PEMBUATAN KOMPOSIT CARBON NANOTUBES (CNT) DIKOMBINASI DENGAN KARBON AKTIF SEBAGAI ELEKTRODA FLOW-THROUGH CAPASITOR (FTC)
UNTUK APLIKASI DESALINASI AIR PAYAU Agus Subagio, Ngurah Ayu Ketut U, Sulistiya
Jurusan Fisika FMIPA UNDIP, Semarang
Abstract
The research about optimization of composite manufacture activated carbon electrodes combined with carbon nanotubes (CNT) has been done with application in desalination for brackish water by flow-through capasitor (FTC) method.
FTC method is one of desalination method which performed by flowing saline solution through the gap between the electrodes based on the principle of chip (flat) parallel capacitor. Electrodes made with at least 20% binder addition and obtained by hot-pressing under pressure 20 Mpa, temperature 180 0C for 30 minutes.
The results showed that the most effective combination of electrodes in separate salt is electroda with 10% CNT addition. The test of desalination prototype with 7 pairs of activated carbon electrodes with 10% CNT addition for 60 minutes can separate salt compound from salt solution 0.03 M (1785 mg /L) for 52%.
Keywords: Carbon nanotubes, activated carbon, electrode, desalination
Intisari
Telah dilakukan penelitian tentang optimasi pembuatan komposit elektroda karbon aktif yang dikombinasi dengan carbon nanotube (CNT) untuk aplikasi desalinasi air payau pada metode flow-through capasitor (FTC).
Metode FTC merupakan salah satu metode desalinasi yang dilakukan dengan mengalirkan larutan garam melewati celah di antara elektroda berdasarkan prinsip kapasitor keping sejajar. Elektroda dibuat dengan penambahan paling sedikit 20% pengikat dan dicetak menggunakan alat hot-pressing pada tekanan 20 Mpa, temperatur 180 0C selama 30 menit.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kombinasi elektroda paling efektif dalam memisahkan garam adalah pada elektroda dengan penambahan 10% CNT. Pengujian prototipe desalinasi dengan 7 pasang elektroda karbon aktif dengan penambahan 10% CNT selama 60 menit dapat memisahkan senyawa garam dari larutan garam 0,03 M (1785 mg/L) sebesar 52 %.
Kata kunci :
Carbon nanotubes
, karbon aktif, elektroda, desalinasi
PENDAHULUAN
Air merupakan salah satu komponen penting kebutuhan hidup bagi manusia di dunia ini. Sebagian besar kebutuhan air tercukupi oleh sumber air tanah, baik pengambilan air tanah dangkal dengan digali maupun pengambilan air tanah dalam dengan sumur pompa. Seiring dengan bertambahnya kegiatan manusia maka penggunaan air baik untuk air konsumsi, industri maupun komersial juga akan meningkat. Sebagai akibatnya terjadi pengambilan air tanah yang berlebihan tanpa memperhitungkan keseimbangan terhadap kelangsungan keberadaannya. Dampak langsung yang ditimbulkan adalah terjadinya penurunan muka air tanah. Penurunan muka air tanah ini akan menyebabkan masuknya air laut ke daratan yang
disebut dengan intrusi. Fenomena alam ini menyebabkan air tanah di pesisir menjadi payau dan tidak dapat digunakan sebagai sumber air tawar/bersih (terutama untuk air minum) sebagaimana mestinya. Oleh karea itu harus dilakukan proses pemisahan garam yang dikenal dengan sistem desalinasi (Paripurno, 2000).
serta biaya yang relatif mahal berkaitan dengan penyediaan membran (Dermentzis et al, 2003).
Flow through capasitor (FTC) merupakan salah satu metode desalinasi yang dilakukan dengan mengalirkan air garam melewati celah diantara elektroda berdasarkan prinsip kapasitor. FTC bekerja dengan penyerapan ion secara elektrostatis pada sebuah permukaan elektroda bermuatan (gambar 1a). Ketika elektroda sudah jenuh maka perlu dilakukan proses regenerasi untuk mengembalikan kinerja elektroda. Proses regenerasi dilakukan dengan membalik polaritas elektroda (gambar 1b). Salah satu material yang baik untuk digunakan sebagai elektroda FTC adalah karbon aktif. Karbon aktif bersifat konduktif, porositasnya tinggi, dan memiliki sifat penyerapan yang baik serta harganya terjangkau. Akan tetapi karbon aktif sebagai elektroda juga memiliki banyak kelemahan, diantaranya resistivitasnya tinggi, energi yang dikonsumsi tinggi, dan stabilitasnya rendah (Mendez and Gasco, 2005).
(a)
(b)
Gambar 1 (a) Proses penyerapan dan (b) proses regenerasi ion-ion Na+ dan Cl- pada elektroda (Zhang
et al, 2006).
Carbon nanotubes (CNT) merupakan material baru memiliki kelebihan untuk dibuat elektroda, di antaranya resistivitas rendah, konduktivitasnya tinggi, dan kestabilan yang tinggi. CNT juga memiliki kekurangan yaitu biaya produksi yang tinggi dan luas permukaan serapnya rendah bila dibandingkan dengan karbon aktif. Penggunaan CNT 100% untuk dibuat elektroda juga kurang efektif karena butuh biaya yang mahal untuk memproduksinya (Anggraeni, 2006). Elektroda yang baik memiliki sifat konduktif, resistivitas rendah, porositasnya tinggi, daya serap tinggi, kestabilan yang tinggi, serta biaya produksinya rendah. Dari kelebihan sifat CNT diharapkan dapat meningkatkan unjuk kerja karbon aktif jika dibuat elektroda, maka
perlu dilakukan penggabungan karbon aktif dan CNT untuk mendapatkan elektroda yang baik 0:100 serta dengan menambahkan 20% pengikat (Phenolic resin dan urotropin) dan dicetak potensial. Kemudian mencatat hasil penurunan konsentrasi larutan garam sebelum dan sesudah melewati elektroda.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Penambahan Pengikat
sulit diambil dari cetakan dan pecah saat pengambilan. Peda penambahan pengikat 20%, 25%, dan 30 %, lempeng elektroda terbentuk dengan baik, pengikat 20% merupakan lempeng elektroda yang paling baik karena mempinyai
Pada tabel 2 resistansi elektroda berkurang terhadap penambahan CNT. Penambahan CNT bertujuan untuk meningkatkan konduktivitas dan mengurangi resistivitas pada karbon aktif. Tabung-tabung CNT yang kecil dan memanjang akan menyusup dan menjadi jembatan pada makroporos dan mesoporos karbon aktif, sehingga akan meningkatkan konduktivitas dan mengurangi resistivitas komposit elektroda. Dari gambar 2 memperlihatkan bahwa penambahan CNT akan mengurangi mesoporos dan makroporos pada karbon aktif. Elektroda tanpa penambahan CNT masih banyak pori-pori jembatan penghubung mesoporos maupun makroporos karbon aktif yang berukuran lebih besar, sehingga pori-pori yang berukuran besar akan berkurang yang mengakibatkan luas permukaan serap meningkat. Akan tetapi jika terlalu banyak CNT, luas permukaan serap akan menurun, hal ini terjadi karena luas permukaan serap CNT lebih kecil bila dibandingkan dengan karbon aktif (Zhang et al, 2006).
Tabel 2 Pengaruh penambahan CNT pada komposit elektroda
Gambar 2 Citra SEM (a) Komposit elektroda tanpa penambahan CNT (b) komposit elektroda dengan penambahan CNT 10%
Pengaruh Aktivasi Karbon Aktif
15.646,2 nm, sedangkan setelah diaktivasi diameter rata-ratanya menjadi 4.776,4 nm. Selain memecah karbon aktif yang berukuran besar, proses aktivasi juga dapat membuka pori-pori karbon aktif yang tertutup senyawa organik. Dengan ukuran butir dan pori-pori yang lebih kecil maka jarak antar butir menjadi lebih dekat, akibatnya daya hantar listriknya meningkat.
Pengujian Elektroda
Pada gambar 5, penurunan kadar garam tertinggi terjadi pada pemberian tegangan 3 volt, akan tetapi pada pemberian tegangan 3 volt ini mulai muncul gelembung-gelembung yang berbau menyengat di sekitar elektroda. Deionisasi kapasitor terjadi pada tegangan 1,2 – 1,7 volt. Jika tegangan yang diberikan melebihi lebih dari 1,7 volt, maka akan mulai terjadi elektrolisis pada elektroda. Senyawa air terurai menjadi ion H+ dan OH-, terjadi reaksi antara senyawa garam dengan air membentuk natrium hidroksida (NaOH) dan gas klorin (Cl2) yang berbau menyengat (Dermentzis et al, 2009). Hasilnya pemberian tegangan paling baik adalah pada tegangan 1,5 volt.
Proses penyerapan senyawa garam pada elektroda ditunjukkan pada gambar 5. Penanyerapan paling tinggi terjadi pada elektroda dengan penambahan CNT 10%, sedangkan paling rendah terjadi pada elektroda dengan penambahan elektroda 15%. Penambahan CNT akan menurunkan resistivitas elektroda, akan tetapi jika terlalu banyak CNT porositas karbon aktif akan menurun, sehingga daya serap elektroda berkurang. Hasilnya bahwa pada komposit elektroda dengan penambahan CNT 10% mempunyai penyerapan paling baik.
Gambar 4 Grafik penurunan kadar garam terhadap waktu pemberian tegangan pada berbagai variasi tegangan
Gambar 5 Grafik penurunan kadar garam terhadap waktu pemberian tegangan pada variasi komposisi elektroda
Pengujian Prototipe Desalinasi
Gambar 6 menunjukkan laju penurunan konsentrasi larutan garam setelah melewati elektroda. Konsentrasi larutan menurun seiring bertambahnya waktu. Grafik laju penurunan konsentrasi larutan garam berbentuk eksponensial. Hasilnya pada pengujian prototipe desalinasi dengan 7 pasang elektroda selama 60 menit dapat memisahkan senyawa garam dari larutan garam 0,03 M (1785 mg/L) sebesar 52%.
Laju penurunan konduktivitas larautan selama proses removal ditunjukkan pada gambar 9. Konduktivitas larutan garam menurun seiring penambahan waktu. Proses removal akan mengurangi ion-ion garam dalam larutan garam, akibatnya daya hantar listrik larutan menjadi berkurang. Besarnya penurunan kadar garam dalam larutan garam sebanding dengan konduktivitas larutan garam tersebut (Dermentzis et al, 2009).
Gambar 7 Grafik konduktivitas larutan garam selama proses removal
Proses Regenerasi
Proses regenerasi bertujuan untuk mengembalikan elektroda agar bisa berfungsi lagi untuk menguraikan dan menyerap senyawa garam. Proses regenerasi dilakukan dengan membalik polaritas elektroda. Larutan yang digunakan adalah air tawar. Ion-ion garam dalam elektroda akan terlepas dan kemudian larut bersama air tawar. Hasilnya air tawar setelah melewati elektroda menjadi lebih jenuh.
Gambar 8 Grafik laju konsentrasi larutan selama proses regenerasi
Gambar 8 menunjukkan laju kenaikan konsentrasi larutan selama proses regenerasi. Konsentrasi larutan naik seiring bertambahnya waktu. Larutan yang mula-mula air tawar berubauh menjadi larutan garam. Pada saat proses regenerasi ion-ion garam di elektroda akan terlepas karena adanya pemberian potensial yang sama. Terjadi gaya tolak-menolak antara elektroda dengan ion garam, akibatnya ion-ion garam akan terlepas dari elektroda dan larut bersama laju aliran air tawar. Air tawar menjadi lebih jenuh dan berubah menjadi larutan garam. Namun, tidak semua ion-ion garam larut bersama air tawar melainkan ada sebagian ion yang tertarik pada elektroda yang berlawanan muatan.
Oleh karena itu kemampuan elektroda untuk memisahkan senyawa garam menjadi berkurang.
Gambar 9 Grafik konduktivitas larutan selama proses regenerasi
Kenaikan konduktivitas larautan selama proses regenerasi ditunjukkan pada gambar 9. Konduktivitas larutan naik seiring bertambahnya waktu. Semakin jenuh larutan garam maka konduktivitasnya akan semakin meningkat. Ion-ion garam yang terlepas dari elektroda akan meningkatkan daya hantar listrik larutan. Akibatnya larutan menjadi semakin besar nilai konduktivitasnya.
KESIMPULAN
Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa komposit elektroda paling baik dibuat dengan penambahan 20% pengikat. Kombinasi elektroda yang paling efektif dalam memisahkan garam dari larutan garam adalah pada elektroda dengan penambahan 10% CNT. Hasil pengujian prototipe desalinasi dengan 7 pasang elektroda selama 60 menit dapat memisahkan senyawa garam dari larutan garam 0,03 M (1785 mg/L) sebesar 52 %.
DAFTAR PUSTAKA
Anggraeni, K, 2006, “Perangkat Memori Berbasis Carbon Nanotube”
Dermentzis, K, D. Papadopoulou, A. Christoforidis, and A. Dermantzsis., 2009, “A
New Process Desalination and
Hendra, D. J. dan Pari, G., 1999, “Pembuatan Arang aktif dari Tandang Kosong Kelapa Sawit”, Buletin Penelitian Hasil Hutan, Jakarta.
Mendez A., Gasco G., 2005, “Optimization of Water Desalination Using Carbon-Based Absorbents”, Desalination 183, 249-255.
Paripurno, E. T., 2000, “Berbagai Potensi Bencana Alam Indonesia;Modul Manajemen Bencana Seputar Beberapa Bencana di Indonesia”.
Zhang, D., Shi L., Fang J., Dai K., 2006, “Removal of NaCl from Saltwater Solution using Carbon Nanotubes/Activated Carbon Composite Electrode”, Materials Letters 60, 360-363.
