ANALISA CYCLIC VOLTAMMETRY GUNA RECOVERY TEMBAGA PADA LIMBAH ELEKTRONIK PRINTED CIRCUIT BOARDS (PCB) MENGGUNAKAN RELINE
Ebeng Sugondo1)
1)Teknik Pengolahan Minyak dan Gas, STT Migas Cilacap E-mail: ebeng.sugondo91@gmail
Andy Wijaya2), Aan Subekti Proklamanto3), Fedika Gita Reziana4), Fatiha Nur Etnanta5)
2)Teknik Perminyakan, STT Migas Cilacap
3, 4, 5)
Teknik Pengolahan Minyak dan Gas, STT Migas Cilacap
Abstrak
Analisa cyclic voltammetry guna recovery tembaga pada limbah elektronik printed circuit boards (PCB) menggunakan Reline (ChCl:Thiourea) telah berhasil dilakukan. Penggunaan larutan Reline (ChCl:Thiourea) termasuk kedalam solvent deep eutectic solvent (DES) sebagai suatu alternatif untuk penggunaan solvent yang murah, efisien dan aman terhadap lingkungan. Solvent tersebut terbentuk dari ikatan donor (HBD) dan aceptor (HBA) dengan perbandingan 1 mol : 2 mol terhadap air yang akan menghasilkan berupa campuran eutektik. Hasil XRF (X-ray fluorescence spectrometry) pada printed circuit board (PCB) setelah comminution mendapatkan unsur tertinggi yaitu tembaga sebesar 17,91%, dan menjadi objek untuk pengamatan penelitian. Semua percobaan pada pengujian cyclic voltammetry menghasilkan voltammogram dengan tipe irreversible. Penambahan air lebih dari 50 % pada deep eutektik solvent (DES) mempengaruhi puncak dari oksidasi dan reduksi serta secara teori, efisiensi arus sebesar 99.83 % dan hasil optimum pengujian terjadi pada temperatur 60 oC untuk pengujian larutan deep eutektik solvent (DES) tipe Reline (ChCl:Thiourea) dengan potensial Ep = 4.2975 volt dan Ep/2 =4.2971 volt. Hasil analisa SEM-EDX pada plat platina (Pt) dari deep eutectic solvent (DES) ChCl:thiourea (Reline) mampu untuk mendeposisi secara spontan pada mineral tembaga ke permukaan plat platina (Pt).
Kata Kunci: Reline, Cyclic Voltammetry,Solvent.
Abstract
Cyclic voltammetry analysis for copper recovery on printed circuit boards (PCB) electronic waste using Reline (ChCl: Thiourea) has been successfully carried out. The use of Reline solution (ChCl: Thiourea) is included in the deep eutectic solvent (DES) as an alternative for the use of solvents that are cheap, efficient, and safe for the environment. The solvent is formed from a donor (HBD) and acceptor (HBA) bonds with a ratio of 1 mol: 2 mol to water which will produce a eutectic mixture. The results of XRF (X- ray fluorescence spectrometry) on the printed circuit board (PCB) after comminution obtained the highest element, namely copper at 17.91%, and became the object of research observation. All experiments on the cyclic voltammetry test produced irreversible type voltammograms. The addition of more than 50% water in the deep eutectic solvent (DES) affects the peaks of oxidation and reduction, and in theory, the current efficiency is 99.83% and the optimum test results occur at a temperature of 60 oC for testing the Reline type deep eutectic solvent (DES) solution (ChCl: Thiourea) with a potential of Ep = 4.2975 volts and Ep/2
= 4.2971 volts. SEM-EDX analysis results on a platinum plate (Pt) from deep eutectic solvent (DES) ChCl:
Thiourea (Reline) capable of spontaneously depositing copper minerals onto the surface of the platinum plate (Pt).
Keywords: Reline, Cyclic Voltammetry, Solvent.
PENDAHULUAN
Di era digitalisasi sekarang ini suatu teknologi sangatlah berkembang pesat dan peningkatan dari daya beli konsumen juga sangat mempengaruhi dari peningkatan jumlah penggunaan produk-produk elektronik tersebut. Peningkatan konsumsi dari barang elektronik tersebut membawa konsekuensi terhadap lingkungan, baik dari proses bahan baku pembuatan elektronik maupun limbah yang dihasilkan setelah penggunaan produk tersebut. Limbah elektronik tersebut, sering disebut sebagai e-waste dari Limbah Elektronik dan Elektrik Equipment atau WEEE.
Pada 2019, 53,6 Mt (Juta metrik ton) limbah elektronik dihasilkan secara global, sama dengan 7,3 kg/kapita, dan hanya 17% diantaranya dikelola secara ramah lingkungan (Forti dkk., 2020:9). Sebagian besar WEEE salah kelola dan
membuat kerugian material yang cukup besar dari komoditas berharga tersebut seperti baja, aluminium, tembaga, dan logam tanah jarang (Dmitry dkk., 2022:1). Menurut majalah The Global E-waste monitor 2020:13 bahwa tahun 2019 limbah yang di hasilkan WEEE sudah mencapai 53,6 Juta ton dan diprediksi akan menghasilkan 74,7 juta ton pada tahun 2030. WEEE mengandung berbagai zat berbahaya dan logam berat, yaitu reaksi halogenasi, kadmium, timbal, dan logam lain yang dapat mencemarkan lingkungan disekitarnya dan harus dikelola dengan sangat baik serta lebih di utamakan jika dapat didaur ulang (Kaya, 2016:1). Variasi logam yang ada pada limbah dari WEEE, khususnya tembaga, dan logam mulia lainnya dalam jumlah lebih tinggi dari pada ore, membuat limbah ini sangat menarik dari sudut pandang untuk di daur ulang dan menjadikannya sumber daya logam sekunder yang signifikan untuk dihasilkan (Pinho dkk, 2018:2).
Namun demikian, daur ulang limbah dari WEEE masih terbatas karena heterogenitas dan kompleksitas komponennya (Awasthi, A.K dkk, 2017: 1). Salah satu dari limbah elektronik tersebut adalah PCB atau sering dikenal dengan Printed circuit board yang banyak digunakan pada perangkat komputer. PCB terdiri dari komponen logam (40%), polimer (30%) dan keramik (30%) (Huang dkk, 2009:2).
Teknik daur ulang untuk WEEE ini meliputi pemrosesan secara mekanik, termal dan kimia, atau kombinasi dari proses-proses tersebut (Birloaga, I dkk 2014:1). Salah satunya adalah dengan mengelola PCB secara konvensional yaitu dengan cara dipanaskan (termal) menggunakan plat pemanas yang di aliri arus listrik, atau juga dapat di bakar dengan tanpa api, kemudian gas yang terkumpul dapat di cairkan dan residu hasil pembakaran yang banyak mengandung mineral-mineral akan diambil dan diproses lebih lanjut untuk dilakukan pemurnian lanjutan. Dari proses ini menyebabkan bau yang menyengat dan asap hitam, karena alasan inilah proses tersebut mulai tidak digunakan dan ditinggalkan (Duan H dkk, 2011:3). Proses mekanis melibatkan penggilingan, pemisahan magnetik, pemisahan ukuran, klasifikasi, pemisahan kepadatan, pemisahan elektrostatik dan pemisahan arus. Dalam menggunakan proses pengolahan secara fisik atau mekanis, pada PCB dapat menghilangkan logam-logam yang terkandung didalamnya dan emisi yang dihasilkan mungkin akan timbul seperti debu, dan polutan yang berbahaya selama proses operasi berlangsung. Beberapa studi telah dilakukan di bidang daur ulang limbah dari WEEE tersebut, tidak hanya dalam proses aplikasi tetapi juga dalam penilaian dampak ekonomi serta lingkungan (Awasthi, A.K dkk, 2017: 1).
Dari berbagai penelitian untuk pengolahan limbah PCB dapat menggunakan proses pyrometalurgi yang digunakan (Wang J dkk, 2017:1) . Dalam beberapa penelitian yang ditemukan tentang daur ulang limbah PCB, fokusnya pada dasarnya adalah pada daur ulang logam mulia yang terkandung di dalam limbah (Wang, H dkk, 2017:2). Dalam beberapa dekade kebelakang, berbagai studi telah dilakukan dalam mencari alternatif yang tepat untuk digunakan dalam mendaur ulang limbah PCB yaitu dengan cairan ionic dan proses pelindian. Salah satu alternatif dari daur ulang dengan proses pelindian ialah proses ekstraksi dengan menggunakan deep eutectic solvent (DES). DES merupakan sistim pelarut yang terbentuk dari dua atau lebih senyawa yang murah dan aman untuk lingkungan yang mampu untuk berikatan satu sama lain melalui pembentukan ikatan hidrogen dan menghasilkan campuran eutektik. Campuran yang dihasilkan akan mempunyai titik leleh yang lebih rendah jika dibandingkan dengan titik leleh masing-masing komponen penyusunnya.
Secara kimiawi, DES merupakan sistim yang terbentuk dari asam lewis maupun asam bronsted yang mengandung variasi spesimen anion dan kation (E. Smith dkk, 2014:3). Pada Penelitian yang sudah pernah dilakukan E. Smith dkk, 2014:3 yaitu dengan menggunakan cairan deep eutectic solvent (DES) yang berupa reline (choline cloride : Urea) untuk melakukan proses pelindian terhadap beberapa bijih mineral berharga, yaitu pyrite, electrum, galena, chalcopyrite, dan tellurobismuthite (G. R. Jenkin dkk, 2015:). Dikarenakan semakin banyaknya limbah dari PCB yang dihasilkan dari seluruh dunia dan PCB juga banyak mengandung tembaga yang bernilai ekonomi, sehingga harus ada suatu upaya untuk dapat mengurangi limbah tersebut yaitu dengan cara melakukan penelitian yang dapat mendaur ulang limbah dari PCB menggunakan pelarut DES yang diencerkan menggunakan aquades yang membentuk pelarut aqoeus atau diluted deep eutectic solvent (DDES) dan dari penelitian yang akan dilaksanakan ini diharapkan dapat membuka jalan dalam mengurangi limbah dari PCB dan serta dapat mengembangkan suatu metode pengelolaan limbah elektronik pada PCB yang murah, efektif, efisien, serta ramah pada lingkungan.
METODE
Pada penelitian ini menggunakan sample PCB dari perangkat komputer yang tidak berfungsi lagi (PCB Bekas), PCB bekas yang digunakan adalah PCB dari tahun 2000-2010 . Lembaran PCB akan dilepaskan struktur-struktur yang melekat pada perangkat tersebut (dismantling) kemudian akan dilakukan proses peremukan pada sample (Crushing) dan selanjutnya akan di lakukan proses Grinding sehingga PCB tersebut akan menjadi lebih halus kemudian dilakukan proses pengayakan (sieving). Sebelum dilakukannya penelitian, sample PCB akan di karakterisasi terlebih dahulu menggunakan XRF (X-ray fluorescence spectrometry) untuk memastikan kandungan unsur yang ada pada sample penelitian. Kemudian mempersiapan bahan baku pembuatan solvent deep eutektik solvent (DES), solvent tersebut terdiri dari Choline cloride (ChCl) (C5H14C1NO, 99%, nomor CAS 67-48-1, SIGMA ALDRICH), dan Thiourea (99 %, 1% Air, SIGMA ALDRICH), serta akan di tambahkan dengan Aquades. Reline (ChCl:Thiourea) yang akan digunakan sebagai solvent dalam proses electroleaching dibuat dengan perbandingan molar sebesar 1:2. Untuk dapat membentuk campuran eutektik, kedua bahan tersebut akan dipanaskan pada suhu 50 °C selama 2 jam, dengan pengadukan konstan, sampai diperoleh campuran yang benar-benar cair dan homogen serta terlihat berwarna bening. Kemudian melakukan Proses elektroleaching pada tembaga dengan gelas bekker bervolume 250 ml. Selanjutnya PCB yang telah dihaluskan akan
dimasukan ke dalam keranjang stainless steel AISI 304 sebagai anoda. Untuk katoda sendiri digunakan plat platina murni. Untuk meningkatkan kontak listrik di antara partikel dengan elektrolit, maka akan diaduk dengan magnetic stirrer sambil dipanaskan dengan variasi suhu 40 oC, 50 oC dan 60 oC. Kecepatan konstan magnetik stirrer diatur pada 420 rpm.
Percobaan dilakukan dengan 2 gram PCB dengan ukuran 80 Mesh (0.177 mm). Untuk pengecekan proses elektroleaching menggunakan Potensiostat/Galvanostat Autolab PGSTAT302N yang akan tersambung ke komputer dengan software NOVA 1.11 dan sumber daya DC, sedangkan untuk Elektroda referensi Ag/AgCl dalam larutan jenuh KCl (0,199 V vs. SHE - Elektroda Hidrogen Standar) yang akan digunakan untuk uji voltametri. Analysis Cyclik voltametry dengan potensi pemindaian (ν) 10 mV/s dari -0.34 hingga 0.7 V (vs.Ag/AgCl) digunakan untuk larutan elektrolit blank sebagai pembanding, dan menggunakan keranjang yang berisi dengan 2 gr tembaga murni serta 2 gr PCB halus . Efisiensi arus ditentukan oleh Hukum Faraday, menurut Persamaan :
W = MIt/nF (Yuri F.G dkk, 2014: 3)
Dimana w adalah berat tembaga yang dapat terecovery pada Cathoda (gr), M adalah massa molar pada tembaga (g/mol), I adalah arus pada A, t adalah waktu elektrolisis (s), n adalah jumlah elektron dalam reaksi, F adalah konstanta Faraday, yaitu 96.485 (C/mol). Berat tembaga ditentukan dengan menimbang katoda. Setelah selesai percobaan, sample akan dikarakterisasi menggunakan Optical microscop dan SEM-EDX. Berikut rangkaian alat percobaan yang digunakan :
Gambar 1. Rangkaian alat percobaan
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil identifikasi bahan baku dengan cara menganalisis kandungan unsur tembaga yang digunakan. Berikut gambar PCB untuk proses pengujian:
Gambar 2. PCB untuk proses Pengujian
PCB yang digunakan untuk percobaan penelitian adalah PCB dari tahun 2000 sampai dengan tahun 2010 yang didapat dari toko service elektronik yang banyak menyimpan PCB bekas. Distribusi dari suatu partikel dari suatu bahan
dapat menjadi penting dalam memahami sifat fisik dan kimianya (Ujam, A.J dkk, 2014:2). Comminution PCB dilakukan dengan menghancurkan dan penggilingan (grinding). PCB dihancurkan dengan grinding diikuti dengan pengayakan (sieving) sampai fraksi mencapai ukuran partikel kurang dari 7 mm. Persentase kelolosan pada saat sieving pada ukuran 0.177 mm yang menjadikannya objek penelitian dengan persen kelolosan sekitar 62.36 % dari berat satu lempengan PCB, dalam arti didalam pengerjaan proses dismantling hanya sekitar 62.36 % yang bisa dijadikan produk dan selebihnya tertahan ke sieving yang lebih besar. Hasil yang didapatkan tidak begitu tinggi, sehingga untuk kedepannya, agar dapat di cari suatu teknik yang lain didalam proses grinding, sehingga sampel yang dibutuhkan saat penelitian cukup banyak dan disesuaikan dengan kebutuhan penelitian. Dari hasil analisa XRF 5 unsur terbesar yaitu Tembaga 35.82 %, Aluminium 18.33 %, Silikon 16.98 %, Bromium 11.40 %, Timah 5.53 % dan sisanya adalah unsur yang lainnya seperti silika, Titanium dan Kromium. Dapat disimpulkan jika unsur tembaga lebih mendominasi didalam penyusunan PCB dan dijadikan objek untuk penelitian.
Untuk hasil dari pengujian cyclic voltammetry berupa gambar grafik voltammogram dengan bentuk yang dipengaruhi oleh variabel-variabel analit pada potensiostat yang digunakan sebagai dasar analisa. Puncak arus pada voltammogram yang dihasilkan akan memberikan sebuah informasi kuantitatif sedangkan potensial tempat terjadinya fenomena puncak arus tersebut akan memberikan informasi yang bersifat kualitatif. Untuk memahami fenomena potensiostatik yang terjadi pada diluted deep eutektic solvent (DDES), maka pengujian cyclic voltammetry dilakukan dengan beberapa parameter yang digunakan sebagai variabel bebas dan variabel terikat pada pengujian. Terdapat beberapa perdebatan pada pengujian cyclic votametry, menurut literatur (Riyanto, 2012:100), pengujian cyclic voltammetry harus dilakukan dalam keadaan tidak diaduk atau unstirred dikarenakan perpindahan massa hanya akan terjadi karena resapan (diffusion) yang banyak digunakan dalam elektrokimia, akan tetapi pada literatur lain (Roland Z dkk, 2012:7), mengatakan Pengadukan larutan elektrolit saat proses pengujian akan mengurangi gelembung-gelembung gas hidrogen. Gelembung-gelembung gas hidrogen ini akan menempel pada anoda dan katoda, sehingga menghalangi proses pelepasan ion dari anoda dan menghambat proses penangkapan ion-ion pelapis oleh katoda. Terdapat fenomena yang menarik untuk di bahas pada bagian analisa cyclic voltammetry ini karena memiliki pendapat dan argumen dari penelitiannya masing-masing.
Pada penelitian yang telah dilaksanakan pada proses cyclic voltammetry ini berlangsung secara irreversible yang di tunjukan pada Grafik cyclic voltammogram dibawah ini, proses irreversible berlangsung dikarenakan beberapa factor diantaranya adalah konsentrasi dari eletrolit itu sendiri. Pada proses ini terjadi reduksi yang sangat kecil sekali dan hampir tidak terlihat, dan puncak oksidasi sangat terlihat begitu jelas, hal ini disebabkan banyaknya kandungan oksigen pada elektrolit yang dibuat yang menyebabkan hanya terjadinya oksidasi pada unsur tembaga yang ada pada PCB.
Deposisi ion tembaga yang ada pada PCB akan membentuk menjadi Cu,Cu2+ dan Cu3+ kedalam permukaan kathoda dan terjadi sangat sedikit sekali dapat dibuktikan dengan permukaan plat yang telah dikarakterisasi menggunakan SEM-EDX dibawah ini. Efisiensi arus yang telah dihitung didapatkan 98.89 %. Pengukuran nilai kapasitansi menggunakan metode siklis voltametri dengan laju imbasan 10 mV/s dan dengan memvariasikan suhu 40 oC, 50 oC, dan 60 oC. Berikut hasil grafik cyclic voltammetry dalam bentuk voltamogram :
Gambar 3. Grafik Voltamogram cyclic voltammetry a. larutan blank Aquades, b. Reline 40 0C., C. Reline 50 0C., d. Reline 60 0C.
Secara umum grafik yang dihasilkan mempunyai bentuk yang sama pada setiap variasi. Semakin besar suhu yang dihasilkan maka nilai kapasitansi spesifik akan semakin besar. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa nilai kapasitansi terbesar pada suhu 60 0C dengan puncak oksidasi 1.15 A. Pada suhu yang rendah, ion mempunyai waktu yang lama
untuk dapat berdifusi kedalam pori-pori cathoda. Ion dan elektron yang berasal dari pengumpul arus akan berdifusi secara merata ke permukaan elektroda sampai ke dalam pori-pori. Hal ini mengakibatkan peningkatan lebar kurva arus charge dan discharge yang mengindikasikan nilai kapasitansi yang besar. Sebaliknya pada suhu yang tinggi, ion bisa berdifusi dengan cepat tetapi hanya sampai pada permukaan elektroda. Ion hanya mampu masuk ke pori makro. Pori - pori elektroda karbon yang tidak terisi ion menghasilkan kurva arus charge dan discharge yang kecil yang mengindikasikan nilai kapasitansi yang rendah. Deposisi spontan ion tembaga selama berlangsungnya proses di plat platina dapat terlihat dari gambar dibawah ini
Gambar 4. Hasil EDX pada permukaan plat platina dengan Reline (ChCl:Thiourea)
Dari gambar hasil EDX angat terlihat sekali jika proses irreversible ini terjadi diakibatka karenanya oksigen yang begitu besar, sehingga menyebabkan hanya proses oksidasi yang berlangsung dan tidak terjadi reduksi sama sekali. Pada permukaan plat katoda yang mengandung deposisi tembaga juga layak diamati dan dikembangkan sehingga proses ini kedepannya menjadi lebih sempurna.
PENUTUP Simpulan
Pengujian Deep eutektik solvent (DES) pada PCB khususnya terhadap tembaga yang terkandung didalamnya menggunakan metode siklis voltametri telah berhasil dilakukan. Sampel elektroda yang berbentuk bubuk berukuran 80 mesh berasal dari PCB yang telah dihaluskan. Setelah dilakukan pengujian didapatkan bahwa nilai kapasitansi terbesar pada suhu 60 0C dengan puncak oksidasi 1.15 A dengan laju rate sebesar 10 mV/s serta Efisiensi arus yang telah dihitung didapatkan 98.89 %. Pengujian tambahan juga dilakukan menggunakan SEM-EDX dan XRD. Hasil EDX menunjukan terdapat deposisi tembaga dari PCB kedalam plat Platina dan oksigen juga sangat berpengaruh terhadap voltammogram yang menyebabkan proses berlangsung secara irreversible.
Saran
Selama proses pembongkaran PCB diharapkan dapat dipilah-pilah kembali pada peralatan penyusunnya dan sangat dibutuhkan modifikasi dari Waterbath Untuk dapat menjaga suhu tetap terjaga saat proses cyclic voltammetry.
DAFTAR PUSTAKA
Awasthi, A.K., Li, J., 2017. An overview of the potential of eco-friendly hybrid strategy for metal recycling from WEEE. Resour. Conserv. Recycl. 126, 228–239.
Birloaga, I., Coman, V., Kopacek, B., Veglió, F., 2014. An advanced study on the hydro- metallurgical processing of waste computer printed circuit boards to extract their valuable content of metals. Waste Manag. 34, 2581–2586.
Duan, H., Hou, K., Li, J., Zhu, X., 2011. Examining the technology acceptance for dis- mantling of waste printed circuit boards in light of recycling and environmental concerns. J. Environ. Manage. 92, 392–399.
E. Smith, A. Abbot and K. Ryder, "Deep Eutectic Solvents (DESs) and Their Applications," vol. 114, 2014.
Forti, V., Baldé, C.P., et al. (2020). The Global E-waste Monitor 2020 – Quantities, flows, and the circular economy potential. UNU/UNITAR & ITU.
G. R. Jenkin, A. Z. Al-Bassam, R. C. Harris, A. P. Abbot, D. J. Smith, D. A. Holwell, R. J. Chapman and C. J. Stanley,
"The application of deep eutectic solvent ionic liquids for environtmentally-friendly dissolution and recovery of precious metals," no. 87, 2015.
Tembaga
Huang, K., Guo, J., Xu, Z., 2009. Recycling of waste printed circuit boards: a review of current technologies and treatment status in China. J. of Hazard. Mater. 164, 399–408
Kaya, M., 2016. Recovery of metals and nonmetals from electronic waste by physical and chemical recycling processes. Waste Manag. 57, 64–90.
Riyanto, Phd. Elektrokimia Dan Aplikasinya. Edisi Pertama, cetakan Pertama, 2012.
Roland Z., and Gerald U. Highly Porous Platinum Electrodes for the Use in Potentially Implantable Glucose Fuel Cells Ujam, A.J., and Enebe,K. O. Experimental Analysis of Particle Size Distribution using Electromagnetic Sieve.
American Journal of Engineering Research (AJER) e-ISSN : 2320-0847 p-ISSN : 2320-0936 Volume-02, Issue-10, pp-77-85.2013.
Pinho.Silvia, Ferreira .Marco, F.Almeida,Manuel. A wet dismantling process for the recyclingof computer printed circuit boards.132(2018)71-76.
Wang, J., Xu, Z., 2017. Environmental friendly technology for aluminum electrolytic capacitors recycling from waste printed circuit boards. J. Hazard. Mater. 326, 1–9.
Wang, H., Zhang, S., Li, B., Pan, D., Wu, Y., Zuo, T., 2017. Recovery of waste printed circuit boards through pyrometallurgical processing: a review. Resour. Conserv. Recycl. 126, 209–218.
Yuri F.G, Iranildes D.S, and Achiles J.B.D. Direct recovery of copper from printed circuit boards (PCBs) powder concentrate by a simultaneous electroleaching– electrodeposition process. Hydrometallurgy 149 (2014) 63–70.
