OPTIMASI ADSORPSI ION NaCl PADA ELEKTRODA CAPASITIVE DEIONIZATION DENGAN MEMBRANE ION EXCHANGE

(1)

OPTIMASI ADSORPSI ION NaCl PADA

ELEKTRODA

CAPASITIVE DEIONIZATION

DENGAN

MEMBRANE ION EXCHANGE

Ellys Kumala P 1111201206

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2014

Dosen Pembimbing Endarko, M.Si Ph.D Dr. Melania Suweni M, MT

(2)

(3)

LATAR BELAKANG

- Air merupakan salah satu kebutuhan terpenting bagi kehidupan manusia

- Pada tahun 2025 manusia diperkirakan akan mengalami krisis air bersih(Buerkle,2007)

- Air laut sebagai sumber air yang belum

dimanfaatkan secara maksimal untuk kebutuhan air manusia

- Teknologi CDI di mulai pada tahun 1960 oleh Blair tentang demineralisasi air secara elektrokimia dan berkembang hingga saat ini.

Perlu dilakukan peningkatan kinerja sistem

desalinasi pada sistem kapasitif deionisasi sebagai teknologi hemat energi agar didapatkan

(4)

• Melakukan pembuatan elektroda untuk sistem CDI • Merancang dan membuat sistem desalinasi CDI • Melakukan optimasi penyerapan ion NaCl pada

elektroda sistem CDI

Tujuan

• Pemanfaatan teknologi baru yaitu Membrane capasitive deionization untuk pemenuhan

kebutuhan air bersih dengan sistem desalinasi yang hemat energi dan ramah lingkungan

• Meningkatkan penyerapan ion garam pada sistem CDI sehingga air tawar yang dihasilkan semakin banyak

(5)

Tinjauan Pustaka



Capasitive Deionisation (CDI)

 Teknologi desalinasi yang menggunakan prinsip kerja kapasitor

dalam penyerapan ion NaCl dalam air.

+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - + + - -

Air garam _{Air tawar}

Digunakan elektroda karbon berporous dengan tegangan DC

1-1,8 V

Air garam dialirkan diantara dua plat elektroda

ion negatif dan positif akan terpisah terikat elektroda

karbon

(6)

Pembuatan Elektroda



Bahan Penyusun Elektroda CDI

 Karbon aktif

Arang yang telah mengalami karbonisasi dan aktivasi secara kimia maupun fisika sehingga memiliki luas permukaan yang besar (300-3500 m2_{/g) yang menyebabkan daya serap terhadap ion}

tinggi

 Polimer Poli Vinil Alkohol

Polimer PVA dipilih sebagai binder karbon karena merupakan polimer hidrofilik sehingga meningkatkan tingkat kebasahan pada permukaan elektroda. PVA dapat dibentuk menjadi hidrogel dalam kandungan air dengan metode freeze/thawing, irradiasi gamma, crosslinking kimiawi dan fotopolimerisasi.

(7)

Pembuatan Elektroda



Pembentukan Ikatan Polimer Elektroda

• Metode Crosslinking

Proses kimiawi penggabungan dua atau lebih molekul dengan ikatan kovalen. Ikatan crosslinking polimer dibentuk oleh PVA dan glutaric acid yang diinisiasi oleh temperatur antara

100- 120 oC

• Pembentukan Crosslinking PVA -Glutaric Acid

(8)

(9)

Membrane Capasitive Deionzation

Membran Penukar Ion

Kolektor Arus

Elektroda Karbon

(10)

Proses Penyerapan Ion garam

A C Anoda Katoda NaCl Na+ Cl- Cl- Na+ Cl₂ 2Cl- _Cl 2 + 2e- +H₂ 2H₂O _{+ 2e}- _2OH- OH- H₂ (-) (+) 2e- 2e- ∆V Pergerakan ion

1. Konveksi karena adanya gaya mekanik berupa laju aliran

2. Migrasi karena adanya gaya listrik

3. Difusi karena adanya perbedaan konsentrasi pada permukaan

elektroda dan larutan

(Des Eaux, 1996)

(11)

Faktor-faktor yang mempengaruhi

penyerapan ion garam

 Kapasitansi Elektroda CDI

Kapasitansi elektroda menunjukkan kemampuan elektroda dalam penyimpanan muatan. Kapasitansi ini ditentukan dengan

pengujian menggunakan Electrical Impedance Spectroscophy.

 Laju Aliran

Laju aliran larutan ini menentukan kecepatan mobilitas ion-ion ketika terabsorb dalam elektroda. Laju aliran yang semakin cepat akan menyebabkan ion-ion garam sulit terserap kedalam elektroda.

 Tegangan listrik

Perbedaan potensial pada pergerakan muatan merupakan energi yang dibutuhkan agar muatan dapat bergerak menuju elektroda. Semakin besar beda potensial yang diberikan pada elektroda maka

(12)

Sel CDI tanpa Membran

Larutan NaCl Anoda Katoda (-) (+) ∆V + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + +

(13)

Penggunaan membran penukar ion

A C Anoda Katoda Larutan NaCl (-) (+) ∆V + + + + + + + + ₊ + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + (Zhao, 2011)

(14)

Optimasi Model matematis



_{Regresi Berganda}



Pembentukan model matematis pemasalahan dengan

(15)

Pembentukan Matrik Regresi

 Apabila dimisalkan X₁2 _{= X}

4 , X22 = X5 dan seterusnya

 Didapatkan :

 Y = b₀ + b₁ X₁ + b₂ X₂ +b₃ X₃ +b₄ X₄ + b₅ X₅+ b₆ X₆+b₇ X₇+b₈ X₈+ b₉ X₉

 Maka dapat dibentuk matrik sebagai berikut :

 Y= 𝑦₁ 𝑦₂ ⋮ ⋮ 𝑦_𝑛 X = 1 𝑥₁₁ 𝑥₁₂ … 𝑥_1𝑘 1 𝑥₂₁ 𝑥₂₂ … 𝑥_2𝑘 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ 1 𝑥_𝑛1 𝑥_𝑛2 … 𝑥_𝑛𝑘 B = 𝑏₀ 𝑏₁ ⋮ ⋮ 𝑏_𝑛

 Maka didapatkan persamaan matriks Y = B X

 Matrik koefisien regresi didapatkan sebagai berikut :

 𝑩 = 𝑿𝑿′ −𝟏𝑿′𝒀

(Montgomery, 2005) (2.2)

(16)

Algoritma Genetik

 Metode algoritma genetik diinspirasi oleh teori-teori dalam ilmu biologi, yang didasarkan atas mekanisme evolusi biologi.

Individu Populasi Lingkungan Kompetisi -Adaptasi - Berkembangbiak - Mutasi Individu optimal

(17)

(18)

Tahapan Penelitian

Pembuatan

elektroda Pengujian elektroda

Pembuatan sistem desalinasi Pengujian sistem desalinasi Optimasi sistem desalinasi Pengujian optimasi sistem desalinasi

(19)

Bahan elektroda Karbon aktif Karbon aktif berbentuk serbuk dengan ukuran 140 µm PVA Mw = 60.000 gr/mol Degree of hydrolysis 98%, Merck Germany Glutaric Acid Mr =132.11 gr/mol Sigma Aldrich Germany Aluminium

Pembuatan Elektroda

(20)

Pembuatan elektroda

50 mL aquades dipanaskan hingga suhu 100 0_C 1 gr PVA di tambahkan ke dalam aquades

Larutan PVA & aquades di stirrer di selama 30 menit hingga homogen Pemanasan dimatikan. 20 gr Karbon aktif ditambahkan ke dalam larutan hingga suhu ruang 0.5 gr Glutaric Acid ditambahkan ke dalam campuran Campuran di stirrer selama 4 jam pada suhu ruang Campuran dicetak dalam cetakan aluminium ukuran 8x6x0.5 cm3_di keringkan selama 4 hari Setelah elektroda

memadat dan kering. Elektroda kemudian di furnace dengan suhu 100-120 o_C

(21)

Tabel Variasi Suhu Pembuatan Elektroda

No. Tipe Elektroda Suhu Crosslinking (C)

1 A_T120 120

2 B_T110 110

3 C_T100 100

• Pengujian Elektroda

• Pengujian SEM

mengetahui struktur permukaan elektroda

• Pengujian Voltametri Siklik

mengetahui sifat dan perilaku elektrokimia pada elektroda

• Pengujian

Electrical Impedance Spectroscophy

(22)

(23)

Sistem Desalinasi

Larutan NaCl 0.5 M Manual Valve Sistem CDI Power Supply Salinity Meter

(24)

Tabel Variasi Pengujian Sistem CDI

No Parameter Variasi

1 Kapasitansi A_T120 B_T110 C_T100

2 Tegangan (Volt) 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8

3 Laju Aliran (mL/ _menit) 5 10 15 20 25

(25)

Pembentukan Model Matematis

Data Hasil Eksperimen

Pembentukan matrik variable bebas dan

varibel terikat Perhitungan matrik koefisien regresi dengan matlab Optimasi Algoritma Genetik

Hasil Optimasi dan Parameter-parameternya

(26)

(27)

Hasil Pengujian Elektroda

•

Pengujian SEM

(28)

Hasil Pengujian Elektroda

• Pengujian Voltametri Siklik

Tipe Arus Maksimum (mA) A_T120 5.75 B_T110 4.89 C_T100 4.1 (Wang,2007)

(29)

Hasil Pengujian Elektroda

• Pengujian Electrical Impedance Spectrocophy

Park,2011 Kapasitansi Spesifik

(30)

Rangkaian Ekulivalen hasil EIS

Anoda Elektrolit Katoda

e- e- R_ct,a C_dl,a R_Ω R_ct,k C_dl,k

dl = double layer , ct = charge transfer

Na+ Cl- Tipe Kapasitansi A_T120 627 μMho B_T110 362 μMho C_T100 100 μMho

(31)

Hasil Pengujian Sistem CDI

• Pengujian Osiloskop

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110

(32)

Hasil Desalinasi Variasi Tipe Elektroda

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt

Tipe Kapasitansi Maks % pengurangan kadar garam A_T120 627 μMho 58.58 % B_T110 362 μMho 25.06 % C_T100 100 μMho 15.99 %

(33)

Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran

Elektroda C_T100 Pengukuran dilakukan pada tegangan1,5 Volt

(34)

Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran

Tipe Laju Aliran

Maks % pengurangan kadar garam A_T120 10 mL/mnt 58.58 % B_T110 10 mL/mnt 25.06 % C_T100 5 mL/mnt 16.86 %

(35)

Hasil Desalinasi Variasi Tegangan

Elektroda C_T100

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL /mnt

(36)

Hasil Desalinasi Variasi Tegangan

Tipe Tegangan Maks % pengurangan kadar garam A_T120 1.5 Volt 58.58 % B_T110 1.8 Volt 31.87 % C_T100 1.8 Volt 18.32 %

(37)

Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan

Membran penukar ion

Elektroda A_T120 _{Elektroda B_T110}

Elektroda C_T100

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt

(38)

Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan

Membran penukar ion

Tipe Tanpa Membran Dengan Membran A_T120 58.58 % 59.09% B_T110 25.06 % 26.21 % C_T100 15.99 % 16.52%

(39)

Model Matematis

Grafik nilai respon data eksperimen dan Model matematis Persamaan model matematis :

Fungsi Fitness Algoritma Genetik

(40)

Hasil optimasi secara modeling

Nilai fitness maksimum 70.34 % dengan parameter-parameter yang

didapatkan kapasitansi X₁= 627 μMho, kecepatan aliran X₂ =5.565

mL/menit , tegangan sumber X₃=1.8 Volt, dan penggunaan membrane X₄

(41)

Hasil Optimasi



Hasil Eksperimen

Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 59,09 %

dengan parameter

–parameter kapasitansi 627

μ

Mho, kecepatan aliran

10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane.



Hasil Model Matematis

Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 70.34 % dengan

parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X

₁

= 627

μ

Mho,

kecepatan aliran X

₂

=5.565 mL/menit , tegangan sumber X

₃

=1.8 Volt,

dan penggunaan membrane X

₄

(1).

(42)

Kesimpulan

• Telah dilakukan pembuatan sistem desalinasi CDI dengan

menggunakan dapat menggunakan metode pembentukan ikatan

crosslinking dengan komposisi karbon aktif dari tempurung kelapa, PVA dan glutaric acid adalah 20: 1: 0,5 gr

• Hasil eksperimen menujukkan Pengurangan kadar garam

tertinggi didapatkan sebesar 59,09 % dengan parameter – parameter kapasitansi 627 μMho kecepatan aliran 10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane.

• Hasil optimasi secara model matematis nilai fitness maksimum

yang didapatkan 70.34 % dengan parameter-parameter yang

didapatkan kapasitansi X₁ = 627 μMho, kecepatan aliran X₂

=5.565 mL/menit , tegangan sumber X₃ =1.8 Volt, dan

(43)

Saran

• Pembuatan Elektroda CDI dengan penggunaan arus kolektor

yang lebih baik misalnya mengunakan bahan-bahan inert

seperti grafit sheet agar memiliki daya tahan yang lama

terhadap proses elektrokimia yang terjadi didalam sel CDI.

• Desain sistem CDI dengan penambahan membran perlu

diperbaiki agar didapatkan pengurangan kadar garam yang

lebih besar.

• Penggunaan pompa peristaltik diperlukan agar dapat menjaga

aliran larutan garam konstan sesuai laju aliran yang

(44)