, Cu, dan Pb dapat bertindak sebagai elektroda indikator bila bersentuhan dengan ion mereka.
Ag+ + e Ag E0= +0.80 V
Secara umum, elektroda-elektroda ini jauh dari bermanfaat untuk logam di seluruh tabel periodik. Pada kenyataannya, potensial- pontesial yang stabil dan dapat diproduksi ulang tidak ditetapkan, hal ini bisa dicontohkan pada kasus besi, krom, nikel, kobalt, tungsten, dan aluminium.(Underwood,1998)
2. Elektroda jenis kedua
Ion-ion dalam larutan tidak bertukar elektron dengan elektroda logam secara langsung, melainkan konsentrasi ion logam yang bertukar elektron dengan permukaan logam. Elekrtoda ini berkerja sebagai elektroda refensi tetapi memberikan respon ketika suatu elektroda indikator berubah nilai ax—
nya, misalnya KCl jenuh berarti X=
Cl(Underwood, 1998)
3. Elektroda Ketiga
Elektroda jenis ini dipergunakan sebagai elektroda indikator dalam titrasi EDTA potensiometrik dari 29 ion logam termasuk logam alkali dan alkali tanah serta logam transisi dan logam berat, elektrodanya sendiri berupa suatu tetesan atau genangan kecil raksa dalam suatu cangkir pada ujung tabung-J dengan suatu kawat sirkuit luar (Underwood,1998)
4. Elektroda Inert
Elektroda inert merupakan elektroda yang tidak masuk kedalam reaksi.
Contohnya adalah Platina (Pt), emas (Au), dan karbon (C). Elektroda ini berkerja dengan baik sebagai elektroda indikator. Fungsi logam platina (Pt) adalah membangkitkan kecenderungan sistem tersebut dalam mengambil atau melepaskan elektroda, sedangkan logam itu tidak ikut secara nyata dalam reaksi redoks. (Underwood,1998)
2.6.2. Potensial Elektroda
Suatu reaksi reduksi dapat menimbulkan potensial listrik tertentu yang disebut pontensial elektroda (E0). Makin mudah suatu unsur mengalami reduksi, makin besar E0 yang ditimbulkannya. Terdapat perbedaan potensial antara dua elektroda pada kondisi ada arus ataupun tidak ada arus. Dengan membuat potensial elektroda lebih negatif, energi elektron akan meningkat dan akan mencapai tingkat yang cukup untuk mengisi keadaan kosong pada spesi dalam elektrolit. Dalam hal ini terjadi aliran elektron dari elektroda kelarutan sehingga menimbulkan arus reduksi. Sedangkan dengan membuat potensial elektroda lebih positif, energi elektroda dapat direndahkan. Beberapa titik elektroda dalam larutan elektrolit akan mencari energi yang lebih sesuai pada elektroda dan menyebabkan terjadinya perpindahan elektron dari larutan elektrolit ke elektroda sehingga menimbulkan arus oksidasi(Putra,2000)
Tidaklah mungkin untuk mengukur potensial suatu setengah-sel tunggal, yang bisa adalah mengukur potensial antara dua setengah-sel. Jika diinginkan membandingkan potensial satu setengah sel dengan lainnya, harus dilakukan potensial masing-masing terhadap satu setengah-sel ketiga sebagai pembanding.
Karena pentingnya ion hidrogen dalam larutan air, ahli kimia memilih elektroda hidrogen dalam larutan air, ahli kimia memilih elektroda hidroden standrat sebagai elektroda pembanding standar sebagai elektroda pembanding standar dan secara sebarang memberikan harga voltase nol bagi potensialnya,. Secara ideal potensial elektroda standar akan diukur langsung, namun dalam praktek, elektroda hidrogen demikina sukar ditangani dalam eksperimen sehingga umumnya
digunakan elektroda-elektroda pembanding lain. Juga pengukuran yang sebenarnya di laboratorium(Keenan,1999)
2.7. Poly Aluminium Chloride(PAC)
Koagulasi adalah metode untuk menghilangkan bahan-bahan limbah dalam bentuk koloid, dengan menambahkan koagulan. Dengan koagulasi, partikel-partikel koloid akan saling menarik dan menggumpal membentuk flok.
Bahan kimia yang dapat mengendapkan disebut koagulan. Bahan ini dapat mengendapkan partikel-partikel koloid.
Dosis koagulan yang ditambahkan merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi koagulasi.Dosis yang tepat diperlukan agar koagulasi berjalan secara efektif. Jika dosis kurang maka tidak akan terbentuk flok. Jika dosis berlebihan juga dapat menyebabkan flok yang terbentuk tidak sempurna dikarenakan berubahnya pH larutan (biasanya asam).
Dengan penambahan koagulan, partikel-partikel koloid yang sebelumnya melayang-layang dalam air akan diikat menjadi partikel besar yang disebut flok.
Dengan ukuran partikelnya yang besar, flok dapat mengendap karena gaya gravitasi. Dalam pemakaian bahan kimia koagulan disebut juga flokulan.
Beberapa koagulan anorganik yang banyak digunakan dalam pengolahan air atau limbah cair di antaranya alumunium sulfat (alum), poli alumunium klorida (PAC), besi sulfat (II), besi klorida (II), dan lain-lain.
PAC adalah garam yang dibentuk oleh aluminium-aluminium Chlorida yang khusus diperuntukkan guna memberdaya koagulasi dan flokulasi
(Penggumpalan). Pada umumnya PAC dirumuskan dengan Alm (OH)n Cl (3m-n) . Bentuk PAC dapat berupa cairan jernih kekuningan atau serbuk berwarna kekuningan. PAC mengandung Al2O3 sebanyak 10-12% dan kandungan basa minimal 50%.
Gambar Poly Aluminium Chloride dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah ini
Gambar 2.4. Poly Aluminium Chloride (PAC)
PAC sebenarnya merupakan suatu senyawa kompleks berinti banyak dari ion-ion Aluminium yang terpolimerisasi yaitu suatu jenis dari polimer senyawa organik. PAC dengan arti vital yang kuat mengumpulkan setiap zat-zat yang tersuspensi atau yang secara koloidal tersuspensi dalam air, membentuk flok-flok (kepingan gumpalan-gumpalan) yang akan mengendap dengan cepat membentuk sludge (Lumpur endapan) yang dapat disaring dengan mudah.
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat
Penelitian ini menggunakan sampel limbah cair yang diperoleh pada bulan Desember 2017 dari salah satu industri elektroplating (pelapisan logam kromium) di Kecamatan Medan Johor, Sumatera Utara. Proses elektrolisis dan preparasi sampel dilakukan pada bulan Januari 2018 di Laboratorium Kimia Analitik FMIPA USU, Medan, Analisa kandungan logam Kromium (Cr), zink (Zn) dan Kadmium (Cd) pada sampel secara kuantitatif dengan menggunakan metode Spektrofotometri Serapan Atom (SSA) dilakukan pada bulan Januari 2018 di Laboratorium Balai Riset dan Standarisasi Industri (Baristan) Medan.
3.2. Alat dan Bahan 3.2.1. Alat-alat
1 Spektrofotometer Serapan Atom Shidamazu AA-7000
2 Power Supply Adaptor Montana
3 Elektroda Karbon Pensil 4 Botol Akuades
5 Bola Karet DNG
6 Gelas Beaker Pyrex
7 Gelas Ukur Pyrex
8 Hot Plate Cimarec
9 Kertas saring biasa
10 Kertas Saring Whattman No. 42
11 Labu Takar Pyrex
12 Matt Pipet Pyrex
13 Neraca analitis Mettler AE200
14 Corong Kaca Pyrex
15 Indikator Universal 16 Penjepit tabung 17 pH Meter
18 Batang pengaduk kaca 19 Penjepit buaya
3.2.2. Bahan-bahan 1 Akuades(l)
2 HNO3(p) p.a (E. Merck)
3 NaOH(s) p.a (E. Merck)
4 Cr6+ p.a (E. Merck) 5 Zn2+ p.a (E. Merck) 6 Cd2+ p.a (E. Merck) 7 Indikator pH universal
8 Industri Pelapisan Logam di Kecamatan Medan Johor, Medan, Sumatera Utara
3.3. Pengambilan Sampel
Sampel limbah cair diambil dari bak penampung (kedalaman=±2,5 ; kapasitas ± 3000 L) pada bagian permukaan dan pada kedalaman ± 50 cm dengan jarak ± 30 cm dari bagian pinggir bak penampung dengan waktu pengambilan sempel dilakukan pagi, siang dan sore hari. Kemudian sampel dicampur dalam suatu wadah agar homogen. Untuk keperluan satu tahap proses dilakukan pengambilan sampel air limbah sebanyak 20 liter. kemudian dimasukan ke dalam wadah yang tertutup rapat, sampel diawetkan dengan penambahan HNO3(p) hingga pH = 3. Jenis sampel uang diambil adalah limbah cair tanpa penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC) dan limbah penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC).
3.4.Penentuan Kadar Zn, Cd, dan Cr dalam Limbah Cair Industri Pelapisan Logam Sebelum Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC)
a.Preparasi Sampel
Sebanyak 100 mL limbah cair Industri pelapisan logam tanpa penambahan PAC disaringan dengan menggunakan kertas saringan biasa kemudian filtratnya
dimasukkan ke dalam gelas beaker 250 mL, ditambahkan 5 mL HNO3(p), dipanaskan di atas hotplate hingga Volume larutan menjadi ± 15 mL, ditambahkan 50 mL akuades, dimasukkan ke dalam labu takar 100 ml melalui kertas saringan Whatmann No. 42, diencerkan dengan akuades sampai garis batas, dihomogenkan.
b. Penentuan Kadar Zn, Cd dan Cr pada Sampel
larutan sampel yang telah dipreparasi dianalisa secara kuantitatif dengan mengukur absorbansinya dengan menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom untuk Cr pada λspesifik = 357,9 nm, untuk Zn pada λspesifik = 213,9 nm, dan untuk Cd pada λspesifik = 228,8 nm.
3.5.Penentuan Kadar Zn, Cr dan Cd dalam Limbah Cair Setelah Penambahan Poly Aluminium Chlorida
a.Preparasi Sampel
Sebanyak 100 mL limbah cair Industri pelapisan logam tanpa penambahan PAC disaringan dengan menggunakan kertas saringan biasa kemudian filtratnya dimasukkan ke dalam gelas beaker 250 mL, ditambahkan 5 mL HNO3(p), dipanaskan di atas hotplate hingga Volume larutan menjadi ± 15 mL, ditambahkan 50 mL akuades, dimasukkan ke dalam labu takar 100 ml melalui kertas saringan Whatmann No. 42, diencerkan dengan akuades sampai garis batas, dihomogenkan.
b. Penentuan Kadar Zn. Cr dan Cd pada sampel
larutan sampel yang telah dipreparasi dianalisa secara kuantitatif dengan mengukur absorbansinya dengan menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom untuk Cr pada λspesifik = 357,9 nm, untuk Zn pada λspesifik = 213,9 nm, dan untuk cd pada λspesifik = 228,8 nm.
3.6. Proses Elektrolisis Limbah Cair Sebelum Penambahan Poly Aluminium Chloride (PAC)
Sebelum proses elektrolisis dilakukan terlebihan dahulu diuji apakah larutan sampel yang digunakan merupakan larutan elektrolit atau bukan dimana jika larutan elektrolit dapat menghantarkan arus listrik serta timbulnya gelembung gas dalam larutan.
3.6.1. Elektrolisis Limbah Cair dengan katoda dan Anoda Karbon a.Proses Elektrolisis dan Preparasi Sampel
sebanyak 500 mL limbah cair industri pelapisan logam tanpa penambahan PAC dimasukan ke dalam gelas beaker 1000 mL, diukur pH jika pH ≤ 7 ditambahkan NaOH 1 N dan dipasangkan rangkaian elektrolisis dengan elektroda Karbon, dicelupkan kedua elektrodabke dalam sampel dihubungkan pada sumber arus DC dengan kuat arus 1 dan tegangan 8 V, dilakukan proses elektrolisis selama 2 jam kemudian disaring kemudian filtratnya dimasukkan ke dalam gelas beaker 100 mL, ditambahkan 5 mL HNO3(p), dipanaskan di atas hotplate hingga volume larutan menjadi ± 15 mL, ditambahkan 50 mL akuades, dimasukkan ke dalam labu takar melalui kertas saring Whatmann no. 42, diencerkan dengan akuades sampai gabis batas, dihomogenkan
b.Penentuan Kadar Zn, Cr dan Cd pada sampel
larutan sampel yang telah dipreparasi dianalisa secara kuantitatif dengan mengukur absorbansinya dengan menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom untuk Cr pada λspesifik = 357,9 nm, untuk Zn pada λspesifik = 213,9 nm, dan untuk cd pada λspesifik = 228,8 nm.
3.6.2. Elektrolisis Limbah Cair dengan Variasi Tegangan a.Proses Elektrolisis dan Preparasi Sampel
Sebanyak 500 mL limbah cair industri pelapisan logam tanpa penambahan PAC dimasukan ke dalam gelas beaker 1000 mL, diukur pH jika pH ≤ 7 ditambahkan NaOH 1 N dan dipasangkan rangkaian elektrolisis dengan elektroda Karbon , dicelupkan kedua elektroda ke dalam sampel dihubungkan pada sumber arus DC
dengan kuat arus 1 A dan tegangan 8 V, dilakukan proses elektrosis selama 2 jam kemudian didiamkan, setelah didiamkan kemudian disaring kemudian filtratnya dimasukan ke dalam gelas beaker 100 mL, ditambahkan 5 mL, ditambahkan 50 mL akuades, dimasukan ke dalam labu takar melalui kertas saring Whatmann no.
42, diencerkan dengan akuades sampai garis batas, dihomogenka. Hal yang sama dilakukan untuk variasi tegangan 11, 14 dan 17 volt
b. Penentuan Kadar Zn, Cr dan Cd pada sampel
larutan sampel yang telah dipreparasi dianalisa secara kuantitatif dengan mengukur absorbansinya dengan menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom untuk Cr pada λspesifik = 357,9 nm, untuk Zn pada λspesifik = 213,9 nm, dan untuk cd pada λspesifik = 228,8 nm.
2
1
3
4
3.11. Bagan Penelitian 3.11.1. Rangkaian Alat
Dihubungkan dengan kabel tembaga Dihubungkan dengan kedua elektroda
Adapun rangkaian alat elektrolisis yang digunakan seperti tautan pada gambar 3.1 berikut :
Gambar 3.1. Rangkaian Alat Elektrolisis Keterangan :
1. Sumber Arus Listrik 2. Kabel Tembaga 3. Elektroda
4. Reaktor (Wadah + Air)
Elektroda yang digunakan adalah elektroda Karbon dari pensil Catatan : Jarak antar elektroda ditetapkan sama sebesar ± 3 cm
Luas penampang elektroda ditetapkan sama sebesar ± 50 cm2 Adaptor 5 A
Rangkaian Alat
