BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Air merupakan unsur terpenting dalam kehidupan manusia, bahkan kebutuhan akan air bersih sudah menjadi hak asasi manusia seperti tercantum dalam Resolusi PBB 64/292 pada tanggal 28 Juli 2010 (The United Nations World Water Development Report, 2014). Untuk itu diperlukan berbagai usaha untuk
dapat memenuhi kebutuhan seluruh manusia akan air hingga di masa mendatang. Salah satunya dengan melakukan pengolahan air payau, air laut bahkan air limbah. Di samping itu, pemanfaatan energi pada proses pengolahan air tersebut diusahakan seminimal mungkin dan bahkan dengan energi yang terbarukan.
Banyak cara yang digunakan dalam pengolahan air, salah satunya adalah Capacitive Deionization (CDI) (Subramani et al. 2011). CDI terdiri dari dua
elektroda berpori yang dihubungkan dengan sumber potensial. Adapun keunggulan teknologi CDI (Oren, 2008) yakni :
1. Tidak memerlukan tekanan yang tinggi, seperti yang digunakan pada teknologi pengolahan air osmosis terbalik dan nanofiltrasi, sehingga menghemat biaya dari segi peralatan yang dibutuhkan.
2. Membutuhkan potensial rendah yang biasanya tidak melebihi beberapa volt, sehingga tidak berbahaya.
4. Pemulihan energi lebih sederhana, yakni dengan memanfaatkan energi listrik yang dihasilkan oleh unit regenerasi.
Pengembangan lanjutan proses CDI adalah Membrane Capacitive Deionization (MCDI), dimana cara kerjanya sama dengan CDI. Hanya saja di depan elektroda ditambahkan membran pertukaran ion seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1 dengan tujuan agar ion yang dilepaskan dari satu elektroda selama pemulihan tidak diserap oleh elektroda lainnya dengan cepat. MCDI juga dapat beroperasi pada tegangan terbalik, sehingga meningkatkan efisiensi kinerja MCDI pada siklus selanjutnya.
Gambar 1.1 Prinsip kerja CDI dan MCDI (Li and Zou, 2011)
pembersihan dengan sabun (Park et al. 2007). Sedangkan bagi industri, kehadiran ion kalsium dan karbonat dapat menyebabkan masalah scaling dan kerusakan pada pipa boiler, peralatan listrik seperti mesin cuci (Gabrielli et al. 2006).
Beberapa metode dapat digunakan untuk mengurangi kesadahan air, seperti dengan pengasaman air, pengendapan kalsium karbonat dengan proses kimia, penggunaan resin penukar ion atau dengan teknik membran (osmosis terbalik, nanofiltrasi, dll). Namun, penggunaan bahan kimia ini dapat merugikan kesehatan manusia. Untuk mengatasinya, teknologi CDI dianggap lebih aman dan ramah lingkungan.
Penelitian tentang teknologi CDI yang diaplikasikan untuk mengurangi kesadahan telah dilakukan oleh Seo et al. (2010). Tingkat kesadahan air mencapai penurunan lebih dari 50% selama kurang dari 5 (lima) menit di awal proses pengolahan. Dalam proses ini, lembaran elektroda karbon aktif memberikan kontribusi yang lebih tinggi dibandingkan dengan elektroda komposit karbon aktif.
ordered mesoporous carbon (OMCs) > single walled carbon nanotubes
(SWCNTs) > double walled carbon nanotubes (DWCNTs) > activated carbons (ACs) (Zou, 2011). Modifikasi karbon berbasis dimensi nanometer dengan
menggunakan poliakrilonitril (PAN) dan poli (metil metakrilat) (PMMA) juga telah diteliti dan dapat digunakan pada CDI (Barakat et al. 2013). Namun, elektroda berbasis dimensi nanometer memiliki harga yang relatif mahal.
Elektroda karbon aktif dicampur dengan menggunakan pengikat (binder) berupa polimer. Polimer yang hidrofobik akan mengurangi penyerapan ion pada elektroda karena mengurangi tingkat kebasahan pada permukaan elektroda dan mengurangi kontak antara larutan yang akan diproses dengan elektroda. Untuk itu, digunakan polimer yang larut dalam air seperti polyvinylidene fluoride (PVDF) dan polivinil alkohol (PVA). Pembuatan elektroda menggunakan PVDF sebagai pengikat dengan perbandingan 9:1 memiliki kekuatan mekanik yang cukup, stabilitas elektrokimia yang baik, dan karakteristik kapasitif yang baik dalam penyerapan ion (Hou at el., 2012). Tetapi penggunaan PVDF dapat mengurangi kapasitansi elektroda karena luas karbon yang ditembus oleh PVDF menjadi hidrofobik. Akibatnya keterbasahan luas permukaan elektroda berkurang (Park dan Choi, 2010). PVA termasuk polimer hidrofilik. Polimer PVA memiliki beberapa kelebihan yaitu murah, tidak beracun dan stabil secara ikatan kimia (Rosi et al., 2012). Oleh sebab itu, polimer PVA dapat digunakan sebagai bahan pembuat hidrogel.
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. 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). Proses beku leleh yang terdiri dari 1 (satu) kali
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.
Di samping material elektroda, kinerja CDI juga dipengaruhi oleh beberapa faktor yang lain, seperti tegangan yang diaplikasikan, laju alir larutan, konsentrasi ion larutan, lama pengolahan air yang diionisasi, suhu larutan, jarak plat elektroda, serta jumlah pasangan elektroda (Huang, 2013).
Pembuatan elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan pengikat PVA diharapkan dapat diaplikasikan sebagai elektroda dalam pengolahan air sadah sehingga menjadi air bersih yang sesuai dengan Peraturan Menteri Kesehatan R.I No : 416/MENKES/PER/IX/1990 Tanggal : 3 September 1990 Lampiran II.
1.2. Perumusan Masalah
Dari latar belakang masalah yang telah diuraikan di atas, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah :
1. Berapakah komposisi optimum elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat?
2. Bagaimanakah morfologi dan sifat-sifat elektrokimia elektroda karbon aktif dari tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat? 3. Apakah air sadah yang diproses menggunakan sistem MCDI dengan
1.3. Batasan Masalah
Untuk membatasi ruang lingkup yang jelas berdasarkan uraian yang telah dikemukakan pada latar belakang di atas, maka penulis membatasi permasalahan sebagai berikut :
1. Karbon aktif tempurung kelapa yang digunakan adalah karbon yang sudah diaktivasi dengan kriteria : pemanasan 950 ºC, karbon aktif yang menguap sebanyak 24,9%, kadar air sebanyak 14%, kadar abu sebanyak 3%, dan kadar karbon murni sebesar 72,1%.
2. Kolektor arus yang digunakan adalah aluminium. 3. Ukuran elektroda yang dibuat 5,0 x 5,0 x 0,1 cm.
4. Membran pertukaran ion yang digunakan adalah AMI-7001S untuk anion dan CMI-7000S untuk kation.
5. Perangkat sistem MCDI pada penelitian ini hanya terdiri dari 1 (satu) sel. 6. Air sadah yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari larutan
umpan yang terdiri dari 576 mg/l CaCl2, 440 mg/l MgSO4.H2O dan 780 mg/l NaHCO3 yang dilarutkan dengan aquades.
7. Larutan umpan yang digunakan dalam penelitian ini memiliki tingkat kesadahan dengan kategori tinggi yakni sebesar 910 mg/l (sebagai CaCO3).
1.4. Tujuan Penelitian
1. Untuk menentukan komposisi optimum elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat.
2. Untuk mempelajari morfologi dan sifat-sifat elektrokimia elektroda karbon aktif dari tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat.
3. Untuk mengetahui hasil akhir air sadah yang diproses menggunakan sistem MCDI dengan menggunakan elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan pengikat PVA sehingga memenuhi persyaratan kualitas air bersih berdasarkan Peraturan Menteri Kesehatan R.I No : 416/MENKES/PER/IX/1990 Tanggal : 3 September 1990 Lampiran II
1.5. Manfaat Penelitian
1. Memberikan informasi tentang komposisi optimum elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat.
2. Memberikan informasi tentang morfologi dan sifat-sifat elektrokimia elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan menggunakan PVA sebagai pengikat.
3. Memberikan informasi tentang pengaruh elektroda karbon aktif tempurung kelapa dengan menggunakan pengikat PVA terhadap penyerapan ion Ca2+ dan Mg2+.
