Pembuatan dan Pengujian Membrane Capacitive Deionization Menggunakan Material Karbon Aktif Tempurung Kelapa Sebagai Pemurni Kesadahan

(1)

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE

DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON

AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI

KESADAHAN

TESIS

Oleh

CAHYANI MONALISTA HAREFA 137026004 / FIS

PROGRAM PASCASARJANA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE

DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON

AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI

KESADAHAN

TESIS

Oleh

(3)

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE

DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON

AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI

KESADAHAN

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana

Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara

Oleh

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(4)

PENGESAHAN TESIS

Judul Tesis : PEMBUATAN DAN PENGUJIAN

MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI KESADAHAN

Nama Mahasiswa : Cahyani Monalista Harefa Nomor Induk Mahasiswa : 137026004

Program Studi : Magister Ilmu Fisika

Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sumatera Utara

Menyetujui Komisi Pembimbing

Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc

NIP. 196002031986011001 NIP. 196811101999031001 Saharman Gea, Ph.D

Ketua Anggota

Ketua Program Studi, D e k a n,

Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc

(5)

PERNYATAAN ORISINALITAS

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE

DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON AKTIF

TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI KESADAHAN

T E S I S

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumbernya dengan benar.

Medan, 23 Nopember 2016

(6)

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN

AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:

N a m a : Cahyani Monalista Harefa

N I M : 137026004

Program Studi : Magister Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive

Royalty Free Right) atas Tesis saya yang berjudul:

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Medan, 23 Nopember 2016

(7)

Telah diuji pada

Tanggal : 22 Nopember 2016

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc

Anggota : 1. Saharman Gea, Ph.D

2. Prof. Eddy Marlianto, M.Sc., Ph.D 3. Dr. Kerista Sebayang, MS

(8)

RIWAYAT HIDUP

DATA PRIBADI

Nama lengkap berikut gelar : Cahyani Monalista, S.Pd, M.Si Tempat dan Tanggal Lahir : Gunungsitoli, 11 Agustus 1980

Alamat Rumah : Jl. Jamin Ginting No. 325 Dusun IV Desa Hulu Pancur Batu, Deli Serdang, Sumatera Utara

HP : +62852 9722 1085

e-mail

Instansi Tempat Bekerja : SMA Negeri 1 Lahewa

Alamat Kantor : Jl. Arah Onozalukhu Desa Afia Kecamatan Lahewa Kabupaten Nias Utara Sumatera Utara

DATA PENDIDIKAN

(9)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Pengasih atas segala berkat dan anugerah-Nya sehingga penulisan tesis yang berjudul Studi Tentang Pembuatan dan Pengujian Membrane Capacitive Deionization serta Pemanfaatannya pada Pengurangan Kesadahan Air dapat diselesaikan.

Dukungan, motivasi, perhatian dan bantuan dari berbagai pihak telah diberikan selama menyelesaikan penulisan tesis ini. Oleh karena itu, dengan penuh kerendahan hati disampaikan terimakasih kepada :

1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Runtung Sitepu SH, M. Hum atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister Ilmu Fisika Universitas Sumatera Utara.

2. Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Kerista Sebayang, MS atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.

3. Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika, Bapak Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc dan Sekretaris Program Studi Magister Ilmu Fisika Dr. Anwar Sembiring, MS serta seluruh staf pengajar pada Program Studi Magister Ilmu Fisika FMIPA Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara.

4. Ketua Komisi Pembimbing, Bapak Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc yang telah meluangkan waktu dan pikiran secara maksimal dalam membimbing dan mengarahkan dalam menyelesaikan tesis ini.

5. Anggota Komisi Pembimbing, Bapak Saharman Gea, Ph.D yang telah meluangkan waktu dan pikiran yang sangat berharga dalam membimbing dan mengarahkan dalam menyelesaikan tesis ini.

(10)

7. Ibunda tercinta Rohanny Hulu dan Ibunda mertua Asnidarty atas segala dukungan, motivasi dan doa yang tiada hentinya.

8. Suami tercinta Ronald Salomon Sembiring Pandia, putra dan putri kebanggaan, Samuel Ahzarel Sembiring Pandia dan Josephine Ivana Sembiring Pandia yang telah setia mendampingi dengan memberikan dukungan dan pengorbanan yang tidak ternilai sehingga tesis ini dapat terselesaikan.

9. Kakanda Hariyani Nirmalasari Harefa sekeluarga, kakanda Jenny Asni April Yanthi Harefa sekeluarga, kakanda Rika Bertha Suryani Harefa dan adinda Yusuf Sejahtera sekeluarga yang telah turut mendukung dan memotivasi.

10.Kakanda Nelly Niasta Sembiring sekeluarga yang memberikan dorongan untuk mengikuti dan menyelesaikan perkuliahan.

11.Rekan-rekan guru SMA Negeri 1 Lahewa yang telah memberi dukungan. 12.Teman-teman kuliah angkatan 2013: Imelda Hia, Devy Siregar, Ariati

Nababan, Indri Dayana, Ainun Lubis, Fynnisa Zebua, K’ Juna, B’ Rudi Hulu, Taufik Hia, Ozy Gea, Chandra Zendrato, Golberd Sinaga dan Aster Marbun yang saling mendukung satu dengan yang lain.

Tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun diharapkan untuk perbaikan selanjutnya.

Akhir kata, semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan menjadi suatu karya yang memberi dampak positif dalam penggunaannya.

(11)

ABSTRAK

Karbon aktif tempurung kelapa dapat digunakan sebagai bahan pembuatan elektroda untuk diaplikasikan pada pengolahan air khususnya pada pengurangan kesadahan. Salah satu metode pengolahan air yang menggunakan elektroda adalah sistem Membrane Capacitive Deionization (MCDI). Pembuatan elektroda membutuhkan pengikat sehingga dapat membentuk lembaran elektroda siap pakai. Pada penelitian ini dilakukan proses pembuatan elektroda karbon aktif menggunakan 25 g serbuk karbon aktif tempurung kelapa dan pengikat PVA dalam bentuk hidrogel dengan variasi volume 50 ml, 75 ml, 100 ml, 125 ml, dan 150 ml. Hidrogel PVA yang dibuat melalui proses beku leleh (freezing thawing) selama 4 siklus, dimana untuk 1 siklus memerlukan waktu 24 jam untuk proses beku dan 24 jam untuk proses leleh. Elektroda karbon diaplikasikan pada pengolahan air umpan dengan tingkat kesadahan 910 mg/l (CaCO3). Pengujian

elektroda karbon pada sistem MCDI dilakukan dengan variasi laju alir 60 ml/menit dan 120 ml/menit dan variasi pemberian tegangan listrik 0,8 V dan 1 V. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan pengikat PVA sebanyak 50 ml memiliki kapasitansi spesifik 0,401422 F/g dan merupakan elektroda karbon aktif dengan volume yang optimum dalam pengurangan tingkat kesadahan. Elektroda karbon aktif dengan pengikat PVA 50 ml bekerja optimum pada laju alir 60 ml/menit dengan pengurangan tingkat kesadahan 61,54%. Pada pemberian tegangan listrik 1 V, pengurangan tingkat kesadahan optimum 57,14%. Pengurangan tingkat kesadahan yang diperoleh memenuhi persyaratan kualitas air bersih menurut Peraturan Menteri Kesehatan R.I No:416/MENKES/PER/IX/1990.

Kata kunci: karbon aktif, tempurung kelapa, hidrogel PVA, kesadahan,

(12)

MANUFACTURING AND TESTING MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION USING ACTIVATED CARBON COCONUT SHELL

MATERIAL FOR HARDNESS PURIFIES

ABSTRACT

Coconut shell activated carbon can be used as materials for the electrodes to be applied in water treatment especially for the reduction of hardness. One method of water treatment using electrode is Membrane Capacitive Deionization (MCDI) system. Manufacture of electrodes requires a binder to be a electrode sheet. In this research, the process of making an activated carbon electrode using 25 g of coconut shell activated carbon powder and a PVA binder in the form of hydrogel with a variation of volume of 50 ml, 75 ml, 100 ml, 125 ml and 150 ml. PVA hydrogels are made with process freezing thawing for 4 cycles, where for one cycle takes 24 hours to freezing process and 24 hours for the thawing process. Carbon electrodes were applied for the processing of feed water with hardness levels of 910 mg/l (CaCO3). The testing of carbon electrodes in MCDI system was

done by varying the flow rate of 60 ml/min and 120 ml/min and a variation of the power supply voltage of 0.8 V and 1 V. The result showed that the coconut shell activated carbon electrodes with 50 ml of PVA binder has specific capacitance of 0.401422 F/g and it is an optimum volume for the reduction of hardness. Activated carbon electrode with 50 ml PVA binder work optimally at 60 ml/min flow rate with a hardness reduction reached 61.54%. At application electrical voltage 1 V, the reduction of hardness optimum reached 57.14%. Reduction of obtained hardness meet the requirements of water quality according to Regulation of Health Ministry of the Republic of The Indonesia No: 416/Menkes/Per/IX/1990.

(13)

DAFTAR ISI 2.1.5. Aplikasi Karbon Aktif Sebagai Elektroda 14

2.2. Polyvinyl Alcohol 14

2.2.1. Hidrogel PVA 15

2.2.2. Proses Beku Leleh 15

2.3. Capacitive Deionization 16

2.3.1. Material Elektroda CDI 18

2.3.2. Tegangan Listrik yang Diaplikasikan 19

2.3.3. Laju Alir Larutan 19

2.4.2. Klasifikasi Proses Berbasis Membran 22 2.5. Membrane Capacitive Deionization 23

2.6. Air 24

2.6.1. Pengertian Air 24

2.6.2. Air Bersih 24

2.6.3. Air Sadah 26

(14)

2.7.1. Scanning Electron Microscope 28

2.7.2. Cyclic Voltammetry 29

2.7.3. Electrochemical Impedance Spectroscopy 32

BAB 3 METODE PENELITIAN 36

3.3.1. Proses Pembuatan Elektroda Karbon 40 3.3.2. Proses Pengujian Sistem MCDI 42

3.4. Karakterisasi 43

3.4.1. Karakterisasi Elektroda Karbon 43

3.4.2. Pengujian Sistem MCDI 43

3.5. Diagram Alir Penelitian 44

3.5.1. Pembuatan Elektroda Karbon 44

3.5.2. Pengujian Sistem MCDI 45

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 46

4.1. Data dan Hasil Pengujian Sifat Elektrokimia Elektroda Karbon 46 4.1.1. Data dan Hasil Pengujian Menggunakan CV 46 4.1.2. Data dan Hasil Pengujian Menggunakan EIS 53 4.2. Data dan Hasil Pengujian Morfologi Permukaan Elektroda Karbon

dengan Menggunakan SEM 57

4.3. Data dan Hasil Pengujian Sistem MCDI 64

4.3.1. Variasi Laju Alir 64

4.3.2. Variasi Tegangan Listrik 67

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 70

5.1. Kesimpulan 70

5.2. Saran 71

DAFTAR PUSTAKA 72

(15)

DAFTAR TABEL

Nama Judul Halaman

2.1 Persyaratan karbon aktif Standar Nasional Indonesia

(SNI) 06-3730-1995 12

2.2 Persyaratan kualitas air bersih 25

2.3 Klasifikasi tingkat kesadahan 28

3.1 Komposisi bahan elektroda yang akan dibuat 41 4.1 Kapasitansi spesifik elektroda karbon aktif tempurung

kelapa dengan variasi volume pengikat PVA 52 4.2 Hasil pengujian sistem MCDI dengan variasi laju alir 65 4.3 Hasil pengujian sistem MCDI dengan variasi tegangan

listrik

(16)

DAFTAR GAMBAR

Gambar Judul Halaman

1.1 Prinsip kerja CDI dan MCDI 2

2.1 Jenis membran berdasarkan struktur dan prinsip

pemisahan 22

2.2 Diagram sel Voltametri 30

2.3 Voltammogram sinyal gelombang elektroda berupa

respon arus yang diukur sebagai fungsi potensial 31 2.4 Perbedaan fasa antara stimulus potensial dan respons

arus 32

2.5 Impedansi (Z) diplot sebagai vektor planar dalam

koordinat kartesius 33

3.1 Skema perangkat 1 (satu) sel MCDI 42

3.2 Diagram alir pembuatan elektroda karbon 41 3.3 Diagram alir sistem MCDI dengan variasi laju alir 44

3.4

Diagram alir sistem MCDI dengan variasi tegangan listrik

45

4.1 Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung

kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 50 ml 47 4.2 Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung

(17)

4.6 Hambatan pengisian elektroda karbon aktif sebagai

fungsi frekuensi 54

4.7 Kapasitansi elektroda karbon aktif sebagai fungsi

frekuensi yang diperoleh dari data impedansi 55

4.8

Kapasitansi elektroda karbon aktif sebagai fungsi frekuensi yang diperoleh dari data impedansi (perbesaran)

56

4.9

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan perbesaran 250x

58

4.10

58

4.11

59

4.12

60

4.13

60

4.14

61

4.15

62

4.16

63

4.17

(18)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Judul

1 Dokumentasi Penelitian

2 Spesifikasi Teknis Membran Penukar Kation CMI-7000S 3 Spesifikasi Teknis Membran Penukar Anion AMI-7001S 4 Kurva Voltamogram

5 Data frekuensi, impedansi, pergeseran sudut fasa dan waktu untuk elektroda dengan pengikat PVA 50 ml