Aplikasi Energi dalam bidang Kimia

2.1 Ketidakseimbangan Aliran Energi mengakibatkan Hujan Asam

Aliran energi yang tidak seimbang akan berdampak pada kehidupan

terutama lingkungan. Pemakaian energi yang berlebihan seperti pembakaran

sumber energi fosil (misalnya: minyak bumi, batu bara) yang berlebihan akan

menghasilkan gas-gas berlebihan. Gas yang dihasilkan tersebut antara lain karbon

dioksida (CO2), nitrogen oksida (NOx), dan sulfur (SO2). Gas-gas ini akan

menyebabkan pencemaran udara yang akan menimbukan terjadinya hujan asam.

Gambar 1. Hujan Asam

Hujan asam merupakan istilah umum untuk menggambarkan turunnya asam

dari atmosfer ke bumi. Sebenarnya turunnya asam dari atmosfer ke bumi bukan

hanya dalam kondisi “basah” tetapi juga “kering”. Sehingga dikenal pula dengan

istilah deposisi (penurunan/pengendapan) basah dan deposisi kering. Deposisi

basah mengacu pada hujan asam, kabut dan salju, sedangkan deposisi kering

mengacu pada gas dan partikel yang mengandung asam.

Secara alami hujan asam dapat terjadi akibat semburan dari gunung berapi

dan dari proses biologis di tanah, rawa, dan laut. Akan tetapi, mayoritas hujan

asam disebabkan oleh aktivitas manusia seperti industri, pembangkit tenaga

listrik, kendaraan bermotor dan pabrik pengolahan pertanian (terutama amonia).

Gas-gas yang dihasilkan oleh proses ini dapat terbawa angin hingga ratusan

kilometer di atmosfer sebelum berubah menjadi asam dan terdeposit ke tanah.

Angin dapat membawa material asam pada deposisi kering dan basah

melintasi batas kota dan negara sampai ratusan kilometer. Dua gas yang

dihasilkan dari pembakaran mesin kendaraan serta pembangkit listrik tenaga

diesel dan batubara yang utama adalah sulfur dioksida (SO2) dan nitrogen

dioksida (NO2). Sulfur dioksida (SO2) berasal dari reaksi antara sulfur (belerang)

dengan oksigen. Gas yang dihasilkan tersebut bereaksi di udara membentuk asam

yang jatuh ke bumi bersama dengan hujan dan salju. Sinar matahari meningkatkan

kecepatan reaksi mereka. Misalnya, sulfur dioksida bereaksi dengan oksigen

membentuk sulfur trioksida.

2SO2 + O2 2SO3

Sulfur trioksida kemudian bereaksi dengan uap air membentuk asam sulfat.

SO3 + H2O H2SO4

Uap air yang telah mengandung asam ini menjadi bagian dari awan yang

akhirnya turun ke bumi sebagai hujan asam atau salju asam. Hujan asam dapat

mengakibatkan kerusakan hutan, tanaman pertanian, dan perkebunan. Hujan asam

juga akan mengakibatkan berkaratnya benda-benda yang terbuat dari logam,

misalnya jembatan dan rel kereta api, serta rusaknya berbagai bangunan. Selain

itu, hujan asam akan menyebabkan penurunan pH tanah, sungai, dan danau,

sehingga mempengaruhi kehidupan organisme tanah, air, serta kesehatan manusia.

Makin rendah pH air hujan tersebut, maka makin berat dampaknya bagi mahluk

hidup.

Gambar 2. Hujan asam mengakibatkan organisme air mati

Pada tanaman dengan berbagai macam cara dipengaruhi oleh hujan asam.

Lapisan lilin pada daun rusak sehingga nutrisi menghilang sehingga tanaman tidak

tahan terhadap keadaan dingin, jamur dan serangga. Pertumbuhan akar menjadi

lambat sehingga lebih sedikit nutrisi yang bisa diambil, dan mineral-mineral

penting menjadi hilang. Ion-ion beracun yang terlepas akibat hujan asam menjadi

ancaman yang besar bagi manusia.

Gambar 3. Rusaknya Tanaman Akibat Hujan Asam

2.2 Energi Nuklir

2.2.1 Nuklir

Nuklir adalah sebutan untuk bentuk energi yang dihasilkan melalui reaksi

inti, baik itu reaksi fisi (pemisahan) maupun reaksi fusi (penggabungan). Proses

fisi adalah proses utama pada reaktor nuklir terjadi ketika sebuah inti

bermassa berat. Pada reaksi fisi, inti senyawa terbelah menjadi dua inti

massa yang lebih rendah yang disertai oleh dua atau tiga neutron dan radiasi

fisi gamma. Sumber energi nuklir yang paling sering digunakan adalah sebuah

unsur radioaktif yang bernama Uranium. Sebuah unsur radioaktif mampu

menghasilkan panas yang besar melalui suatu reaksi pemisahan inti (reaksi fisi).

Adapun tiga unsur radioaktif yang dapat berfisi antara lain : Uranium-235

(U235), Uranium-233 (U233) dan Plutonium-239 (Pu239). Ketiga bahan bakar

ini besifat radioaktif tetapi mereka mempunyai massa paruh yang sangat lama.

Sementara,reaksi fusi merupakan sebuah antitesis dari proses fisi. Dalam

fisika, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses di mana dua inti

atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan

energi. Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang

bersinar, dan senjata nuklir meledak. Proses ini membutuhkan energi yang

besar untuk menggabungkan inti nuklir, bahkan untuk unsur yang paling

ringan, yaitu hidrogen. Namun, reaksi fusi inti atom yang ringan untuk

membentuk inti atom yang lebih berat dan netron bebas, akan menghasilkan

energi yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan

kedua inti tersebut. Berikut ini adalah proses terjadinya reaksi fisi.

Gambar 4. Reaksi pemisahan inti (reaksi fisi)

Atom uranium (U-235) (digambarkan dengan warna hitam merah di sebelah

kiri) memiliki inti yang tidak stabil ketika ada neutron (warna hitam di paling kiri)

yang ditembakkan pada inti atom tersebut, maka inti atom uranium akan

membelah menjadi dua buah inti atom, yakni atom Barium (Ba-141) dan atom

Kripton (Kr-92) serta tiga neutron (warna hitam di kanan). Massa atom sebelum

pembelahan lebih besar dari pada massa atom setelah pembelahan, maka selisih

massa (disebut defek massa) berubah menjadi energi panas yang besarnya sekitar

200 MeV (Mega elektron volt) untuk satu buah inti atom . Bila satu gram uranium

tentu saja akan memiliki banyak inti sehingga panas yang dihasilkan pun luar

biasa besar. Karena Uranium bahan tambang, maka bentuknya juga padat

Gambar 5. Bahan tambang Uranium

Bahan bakar nuklir adalah semua jenis material yang dapat digunakan untuk

menghasilkan energi nuklir, demikian bila dianalogikan dengan bahan bakar

kimia yang dibakar untuk menghasilkan energi. Hingga saat ini, bahan bakar

nuklir yang umum dipakai adalah unsur berat fissil yang dapat menghasilkan

reaksi nuklir berantai di dalam reaktor nuklir. Bahan bakar fissil yang sering

digunakan adalah 235U dan 239Pu, dan kegiatan yang berkaitan dengan

penambangan, pemurnian, penggunaan, dan pembuangan dari material-material

ini termasuk dalam siklus bahan bakar nuklir. Siklus bahan bakar nuklir penting

adanya karena terkait dengan PLTN dan senjata nuklir.

Gambar 6. Proses pengolahan Uranium

Bahan bakar nuklir tradisional yang digunakan di USA dan beberapa negara

yang tidak melakukan proses daur ulang bahan bakar nuklir bekas mengikuti

empat tahapan seperti yang terdapat dalam gambar di atas. Proses di atas

berdasarkan siklus bahan bakar nuklir. Pertama, uranium diperoleh dari

pertambangan. Kedua, uranium diproses menjadi “Yellow Cake”. Langkah

berikutnya adalah mengubah “Yellow Cake” menjadi UF6 untuk proses

pengkayaan dan kemudian diubah menjadi uranium dioksida, atau tanpa proses 

pengkayaan untuk kemudian langsung ke tahap ke-4 sebagaimana yang terjadi

untuk bahan bakar reaktor nuklir pada umumnya.

2.2.2 Energi Nuklir

Energi nuklir merupakan energi yang dihasilkan selama reaksi nuklir.

Reaksi nuklir terjadi pada inti atom yang pecah atau bergabung menjadi inti atom

yang lain dan partikel-partikel lain dengan melepaskan energi kalor. Reaksi nuklir

terjadi di matahari, reaktor nuklir, dan bom nuklir. Energi yang ditimbulkan dalam

reaksi nuklir sangat besar, oleh karena itu energi nuklir dapat digunakan sebagai

pembangkit listrik.

Pada inti atom tersimpan tenaga inti (nuklir) yang luar biasa

besarnya. Tenaga nuklir itu hanya dapat dikeluarkan melalui proses

pembakaran bahan bakar nuklir. Proses ini sangat berbeda dengan

pembakaran kimia biasa yang umumnya sudah dikenal, seperti pembakaran

kayu, minyak dan batubara. Besar energi yang tersimpan (E) di dalam inti

atom adalah seperti dirumuskan dalam kesetaraan massa dan energi oleh Albert

Einstein :

E = m C2

Keteranganm : massa bahan (kg)C : kecepatan cahaya (3 x 108 m/s).

Energi nuklir berasal dari perubahan sebagian massa inti dan keluar

dalam bentuk panas. Dilihat dari proses berlangsungnya, ada dua jenis reaksi

nuklir, yaitu reaksi nuklir berantai tak terkendali dan reaksi nuklir berantai

terkendali. Reaksi nuklir tak terkendali terjadi misalnya pada ledakan bom

nuklir. Dalam peristiwa ini reaksi nuklir sengaja tidak dikendalikan agar

dihasilkan panas yang luar biasa besarnya sehingga ledakan bom memiliki

daya rusak yang maksimal. Agar reaksi nuklir yang terjadi dapat dikendalikan

secara aman dan energi yang dibebaskan dari reaksi nuklir tersebut dapat

dimanfaatkan, maka manusia berusaha untuk membuat suatu sarana reaksi

yang dikenal sebagai reaktor nuklir. Jadi reaktor nuklir sebetulnya hanyalah

tempat dimana reaksi nuklir berantai terkendali dapat dilangsungkan. Reaksi

berantai di dalam reaktor nuklir ini tentu sangat berbeda dengan reaksi

berantai pada ledakan bom nuklir.

2.2.3 Dampak Energi Nuklir bagi Lingkungan

Dalam pengembangan dari nuklir sebagai sumber energi utama, dijumpai

adanya beberapa kendala atau rintangan antaralain: 1) kontroversi mengenai

ketersediaan energi uranium yang cukup bahan baku, 2) Kemungkinan terjadi

kecelakaan pembangkit nuklir yang serius dan fatal yang dapat menyebabkan

manusia terpapar terhadap bahan-bahan radioaktif dalam jangka panjang yang

dapat mengancam kehidupan, 3) masalah pengelolaan dan penyimpanan limbah

radioaktif, 4) kemungkinan terjadinya pembajakan dan energi nuklir, 5)

kontroversi mengenai keuntungan energi yang dihasilkan untuk keseluruhan

sistem (net useful energi), 6) kemungkinan proliferasi dari senjata nuklir, dan

biaya yang tinggi.

Emisi zat-zat radioaktif dapat mengakibatkan pencemaran udara sebagai

akibat beroperasinya salah satu dari ketiga jenis teknologi yang digunakan dalam

PLTN. Jenis zat pencemar radioaktif serta potensinya dalam menimbulkan

pencemaran tergantung pada teknologi yang digunakan serta tahapan dari siklus

energi nuklir. Potensi dalam menimbulkan pencemaran air berasal dari limbah

radioaktif di penambangan panas yang ditimbulkan dari rangkaian proses nuklir,

serta limbah cair. Sementara sistem energi fusi mempunyai potensi utama untuk

menimbulkan panas yang berlebihan.

Kerusakan lahan timbul terutama didaerah penambangan akibat

penambangan terbuka atau penambangan bawah tanah. Disamping itu, kerusakan

juga dapat ditimbulkan karena penggunaan lahan untuk penyimpanan limbah-

limbah radioaktif. Bencana dalam skala luas dapat timbul karena pelepasan zat-zat

radioaktif akibat kebocoran radioaktif, sabotase, atau akibat kecelakaan dalam

pengiriman/transportasi. Penyenderaan dari pengiriman bahan-bahan energi nuklir

untuk membuat bom-bom nuklir merupakan kemungkinan bencana yang perlu

diperlukan secara serius.

Dalam penanganan limbah nuklir digunakan tiga metode untuk membuang

limbah radioaktif, yaitu a) pengenceran dan penyebaran (dilute dan disperse),

limbah dengan konsentrasi rendah dilepas keudara, air atau tanah untuk diencrkan/

dilarutkan sampai ketingkat yang aman, b) penundaan dan perusakan (delay dan

decay) dapat digunakan untuk limbah radioaktif dengan waktu paruh (half lives)

relatif singkat. Zat-zat yang digunakan tersebut disimpan dalam bentuk cair atau

lumpur di dalam tangki. Zat-zat tersebut disimpan dalam bentuk cair atau lumpur

di dalam tangki. Setelah 10-20 kali waktu paruhnya, zat –zat tersebut mengalami

perusakan pembusukan ketingkat yang tidak berbahaya untuk kemudian dapat

diencerkan dan disebarkan ke lingkungan; dan c) Konsentrasi dan Pengepakan

(Concentration and Containment) digunakan untuk limbah radioaktif yang sangat

toksik dengan waktu paruh yang panjang. Limbah tersebut harus disimpan dalam

puluhan, ratusan bahkan ribuan tahun, sistem dan tergantung dari komposisinya.

Zat-zat terscbut tidak hanya sangat radioaktif tetapi juga bersuhu yang sangat

panas.