EFISIENSI ARUS ELEKTROLISISPADA SEL ELEKTROLISIS PLATINA-PLATINA ASAM NITRAT

Mulyono DaryokoPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif-BATAN, Serpong

ABSTRAKEFISIENSI ARUS ELEKTROLISIS PADA SEL ELEKTROLISIS PLATINA-PLATINA ASAM NITRAT. Telah

dilakukan penelitian untuk mempelajari efisiensi arus elektrolisis pada sel elektrolisis elektrode pt·pt dengan larutananolyle HNO~ AgN03 dan larutan catholyte 13M HN03. Perubah yang dipelajari pada penelitian ini adalah aruselektrolisis dan temperatur. Arus elektrolisis divariasi pada 3A, SA dan 10A dengan temperatur dan kecepatanpengadukan dibuat tetap, masing·masing 2S"C dan 1000 rpm. Temperatur divariasi pada 10°C, 1S"C dan 25°C,dengan arus elektrolisis dan kecepatan pengadukan dibuat tetap, pada kondisi optimum percobaan pertama. Lamaelek1rolisis masing-masing percobaan adalah 90 menit. Dari penelitian ini didapal kesimpulan bahwa efisiensi aruselektrolisis akan semakin berkurang dengan kenaikan arus eleklrolisis dan akan semakin bertambah dengan penurunantemperatur. Pad a waktu 30 menit harga efisiensi arus elektrolisis adalah 74,4% pada 3A, 62,7% pada 5A dan 33,4%pada 10A, sedangkan pada variasi temperatur harga efisiensi arus elektrolisis adalah 33,4% pada 25°C, 37,0% pada15°C dan 43,6% pada 10nC.

ABSTRACTTHE ELECTROL mc CURRENT EFFICIENCY IN THE PLA TlNUM-PLA TlNUM NITRIC ACID ELECTROL mc

CELL The eleclrolytic current efficiency in the Pt·Pt electrolytic oxidation cell, solution of 4M HNOy'0.5M AgNOJ asanolyte, and solution of 13M HNOJ as catholyte have been investigated. The parameters investigated whereelectrolytic current and temperature. The electrolytic current conditioning was varied at 3A. 5A and 10A. where thestirring speed and temperature were maintained at 1000 rpm and 25'C, respectively. Afterwards the dependency of thetemperelure was examined at 10, 15 and 25'C, in the electrolytic current and the stirring speed at 10A and 1000 rpm.The results shows that the electrolytic current efficiency decreases with the increase of electrolytic current, andincreases with Ihe decrease of temperature. The electrolytic current efficiency at 30 minutes experiment are 74.4% at3A, 62.7% at 5A and 33.4% at 10A, then ofthe variation of temperature are 33.4% at 25'C, 37.0% at 15'C and 43.6%at 10'C.

PENDAHULUANTeknik elektrokimia mulai diterapkan

dalam berbagai hal semenjak tahun 1807,dimana saat itu Sir Humphry Davy berhasilmemisahkan logam kalium dari senyawanya.Prinsip pen erapan ini berkaitan dengan selelektrokimia. Secara umum sel elektrokimia

dibagi menjadi sel galvani dan sel elektrolisis.Proses yang terjadi pada sel galvani ialahreaksi kimia berubah menjadi energi listrik,sedangkan di dalam sel elektrolisis energilistrik menjadi reaksi kimia. Pada sel galvanielektrode positif sebagai katode, danelektrode negatif sebagai iilnode, IiiQdangksnpad a sel elektrolisis elektrode negatif sebagaikatode, dan elektrode positif sebagai anode.Penggunaan sel elektrolisis untukpengolahan limbah telah dimulai tahun 1950,namun penggunaannya secara profesionalbaru dimulai semenjak beberapa tahunterakhir ini, terutama setelah ditemukannyabeberapa bahan elektrode, bahan membranserta inovasi-inovasi metode teknik kimia(1).Sebagai contoh saat ini semakin banyakditemukan bahan elektrode yang mempunyaistabilitas kimia maupun fisika yang sangattinggi, konduktivitas listrik yang tinggi, nonfouling, elektrode potensial tinggi dan

132

mempunyai tegangan lebih yang rendah,yang kesemuanya merupakan sifat-sifat yangbaik terhadap efisiensi reaksi elektrolisisnya.

Pada sel elektrolisis zat-zat dapat teruraisehingga terjadi perubahan massa(1,2,3,4).Peruraian tersebut disebabkan oleh energilistrik yang diangk\.lt oleh ion-ion yangbergerak di dalam larutan elektrolit, ataukarena adanya daya gerak listrik di dalam selterse but. Daya gerak listrik ini merupakanperbedaan potensial standar elektrodenegatif (katode) dan potensial standarelectrode positif (anode). Perbedaanpotensial standar ini biasanya disebabkanperbedaan bahan yang dipakai antara anodedan katode, namun bisa juga bahan yangdipakai sama, tetapi konsentrasi larutanelektrofitnya berbeda. Jenis yang terakhir inidisebut sel konsentrasi(5).

Pada sel elektrolisis PUPt denganlarutan elektrolit 4M HNO;J0,5M AgN03sebagai larutan anode (anolyte) dan AgN03sebagai media serta 13M HN03 sebagailarutan katode (catholyte), maka akan terjadireaksi sbb(1,2.3,4,6):

Ag+-> Ag+2 + e' (anode) (1)

H20 -) 2 H+ + % O2 + 2 eO(anode) (2)

Secara teoritis, perubahan massa yangterjadi pada sel elektrolisis ini dapatdinyatakan dengan rumus :

2H·+N03·+e·~ N02+H20 (katode) (3)

4H++N03·+3e·~ NO.+2H20 (katode) (4)

H20 + e ~ Y, H2 + OH" (katode) (5)

Keefektifan reaksi-reaksi oksidasi yangterjadi pada anode, ditandai dengan efisiensiarus elektrolisis(I1). Efisiensi arus inididefinisikan sebagai perbandingan antaramassa yang terjadi dari percobaan dibagidengan massa yang terjadi secara teoritis,sebagai berikut :

M = Q(Nn)(1/F)(5)

dimana,M = massaa = jumlah listrik, coulombNn = massa eklvalenA = massa atom atau massa molekul

n = perubahan bilangan oksidasiF = tetapan Faraday

= 96500 coulomb

11 = M/M(teoritis)(2)

(6)

(7)

dibagi menjadi kompartemen anode dankompartemen katode yang dibatasi dengansuatu membran, dan dilengkapi dengananode dan katode platinum dan pengadukdari teflon. Temperatur larutan ano/yte didalam kompartimen anode diukur dengantermometer dan dikontrol dengan sistempenukar panas. Pada alat terse butdilengkapi juga dengan lubang untukmengambil sam pel.

MetodeSetelah ano/yte dan catho/yte diisikan ke

dalam kompartimen anode dan kompartimenkatode, sel dibangkitkan dengan arUB 10amper dan pengadukan diatur padakecepatan 1000 rpm. Pada penelitian iniarus elektrolisis divariasi, yaitu 3, 5 dan 10A,sedangkan temperatur dijaga tetap pada25°C. Terbentuknya Ag+2 ditandai denganperubahan warna dari jernih menjadi hitam.Secara periodik sam pel ano/yte diambilmelalui lubang sam pel, dan kandungan Ag+2dianalisis dengan cara titrasi. Harga efisiensiarus elektrolisis adalah Ag +2yang terjadi daripercobaan ini dibagi dengan Ag+2 yangterjadi secara teoritis. Percobaan dilanjutkandengan variasi temperatur 25, 15 dan 10°C,dimana arus elektrolisis dibuat tetap 10A.

Secara teoritis efisiensi arus elektrolisistergantung pada arus elektrolisis, temperatur,kecepatan alir (kecepatan pengadukan),konsentrasi dan jenis ano/yte, serta desaindari sel tersebut(2).

Pada penelitian ini dibahas pengaruhbeberapa parameter: besar arus elektrolisisdan temperatur terhadap efisiensi arus selelektrolisis PUPt dengan ano/yte 4MHNO~O,5M Ag N03 dan catho/yte 13MHN03. Penelitian ini penting dilakukankarena efisiensi arus sangat berperan padaaplikasi penggunaan sel elektrolisis, terutamapad a scale-up nya.

TAT A KERJABahan

Bahan yang dipakai pada penelitian ini .adalah ano/yte 4M HNO~O,5M Ag N03 dancatholyte 13M HN03.Alat

Alat utama yang dipakai adalah selelektrolisis yang terbuat dari gelas dan teflonseperti terlihat pada Gambar 1. Sel terse but

133

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari penelitian ini, jumlah Ag+2 yangdibangkitkan dapat dilihat pada Tabel 1 danTabel 2, sedangkan jumlah Ag+2 yangdibangkitkan secara teoritis bisa dihitungdengan persamaan (6). Dengan persamaan(7) bisa didapatkan efisiensi, dan hasil-hasilperhitungan tersebut ditunjukkan pada Tabel3 dan Tabel 4.

Pada Tabel 3 dapat dilihat bahwa padatahap-tahap awal reaksi efisiensi akan relatifstabil dan tidak mempunyai perbedaan yangsignifikan untuk arus elektrolisis 3, 5 dan10A. Setelah waktu 30 men!t terlihat bahwapenambahan arus elektrolisis akanmenyebabkan efisiensi menurun. Misalnyapada waktu 30 menit, efisiensi aruselektrolisis pada 3A 74,4%, maka pada 5Aakan menjadi 62,'7% dan berikutnya pada10A akan menjadi 33,4%.

tcnnomctcr

pcngaduk

Airmasuk

pcngaduk

mcmbran

Air kcluar

catllO/ytc ial/o/yte

Gambar 1. SeJ ElektroJisis

+2

Pcnukar

panas

--- --.- --- --- -~----- ------ --------- •...•... ----w-- __ ·n .._____· ..'"D

Waktu Ag+z, mol(men it)

3A5A10A0

0 001

0,003 0,00420,00713

0,0087 0,001320,002355

0,00136 0,002540,003910

0,00254 0,004440,0069115

0,00358 0,005820,0079830

0,005770,007700,0082260

0,006590,007770,0076490

0,006520,007570,00746

134

--- -- --- ----- ~._~ - ---Waktu Ag·\ mol

(menlt)25°C15°C10°C

00 00

10,0071 0,001060,00089

30,00239 0,00230,00269

50,0039 0,003710,00396

100;00691 0,006940,00702

150,00798 0,008670,00898

300,00822 0,009120,01074

600,007640,009130,00996

900,00746 0,008780,01019

Tabel 2. P h t had banakitan A-+2

engaru

Waktu

AgY.,g

(Menit)

3A 5A10AM

MthTJ,%MM1h11,0/0MMth11,%°00-00-00-

10,0120,10611 60,1720,1681000,2900,33587,8

30,3570,3181000,5420,5031000,9601007953

50,5580,5311001,0420,8391001,5941,67895,0

101,0421,60198,21,8221,6781002,8203,35684,2

151,4691,59198,32,3882,51894,83,2625,03564,7

302,3683,18474,43,1605,03662,73,36010,0733,4

602,7046,36742,53,18810,0731,63,12320,1415,4

902,6769,55028,03,10615,1120,33,04930,2110,1Tabel 3. P h lektrolisis terhad fI" lektrolisl

Tabel 4. Pengaruh temperatur terhadap efisiensi arus elektrolisisWaktu I AgY.,g(Menit) I 25°C 15°C

M1h TJ,% M M1h

o - 0 00,335 87 8 0,433 0,3351,007 95,3 0,940 1,0071,678 950 1,516 1,7783,356 84,2 2,830 3,3565,035 64,8 3,544 5,03510,07 33,4 3,370 10,0720,14 15,4 3,130 20,1430,21 10,1 3,590 30,21

o1351015306090

Mo

0,2900,9601,5942,8203,262

3,3603,1233,049

11,%

10093,390,384,270,437,018,511,9

Mo

0,3601;0101,6202,8603,670

4,39Q.4,0704,160

10°CMth

o0,3351,0071,6763,3565,035

10,0720,1430,21

10010096,585,2

72,943,620,213,8

Perbedaan itu akan terlihat signifikan padamenit-menit berikutnya, Penurunan efisiensiarus elektrolisis ini disebabkan karena

semakin terjadinya kompetisi antara reaksipembangkitan Ag+2 dengan reaksi antaraAg+2dengan air seperti berikut :

Reaksi ini merupakan reaksi oksidasi airseperti pada persamaan (2). Dominasireaksi dengan penambahan arus lebih besarterhadap persarnaan (8) dibandingkan

135

dengan reaksi pembangkitan Ag+2. Reaksipembangkitan Ag +2 bukanlah reaksi yangdominan dipengaruhi oleh arus elektrolisis(non current Iimited)(7). Oreh karena secarateoritis massa yang te~adi akan linierterhadap kenaikan arus elektrolisis(persamaan 6), maka pad a kenaikan aruselektrolisis akan menyebabkan etisiensi arussemakin turun.

Pengaruh temperatur terhadap efisiensiditunjukkan pada Tabel 4. Walaupun tidakterlalu signitikan, semakin rendah temperaturharga efisiensi arus akan semakin besar.

Hal ini juga berkaitan dengan terjadinyareaksi antara Ag+z dengan air (persamaan 8).Jika dianggap reaksi ini order 2, makamekanisme reaksinya sebagai berikut(8,9J:

2 Ag+2 -4 Ag+ + Ag+3 (9)

Ag+3 + HzO -4 AgO" + 2 H+ (10)

AgO" + H20 -4 Ag+ + HzOz . (11)

Ag+z + H20Z -4 Ag+ + OzH" + H+ (12)

Ag+z + OzH" -4 Ag+ + H+ + Oz (13)

Kecepatan reaksinya :

(14)

dari sisi termodinamika, semakin rendahtemperatur anolyte maka Ag+Z yang terjadiakan semakin besar. Ini menunjukkanbahwa pengaruh temperatur terhadap hargatetapan kecepatan reaksi, k pad apersamaan (8) lebih signifikan dibandingkandengan pengaruhnya terhadap persamaan(1), atau pengaruh temperatur terhadapreaksi antara Ag+2 dengan air lebih kuat

'dibandingkan dengan pengaruhnya terhadapreaksi terbentuknya Ag+z. Disisi lain secarateoritis tidak ada faktor temperatur padaperhitungan efisiensi, sehingga semakinrendah temperatur harga efisiensi aruselektrolisis akan semakin besar. Hargaefisiensi arus pad a 30 men it adalah 33,4%pad a 25°C, 37,0% pada 15°C dan 43,6%pada 1DoC.

Apabila reaksi dianggap reaksi order 1 maka

mekanismenya sbb.:

AgN03+ + H20 -4 AgON03+ + 2H+ (15)

AgON03 ++ HzO -4

Ag+ + OH++OH"+N03' (16)

H+ + OH' -4 HzO (17)

AgN03+ -4 Ag+ + N03" (18)

N03" + HzO -4 H+ + N03" +OH" (19)

AgN03 ++ HzO -4

Ag++ OH" + H++ N03' (20)

20H' -4 HzOz (21)

AgN03+ + HzOz-4

Ag+ + OzH" + H+ + N03"

AgN03 + + OzH" -4

Ag+ + Oz +H++ N03"

Seperti terlihat pada reaksi (1) dan denganpersamaan reak$i (14) atau (24), dimana

maka kenaikan temperatur mestinya jugaakan memperbesar kecepatan terjadinyaAg+2, tetapi seperti yang terjadi padapersamaan (8) bahwa Ag+2 yang te~adidengan air akan berubah kembali menjadiAg+. Pada Tabel 4 memperlihatkan bahwa

Kecepatan reakslnya,

-d{Ag +z}/dt = ku{Ag+z)

k = Ae'EalRT

(22)

(23)

(24)

(25)

KESIMPULANDari hasil-hasil penelitian ini didapatkankesimpulan-kesimpulan sebagai berikut:

Efisiensi arus elektrolisis akan semakinberkurang, dengan kenaikan aruselektrolisis. Hal ini disebabkan karenabertambahnya reaksi pembentukan Ag+Ztidak sebanding dengan kenaikan aruselektrolisis. Reaksi pembangkitan Ag+zbukanlah reaksi yang dominandipengaruhi oleh arus elektrolisis. Padawaktu 30 menit harga efisiensi aruselektrolisis adalah 74,4% pada 3A,62,7% pada 5A dan 33,4% pada 10A.Efisiensi arus elektrolisis akan semakinbertambah dengan penurunantemperatur. 'Hal ini disebabkanpengaruh temperatur terhadap reaksiantara Ag+2 dengan air lebih kuatdibandingkan dengan pengaruhnyaterhadap reaksi terbentuknya Ag+z, disisilain tidak ada faktor temperatur padaperhitungan efisiensi. Harga efisiensiarus elektrolisis pada 30 menit adalah33,4% pada 25°C, 37,0% pada 15°C dan43,6% pada 1DoC.

DAFTAR PUSTAKA1. RYAN, J. L., BRAY, L. A.,

WHEELWRIGHT, E. J., "CatalyzedElectrolytic Plutonium Oxide Dissolution(CEPOD)", PNL, Richland (1982).

2. BRAY, J. L., RYAN, L. A., WHEELWRIGHT, E. J. "Electrochemical Processfor Dissolving Plutonium Dioxide andLeaching Plutonium from Scrap onWastes", AICE, Miami, Florida (1986).

136

3. RYAN, J. l., BRAY, l. A.,WHEELWRIGHT, E. J., BRYAN, G. H.,·Catalyzed Electrolytic Plutonium OxideDissolution", Paper Presented at theInternational Symposium to Comm. 50th

Annl. of Transuranium Elements,Washington, DC(1990).,

4. SUKIGAWA, 5., UMEDA. M., "AlphaBearing Waste Treatment byElectrochemical Oxidation Technique",Safewaste 2000 (2000).

5. ACHMAD, H., "Elektrokimia danKinetika", PT. Citra Aditya Sakti,Bandung (1992).

6. ALSENOY, V. V., RAHIER, A., "TheElectrochemical Oxidation of OrganicWastes and Activated Graphite by Ag+2in Nitric Acid : a literature study, SCK­CEN, Mol, Belgium (1996).

137

7. DARYOKO, M., "Pembangkitan Ag+2pada Dekontaminasi Elektrokimia",Prosiding pada Seminar NasionalPenelitian Dasar IImu Pengetahuan danTeknologi, P3TM, SATAN, Yogyakarta(2002).

8. CHIBA, Z., LEWIS, P.R., andMURGURIA, l.C., "MediatedElectrochemical Oxidation Treatment forRocky Flats Flats Combustible Low·LevelMixed Waste", Final Report to RockyFlats Plant, FY 93 and 94 Tasks underTIP SF 221207, Lawrence livermoreNational Laboratory livermore, CA94550, 1994.

9. CHIBA, Z., SCHUMACHHER, B.,LEWIS, P., dan MURGURIA, L., "Mediated Electrochemical Oxidation asan Alternative to Incineration for MixedWastes", LLNL, 1995.