BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Karbon Aktif
Karbon aktif merupakan zat padat amorf yang mempunyai luas permukaan internal dan volume pori yang sangat besar (Kirk, 1992). Karbon aktif merupakan adsorben yang sangat baik yang dapat menyerap gas atau zat lain dalam larutan dan udara karena mempunyai permukaan yang luas dan berongga dengan struktur yang berlapis.
2.1.1. Jenis-jenis Karbon Aktif
Berdasarkan penggunaannya, terdapat 2 (dua) jenis karbon aktif yakni karbon aktif untuk fasa cair dan karbon aktif fasa gas.
2.1.1.1. Karbon aktif untuk fasa cair.
Karbon aktif fasa cair pada umumnnya berbentuk serbuk yang sangat halus. Biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis rendah seperti kayu, serbuk gergaji dan bahan yang mengandung lignin. Karbon aktif jenis ini banyak digunakan untuk menghilangkan bau, rasa, warna dan kontaminan organik lainnya.
2.1.1.2. Karbon aktif untuk fasa gas.
besar seperti tempurung kelapa, tulang atau batu bara. Karbon aktif jenis ini digunakan untuk memperoleh kembali pelarut, pemisahan dan pemurnian gas.
2.1.2. Proses Pembuatan Karbon Aktif
Proses pembuatan karbon aktif secara garis besar ada 3 (tiga) tahapan, yakni tahap dehidrasi, tahap karbonisasi dan tahap aktivasi.
2.1.2.1 Proses Dehidrasi
Tahapan ini bertujuan untuk menghilangkan kandungan air di dalam bahan baku. Proses dehidrasi dilakukan dengan menjemur bahan baku di bawah sinar matahari atau melalui pemanasan dengan menggunakan oven sampai diperoleh bobot konstan.
2.1.2.2 Proses Karbonisasi
Proses karbonisasi dipengaruhi oleh beberapa faktor, yakni kadar air, ketebalan bahan baku, kekerasan bahan baku, udara di sekeliling dapur pembakaran, dan waktu pemanasan. Selama berlangsungnya karbonisasi, atom-atom karbon mengelompok secara bebas dalam formasi kristalografis yang disebut sebagai kristal grafit.
2.1.2.3 Proses Aktifasi
Tahapan ini bertujuan untuk menghilangkan zat-zat yang menutupi pori-pori permukaan arang. Proses aktifasi karbon dibagi menjadi 2 (dua) jenis, yakni secara fisika dan secara kimia.
1. Aktifasi secara fisika
Pada proses ini, karbon dipanaskan pada suhu sekitar 800-1000 ºC lalu dialirkan gas pengoksidasi seperti uap air, oksigen, atau CO2. Karbon akan bereaksi dengan gas pengoksidasi. Bila menggunakan uap air sebagai gas pengoksidasi maka akan melepaskan karbon monoksida dan hidrogen. Di samping itu, senyawa-senyawa produk samping pun akan terlepas pada proses ini sehingga pori yang terbentuk semakin luas dan meningkatkan daya adsorpsi.
2. Aktifasi secara kimia
akan mengoksidasi karbon dan merusak bagian dalam karbon sehingga akan terbentuk pori dan daya adsoprsi meningkat.
Bila dibandingkan dengan aktifasi fisika, suhu aktifasi pada aktifasi kimia lebih rendah. Selain itu, aktifasi secara kimia akan membentuk struktur pori yang lebih baik dan luas permukaan yang tinggi.
2.1.3. Kualitas Karbon Aktif
Kualitas karbon aktif dipengaruhi oleh jenis bahan baku, teknologi pengolahan, proses pengolahan, dan tujuan penggunaannya. Badan Standarisasi Nasional telah memberikan penilaian kualitas karbon aktif berdasarkan persyaratan Standar Nasional Indonesia (SNI) 06-3730-1995 seperti terlihat pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Persyaratan karbon aktif Standar Nasional Indonesia (SNI) 06-3730-1995
Uraian Prasyarat Kualitas
Butiran Serbuk Bagian yang hilang pada pemanasan 950ºC Maks. 15% Maks. 25%
Kadar air Maks. 4,5% Maks. 15%
Kadar abu Maks. 2,5% Maks. 10%
Bagian tidak mengarang 0 0
Daya serap terhadap I2 Min. 750 mg/g Min. 750 mg/g
Karbon aktif murni Min. 80% Min. 65%
Daya serap terhadap benzena Min. 25%
-Daya serap terhadap biru metilen Min. 60 mg/g Min. 120 mg/g Berat jenis curah (0,45-0,55) g/ml (0,3-0,35) g/ml
Lolos mesh 325 - Min. 90%
Jarak mesh 90% -
Kekerasan 80% -
2.1.4. Karbon Aktif Tempurung Kelapa
Bahan karbon aktif terbaik yang biasa digunakan adalah tempurung kelapa. Di samping memiliki kandungan karbon yang sangat banyak, tempurung kelapa mudah diperoleh secara komersial.
Penelitian yang dilakukan oleh Nurdiansah dan Susanti (2013) menyimpulkan bahwa tempurung kelapa memiliki nilai kapasitas dan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan tempurung kluwak. Kurniawan et al. (2014) juga melakukan penelitian yang menghasilkan bahwa luas
permukaan karbon aktif dari bahan tempurung kelapa lebih baik dibandingkan dengan karbon aktif dari tandan kosong kelapa sawit.
Ada banyak manfaat penggunaan karbon aktif tempurung kelapa yang pernah dilakukan, antara lain :
1. Untuk peningkatan kualitas air tambak (Hartati et al., 2005).
2. Adsorbsi gas karbon monoksida (CO) dalam ruangan (Nurulita dan Mifbakhuddin, 2015).
3. Sebagai adsorben untuk mengurangi kadar fenol dalam air limbah (Pambayun, 2013).
4. Untuk menurunkan kesadahan (Wahyudi, 2013).
2.1.5. Aplikasi Karbon Aktif Sebagai Elektroda
Elektroda merupakan suatu material yang berfungsi sebagai perantara dalam menghantarkan arus listrik. Elektroda yang baik memiliki sifat konduktif, resistivitas rendah, porositasnya tinggi, daya serap tinggi, kestabilan yang tinggi, serta biaya produksinya rendah.
Untuk dapat digunakan sebagai elektroda, karbon aktif memerlukan pengikat sehingga dapat membentuk lembaran yang bisa diaplikasikan pada berbagai keperluan seperti pada proses pengolahan air dengan sistem CDI. Pengikat yang digunakan dapat berupa polimer. Salah satu polimer yang digunakan sebagai pengikat adalah PVA.
2.2. Polyvinyl Alcohol
PVA termasuk polimer hidrofilik dengan rumus molekul (-C2H4O-)n, berbentuk bubuk halus, berwarna putih kekuningan, tidak berbau dan memiliki densitas 1,3 g/cm3 (pada 20ºC) dengan kisaran pH 3,5-7,0 (jika dilarutkan dengan konsentrasi 40 g/l pada 20ºC). Beberapa kelebihan polimer PVA yaitu murah, tidak beracun dan stabil secara ikatan kimia (Rosi et al., 2012).
Mutu PVA komersial memiliki derajat hidrolisis yang tinggi yakni di atas 98,5%. Derajat hidrolisis mempengaruhi kelarutan PVA dalam air. Semakin tinggi derajat hidrolisis maka kelarutan dalam air semakin rendah (Hassan dan Peppas, 2000). PVA dengan derajat hidrolisis 98,5% atau lebih dapat dilarutkan dengan air pada suhu 70ºC.
2.2.1. Hidrogel PVA
Hidrogel merupakan bentuk jaring polimer tiga dimensi yang terdiri dari polimer yang berikatan silang dengan senyawa pengikatnya dan mengandung pelarut air yang terjebak di dalamnya. Polimer PVA dapat digunakan sebagai bahan pembuatan hidrogel.
Hidrogel PVA memiliki sifat mekanik yang rendah (rapuh) sehingga untuk memperluas pemakaiannya diperlukan modifikasi. Contoh modifikasi hidrogel PVA dengan proses fisika adalah beku leleh ( freezing thawing) (Erizal, 2012).
2.2.2. Proses Beku Leleh
metode beku leleh yang pertama kali dilakukan oleh Peppas pada tahun 1975, dimana larutan dengan komposisi PVA di antara 2,5 dan 15wt% dibekukan pada suhu -20ºC dan dilelehkan pada suhu ruang. Hidrogel yang dihasilkan dipengaruhi oleh konsentrasi PVA dalam larutan, waktu pembekuan dan waktu pelelehan.
Proses beku leleh yang terdiri dari 1 (satu) kali pembekuan dan 1 (satu) kali pelelehan disebut 1 (satu) siklus. Kekuatan mekanik hidrogel PVA dengan metode beku leleh bergantung pada beberapa faktor, yakni berat molekul, konsentrasi larutan, suhu, dan waktu pembekuan serta jumlah siklus beku leleh. Fatimah dan Endarko (2013) telah berhasil membuat elektroda untuk sistem CDI menggunakan metode beku leleh dengan komposisi karbon aktif, grafit dan PVA yang menghasilkan kapasitansi terbesar dan porositas elektroda tertinggi yakni 18:6:1.
2.3. Capacitive Deionization
elektroda. Hal ini juga menyebabkan teknologi CDI dianggap proses ramah lingkungan.
Ketika potensial listrik diberikan pada elektroda, ion akan diserap dan disimpan sementara dalam elektroda. Elektroda akan mengalami batas jenuh sehingga perlu diregenerasi dengan mengurangi potensial listrik. Setelah ion dilepaskan dari elektroda, air limbah yang mengandung konsentrasi ion dapat digunakan kembali untuk mengurangi ion yang terkandung di dalamnya.
Kapasitansi sistem CDI dapat dievaluasi dengan Cyclic Voltammetry. Tanpa kontribusi Faradaik, besar kapasitansi elektroda dapat ditentukan menggunakan persamaan (2.1) (Tipler, 2001)
� =��
�
(2.1)
Keterangan: C = kapasitansi (F) I = kuat arus listrik (A) t = waktu (s)
V = potensial (V)
Dari voltammogram dan laju sapuan, diperoleh:
�= ∫���� =� ∫���� = �� (2.2)
Keterangan : �= muatan (coulomb)
�= perbedaan potensial (Volt) �= waktu (sekon)
Besarnya kapasitansi spesifik elektroda diperoleh dengan persamaan (2.3) berikut.
�� = �� (2.3)
Keterangan : Cs = kapasitansi spesifik (F/g)
C = kapasitansi (F)
m = massa elektroda (g)
Kinerja CDI dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti material elektroda, tegangan listrik yang diaplikasikan, laju alir larutan, konsentrasi ion larutan, lama pengolahan air yang diionisasi, suhu larutan, jarak plat elektroda, serta jumlah pasangan elektroda (Huang, 2013).
2.3.1. Material Elektroda CDI
2.3.2. Tegangan Listrik Yang Diaplikasikan
Pada pengoperasian CDI, pemberian tegangan listrik yang tinggi pada elektroda dapat menyebabkan adsorbsi ion meningkat. Namun, tegangan listrik yang tinggi juga dapat mengakibatkan elektrolisis pada larutan. Jika tegangan listrik yang diaplikasikan lebih dari 1,2 V, maka air akan terurai menjadi ion hidrogen dan ion hidroksida, mengubah pH larutan dan elektroda karbon akan teroksidasi. Jadi, rentang tegangan listrik yang dianjurkan adalah 0,8-1,2 V. Perlu juga diingat bahwa pengaplikasian tegangan listrik yang tinggi akan menambah konsumsi energi.
2.3.3. Laju Alir Larutan
Peningkatan laju alir dapat menyebabkan penurunan resistansi larutan sehingga kerapatan arus bertambah dan pelepasan ion akan meningkat. Namun, peningkatan laju alir juga menyebabkan ion tidak mempunyai waktu kontak terhadap elektroda sehingga ion tidak terserap oleh elektroda.
2.3.4. Konsentrasi Ion Di Dalam Larutan Umpan
2.3.5. Lama Pengolahan Larutan Umpan
Adsorbsi ion dari larutan umpan pada elektroda akan berlangsung cepat pada awal proses pengolahan. Namun, seiring dengan bertambahnya waktu, proses adsorbsi akan semakin melambat hingga tercapai kesetimbangan dinamik diakibatkan oleh elektroda yang mengalami tingkat kejenuhan.
2.3.6. Suhu
Penambahan suhu dapat mengakibatkan penurunan adsorbsi oleh elektroda karena ion pada elektroda bisa terlepas ke larutan umpan.
2.3.7. Jarak Plat Elektroda
Jarak plat elektroda yang semakin kecil menyebabkan adsorbsi ion semakin besar dan butuh waktu yang singkat dalam pengolahan larutan umpan.
2.3.8. Jumlah Sel Elektroda
Penambahan sel elektroda mengakibatkan peningkatan adsorbsi ion dari larutan umpan.
2.4. Membran
Proses pemisahan pada membran disebabkan oleh gaya dorong yang berkaitan dengan beberapa parameter antara dua media yang dipisahkan seperti perbedaan potensial listrik (∆E), perbedaan tekanan (∆P), perbedaan konsentrasi
(∆C) dan perbedaan suhu (∆T).
Hasil pemisahan berupa konsentrat (bagian dari campuran yang tidak melewati membran) dan permeat (bagian dari campuran yang melewati membran).
2.4.1. Klasifikasi Membran
Berdasarkan struktur dan prinsip pemisahan, terdapat 3 (tiga) klasifikasi membran, yakni:
a. Membran berpori, yaitu membran dengan prinsip pemisahan didasarkan pada perbedaan ukuran partikel dengan ukuran pori membran. Ukuran pori menentukan selektifitas pemisahan dan ukuran partikel yang akan dipisahkan. Menurut aturan International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ada 3 (tiga) ukuran pori, yaitu:
1. makropori > 50 nm
2. mesopori antara 2 – 50 nm
3. mikropori < 2 nm (Roque-Malherbe, 2010)
c. Membran cair, yaitu membran yang pemisahannya ditentukan oleh sifat molekul pembawa yang sangat spesifik. Media pembawa merupakan cairan yang terdapat dalam pori-pori membran berpori. Secara skematik jenis
membran tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.1 berikut.
Gambar 2.1 Jenis membran berdasarkan struktur dan prinsip pemisahan
2.4.2. Klasifikasi Proses Berbasis Membran
Berdasarkan gaya dorong, terdapat 4 (empat) klasifikasi proses berbasis membran (Wenten, 2016) yakni:
a. Proses berbasis membran dengan gaya dorong tekanan, contohnya: mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), dan osmosis balik (RO).
b. Proses berbasis membran dengan gaya dorong perbedaan konsentrasi, contohnya: pemisahan gas (separation gas/GS), pervaporasi (PV), membran cair dan dialisis.
c. Proses berbasis membran dengan gaya dorong perbedaan suhu, contohnya: membrane distilation (MD) dan termo-osmosis.
Wenten et al. (2010) menyebutkan bahwa pada pemanfaatan membran penukar ion dapat dilakukan dengan 2 (dua) gaya yakni gradien konsentrasi dan gradien potensial elektrik. Perpindahan massa yang terjadi dapat dibedakan menjadi 3 (tiga) mode, yakni:
1. Difusi; dimana pergerakan komponen molekular karena gradien lokal dalam potensial kimia.
2. Migrasi; dimana pergerakan ion karena gradien potensial listrik.
3. Konveksi; dimana pergerakan massa karena gaya seperti gradien tekanan hidrostatik
Untuk karakterisasi membran penukar ion, dilakukan dengan melihat 2 (dua) hal yaitu: tahanan listrik membran dan potensial membran.
2.5. Membrane Capacitive Deionization
Membrane Capacitive Deionization (MCDI) adalah teknologi pengolahan
Efisiensi muatan didefinisikan sebagai perbandingan antara muatan ion yang diserap dari larutan dengan muatan listrik yang diberikan, sedangkan efisiensi muatan pada CDI bergantung pada konsentrasi permeat yang terbentuk dan nilai potensial (Dlugoleckhi and Wal, 2013).
2.6. Air
2.6.1. Pengertian Air
Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, pengertian air adalah:
1. Cairan jernih tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau yang terdapat dan diperlukan dalam kehidupan manusia, hewan dan tumbuhan yang secara kimiawi mengandung hidrogen dan oksigen.
2. Benda cair yang biasa terdapat di sumur, sungai, danau yng mendidih pada suhu 100 ºC.
2.6.2. Air Bersih
Pada Peraturan Menteri Kesehatan No. 416 Tahun 1990 tentang syarat-syarat dan pengawasan kualitas air, disebutkan bahwa air bersih adalah air yang digunakan untuk keperluan sehari-hari yang kualitasnya memenuhi syarat kesehatan dan dapat diminum apabila telah dimasak.
Tabel 2.2 Persyaratan kualitas air bersih 2 Jumlah zat padat terlarut
(TDS)
4 Chloroform (total
epoxide
12 Hezachlorobenzene mg/l 0,00001 13 Gamma-HCH (Lindane) mg/l 0,004
14 Methoxychlor mg/l 0,10
15 Pentachloropenol mg/l 0,01
16 Pestisida total mg/l 0,10
17 2,4,6-trichorophenol mg/l 0,01
18 Zat organik (KmnO4) mg/l 10 2 Koliform tinja belum
diperiksa
1 Aktivitas Alpha (Gross Alpha activity)
Bg/l 0,1
2 Aktivitas Beta (Gross Beta activity)
Bg/l 1,0
2.6.3. Air Sadah
mengakibatkan penurunan kinerja industri yang pada akhirnya dapat menimbulkan kerugian. Oleh karena itu persyaratan kesadahan pada air industri sangat diperhatikan. Pada umumnya jumlah kesadahan air yang digunakan dalam industri harus nol, yang berarti bahwa unsur Ca dan Mg dihilangkan sama sekali.
Kesadahan dibagi menjadi 2 (dua) jenis, yakni :
1. Kesadahan sementara adalah air yang mengandung ion bikarbonat, seperti kalsium karbonat (Ca(HCO3)2) dan magnesium karbonat (Mg(HCO3)2). Kesadahan sementara dapat dihilangkan dengan cara pemanasan sehingga terbentuk endapan CaCO3 atau MgCO3.
Tingkat kesadahan di setiap perairan berbeda-beda seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3. Pada umumnya perairan yang berada di wilayah yang memiliki lapisan tanah pucuk (top soil) tebal dan batuan berkapur memiliki nilai kesadahan yang tinggi. Perairan yang berada di wilayah dengan lapisan tanah atas yang tipis dan batuan kapur relatif sedikit atau bahkan tidak ada memiliki nilai kesadahan yang rendah.
Tabel 2.3 Klasifikasi tingkat kesadahan
(Peavy et al. 1985, dalam Effendi 2003) CaCO3 (mg/l) Tingkat kesadahan
0 – 75 Lunak (soft)
75 – 150 Sedang (moderately hard) 150 – 300 Tinggi (hard)
> 300 Tinggi sekali (very hard)
2.7. Karakterisasi Elektroda
2.7.1. Scanning Electron Microscope
Scanning Electron Microscope (SEM) merupakan teknik yang digunakan
untuk melihat morfologi permukaan elektroda, mencakup bentuk dan ukurannya.
Permukaan yang akan diuji dipindai dengan pancaran berkas elektron lalu
pantulan elektron ditangkap dan ditampilkan di atas tabung sinar katoda.
Bayangan yang tampak di atas layer menunjukkan gambaran permukaan
spesimen.
Sampel elektroda yang akan dikarakterisasi dilapisi emas dengan
menggunakan metode sputtering. SEM dioperasikan pada tegangan 20 kV dengan
2.7.2. Cylic Voltammetry
Cyclic voltammetry (CV) adalah suatu teknik analisis kualitatif dan
kuantitatif dalam mengkarakterisasi reaksi yang terjadi di dalam sel elektrokimia. Teknik CV dapat memberikan informasi dengan cepat, dimana respon arus diukur sebagai fungsi potensial (voltase), dengan pemberian potensial yang dilakukan secara bolak-balik, sehingga informasi reduksi dan oksidasi dapat teramati dengan baik. Karakteristik CV tergantung beberapa faktor yaitu laju reaksi transfer elektron, kereaktifan spesi elektroaktif, dan scan rate voltase. Spesi yang semula dioksidasi pada sapuan potensial awal (forward scan) akan direduksi setelah sapuan potensial balik (reverse scan).
Sel voltametri terdiri dari tiga elektroda yaitu elektroda kerja, elektroda pembantu dan elektroda pembanding, dimana ketiganya tercelup di dalam sel voltametri seperti terlihat pada Gambar 2.2 berikut.
Gambar 2.2 Diagram sel voltametri; W: elektroda kerja; R: elektroda pembanding; A: elektroda pembantu
Elektroda pembantu dikendalikan oleh potensiostat untuk kesetimbangan arus difusi pada elektroda kerja dengan transfer elektron ke arah sebaliknya. Jika terjadi reduksi pada elektroda kerja maka oksidasi terjadi pada elektroda pembantu. Elektroda pembantu yang digunakan harus bersifat inert seperti kawat platina atau batang karbon yang berfungsi sebagai pembawa arus.
Teknik CV digunakan untuk memperoleh informasi kualitatif tentang reaksi elektrokimia dengan metode pengukuran elektrokimia potensiodinamik. Bentuk gelombang potensial yang digunakan pada analisis elektrokimia merupakan bentuk gelombang linear, yaitu potensial yang secara kontinyu diubah sebagi fungsi linear terhadap waktu. Hasil pengukuran CV dapat digunakan untuk menentukan sifat termodinamika proses redoks, sifat kinetik reaksi transfer elektron dan reaksi adsorpsi.
elektroda pembanding perak/perak klorida pada rentang potensial ±0,5 V dan laju sapuan 5 mV/s. Elektroda pembantu yang digunakan adalah platina. Pengontrol potensial yang diterapkan pada dua elektroda dapat dianggap sebagai sinyal eksitasi. Sinyal eksitasi untuk CV adalah penyapuan potensial linear dengan gelombang segitiga.
Teknik pengukuran menggunakan CV dilakukan dengan cara mempolarisasikan elektroda kerja. Metode ini termasuk metode aktif karena pengukurannya berdasarkan potensial yang terkontrol. Pengukuran dilakukan dengan memberikan suatu potensial ke dalam sel elektrokimia, kemudian respon arus yang dihasilkan diukur. Respon arus diukur pada daerah potensial yang telah ditentukan. Kemudian dibuat plot arus fungsi potensial yang disebut voltamogram cyclic. Scan tegangan dengan metode voltamogram cyclic akan menghasilakn
respon arus yang spesifik. Jika respon arus fungsi scan potensial ini digambarkan, maka akan berbentuk kurva voltamogram seperti pada Gambar 2.3 berikut.
Keterangan:
Epa = Potensial saat
terbentuknya peak anodic Epc = Potensial pada saat
terbentuknya peak cathodic Ipa = Arus pada saat terbentuknya
peak anodic
Ipc = Arus pada saat terbentuknya peak cathodic
2.7.3. Electrochemical Impedance Spectroscopy
Hambatan listrik adalah kemampuan sirkuit menahan arus listrik. Hukum Ohm mendefinisikan hambatan sebagai perbandingan antara beda potensial dengan arus listrik. Hukum ini hanya berlaku untuk hambatan ideal, yang memenuhi :
1. Sesuai dengan hukum Ohm untuk berbagai potensial dan arus. 2. Nilai hambatan tidak bergantung pada frekuensi.
3. Sinyal arus dan potensial AC yang melewati hambatan sefasa.
Namun dalam sistem elekrokimia nyata, hambatan yang berlaku tidaklah ideal, nilainya bergantung pada frekuensi. Oleh sebab itu, diperkenalkan konsep impedansi (Z). Selain informasi nilai hambatan, pada impedansi juga terdapat informasi perbedaan fasa, yakni perbedaan fasa antara potensial stimulus dengan arus responnya seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4.
E,I
Gambar 2.4 Perbedaan fasa antara stimulus potensial dan respons arus
Sebuah vektor planar dapat direpresentasikan sebagai vektor penjumlahan di sepanjang sumbu oleh bilangan kompleks seperti pada persamaan (2.4) berikut.
Bilangan imajiner j ≅√−1≅ exp (jπ/2) mengindikasikan perputaran sebanyak π/2 derajat berlawanan arah jarum jam dari sumbu-x positif. Bagian riilnya berada di sepanjang sumbu-x dan bagian imajinernya berada di sepanjang sumbu-y. Impedansi merupakan vektor planar yang dapat diplot sebagai koordinat kartesius ataupun koordinat polar seperti yang terlihat pada Gambar 2.5. Secara matematis dapat dituliskan :
Z = Z’ + jZ” (2.5)
Komponen x dan y dari impedansi tersebut adalah :
Zriil = Z’ = |Z| cos (θ) (2.6) Zim = Z” = |Z| sin (θ) (2.7) Dengan sudut fasa : θ = tan-1 (Z” / Z’) (2.8) Dan modulus : |�| = �(�′)2+ (�")2 (2.9) Keterangan : Z = impedansi (Ω)
Z’ = impedansi riil (Ω) Z” = impedansi imajiner (Ω)
Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) adalah suatu teknik
analisis yang digunakan untuk mempelajari sifat elektrik dari sistem elektroda-elektrolit yang dinamis. Prinsip pengukuran EIS adalah dengan menggunakan stimulus elektrik (potensial atau arus listrik) pada sistem dan mengukur responsnya (kuat arus, potensial atau sinyal lainnya). Ketika sel diberi stimulus maka serangkaian proses mikroskopik terjadi yang meliputi transfer elektron sepanjang jalur konduksi, antara anatarmuka elektrolit-elektroda, ataupun antar atom bermuatan dengan lingkungan sekitarnya (reduksi atau oksidasi). Laju elektron (arus listrik) bergantung pada hambatan elektroda, hambatan elektrolit dan reaksi antarmuka elektroda-elektrolit.
Sinyal stimulus yang diberikan mempunyai bentuk fungsi terhadap waktu: �(�) = �0cos(��) (2.10) E(t) adalah potensial saat waktu t, E0 adalah amplitudo sinyal dan ω adalah frekuensi radial.
Sinyal respons It, mempunyai pergeseran fasa ϕ dan amplitudo I0.
�(�) = I0cos(�� − �) (2.11)
Analogi terhadap Hukum Ohm, maka impedansi sistem adalah: �= ��
Nilai impedansi riil menentukan hambatan pengisian elektroda. Hambatan di setiap frekuensi diperoleh dari pengurangan impedansi riil terhadap hambatan pada frekuensi tinggi (Park, 2011; Pröbstle, 2003).
Sedangkan impedansi imajiner memberikan kontribusi dalam menentukan nilai kapasitansi elektroda, yakni (Pröbstle, 2003):
Keterangan: C = kapasitansi (F)
ω = frekuensi (Hz)
Z” = impedansi imajiner (Ω)
Untuk tipe elektroda berpori dijelaskan bahwa pada frekeuensi rendah, nilai kapasitansi akan bertambah dengan berkurangnya frekuensi (Conway, 1999).
Pengukuran menggunakan EIS dilakukan pada potensial 0,0 V dengan rentang frekuensi 100-0,002 Hz, untuk mendapatkan nilai kapasitan spesifik dan nilai resistansi elektroda.
Sifat intrinsik yang berhubungan dengan konduktivitas sel elektrokimia yang dapat dipelajari dengan EIS dikategorikan menjadi 2 (dua) jenis.
1. Sifat yang berhubungan dengan bahan itu sendiri seperti konduktivitas, konstanta dielektrik, dan mobilitas muatan.
