OPTIMASI ADSORPSI ION NaCl PADA

ELEKTRODA CAPASITIVE DEIONIZATION

DENGAN MEMBRANE ION EXCHANGE

Ellys Kumala P

1111201206

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2014

Dosen Pembimbing

Endarko, M.Si Ph.D

Dr. Melania Suweni M, MT

Pendahuluan

LATAR BELAKANG

- Air merupakan salah satu kebutuhan terpenting bagi kehidupan manusia

- Pada tahun 2025 manusia diperkirakan akan mengalami krisis air bersih(Buerkle,2007)

- Air laut sebagai sumber air yang belum dimanfaatkan secara maksimal untuk kebutuhan air manusia

- Teknologi CDI di mulai pada tahun 1960 oleh Blair tentang demineralisasi air secara elektrokimia dan berkembang hingga saat ini.

Perlu dilakukan peningkatan kinerja sistem desalinasi pada sistem kapasitif deionisasi sebagai teknologi hemat energi agar didapatkan peningkatan pengurangan kadar garam

• Melakukan pembuatan elektroda untuk sistem CDI • Merancang dan membuat sistem desalinasi CDI • Melakukan optimasi penyerapan ion NaCl pada

elektroda sistem CDI

Tujuan

• Pemanfaatan teknologi baru yaitu Membrane capasitive deionization untuk pemenuhan kebutuhan air bersih dengan sistem desalinasi yang hemat energi dan ramah lingkungan

• Meningkatkan penyerapan ion garam pada sistem CDI sehingga air tawar yang dihasilkan semakin banyak

Manfaat

Tinjauan Pustaka Capasitive Deionisation (CDI) Teknologi desalinasi yang menggunakan prinsip kerja kapasitor

dalam penyerapan ion NaCl dalam air.

+ + + + +

+

+ + +

+

- -

- - - -

-

- - - -

+

+

-

- Air garam Air tawar

Digunakan elektroda karbon berporous dengan tegangan DC

1-1,8 V

Air garam dialirkan diantara dua plat elektroda

ion negatif dan positif akan terpisah terikat elektroda

karbon (Park, 2011)

Pembuatan Elektroda Bahan Penyusun Elektroda CDI Karbon aktif

Arang yang telah mengalami karbonisasi dan aktivasi secara kimia maupun fisika sehingga memiliki luas permukaan yang besar (300-3500 m2/g) yang menyebabkan daya serap terhadap ion tinggi

Polimer Poli Vinil Alkohol

Polimer PVA dipilih sebagai binder karbon karena merupakan polimer hidrofilik sehingga meningkatkan tingkat kebasahan pada permukaan elektroda. PVA dapat dibentuk menjadi hidrogel dalam kandungan air dengan metode freeze/thawing, irradiasi gamma, crosslinking kimiawi dan fotopolimerisasi.

(Zou, 2011)

Pembuatan Elektroda Pembentukan Ikatan Polimer Elektroda

• Metode Crosslinking

Proses kimiawi penggabungan dua atau lebih molekul dengan ikatan kovalen. Ikatan crosslinking polimer dibentuk oleh PVA dan glutaric acid yang diinisiasi oleh temperatur antara

100- 120 oC

• Pembentukan Crosslinking PVA -Glutaric Acid

(Park, 2011)

Membran Penukar Ion

Membrane Capasitive Deionzation

Membran Penukar Ion

Kolektor Arus

Elektroda Karbon

(Biesheuvel, 2009)

Proses Penyerapan Ion garam

A C

Anoda Katoda

NaCl

Na+ Cl-

Cl-

Na+

Cl2

2Cl- Cl2 + 2e- +H2

2H2O 2OH- + 2e-

OH-

H2

(-) (+)

2e-

2e-

∆V

Pergerakan ion 1. Konveksi karena adanya

gaya mekanik berupa laju aliran

2. Migrasi karena adanya gaya listrik

3. Difusi karena adanya perbedaan konsentrasi pada permukaan elektroda dan larutan

(Des Eaux, 1996)

Cl-

Faktor-faktor yang mempengaruhi

penyerapan ion garam

Kapasitansi Elektroda CDI

Kapasitansi elektroda menunjukkan kemampuan elektroda dalam penyimpanan muatan. Kapasitansi ini ditentukan dengan pengujian menggunakan Electrical Impedance Spectroscophy.

Laju Aliran

Laju aliran larutan ini menentukan kecepatan mobilitas ion-ion ketika terabsorb dalam elektroda. Laju aliran yang semakin cepat akan menyebabkan ion-ion garam sulit terserap kedalam elektroda.

Tegangan listrik

Perbedaan potensial pada pergerakan muatan merupakan energi yang dibutuhkan agar muatan dapat bergerak menuju elektroda. Semakin besar beda potensial yang diberikan pada elektroda maka muatan-muatan akan semakin cepat bergerak menuju elektroda (Zou et al , 2011).

Sel CDI tanpa Membran

Larutan NaCl

Anoda Katoda

(-) (+)

∆V

+

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+ +

+

+ +

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- - -

-

- -

-

-

-

-

+

+

Penggunaan membran penukar ion

A C

Anoda Katoda

Larutan NaCl

(-) (+)

∆V

+

+

+ +

+

+ +

+

+

+

+ +

+

+

+ +

+

+ +

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

- -

-

-

- -

-

-

-

-

+

+

(Zhao, 2011)

Optimasi Model matematis Regresi Berganda Pembentukan model matematis pemasalahan dengan

2 atau lebih variabel untuk dianalisis hubungannya

Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 +b3 X3 + b4 X12 + b5 X2

2 +b6 X32 + b7

X1 X2 + b8 X2 X3 (2.1)

Variabel Repons

Variabel Terikat

Pembentukan Matrik Regresi Apabila dimisalkan X1

2 = X4 , X22 = X5 dan seterusnya

Didapatkan :

Y = b0 + b1 X1 + b2 X2 +b3 X3 +b4 X4 + b5 X5+ b6 X6+b7 X7+b8 X8+ b9 X9

Maka dapat dibentuk matrik sebagai berikut :

Y=

𝑦1

𝑦2

⋮⋮

𝑦𝑛

X =

1 𝑥11 𝑥12 … 𝑥1𝑘

1 𝑥21 𝑥22 … 𝑥2𝑘

⋮ ⋮ ⋮ ⋮1 𝑥𝑛1 𝑥𝑛2 … 𝑥𝑛𝑘

B =

𝑏0

𝑏1

⋮⋮

𝑏𝑛

Maka didapatkan persamaan matriks Y = B X

Matrik koefisien regresi didapatkan sebagai berikut :

𝑩 = 𝑿𝑿′ −𝟏𝑿′𝒀

(Montgomery, 2005)

(2.2)

(2.3)

Algoritma Genetik Metode algoritma genetik diinspirasi oleh teori-teori dalam ilmu

biologi, yang didasarkan atas mekanisme evolusi biologi.

Individu Populasi

Lingkungan Kompetisi

-Adaptasi - Berkembangbiak

- Mutasi

Individu optimal

Metodologi Penelitian

Tahapan Penelitian

Pembuatan elektroda

Pengujian elektroda

Pembuatan sistem

desalinasi

Pengujian sistem

desalinasi

Optimasi sistem

desalinasi

Pengujian optimasi sistem

desalinasi

Bahan elektroda

Karbon aktif

Karbon aktif berbentuk serbuk

dengan ukuran 140 µm

PVA

Mw = 60.000 gr/mol

Degree of hydrolysis 98%, Merck Germany

Glutaric Acid

Mr =132.11 gr/mol

Sigma Aldrich Germany

Aluminium

Pembuatan Elektroda

Pembuatan elektroda

50 mL aquades dipanaskan hingga suhu 100 0C

1 gr PVA di tambahkan ke dalam aquades

Larutan PVA & aquades di stirrer di selama 30 menit hingga homogen

Pemanasan dimatikan. 20 gr Karbon aktif ditambahkan ke dalam larutan hingga suhu ruang

0.5 gr Glutaric Acid ditambahkan ke dalam campuran

Campuran di stirrer selama 4 jam pada suhu ruang

Campuran dicetak dalam cetakan aluminium ukuran 8x6x0.5 cm3 di keringkan selama 4 hari

Setelah elektroda memadat dan kering. Elektroda kemudian di furnace dengan suhu 100-120 oC sesuai tipe elektroda

Tabel Variasi Suhu Pembuatan Elektroda

No. Tipe Elektroda Suhu Crosslinking (C)

1 A_T120 120

2 B_T110 110

3 C_T100 100

• Pengujian Elektroda

• Pengujian SEM

mengetahui struktur permukaan elektroda

• Pengujian Voltametri Siklik

mengetahui sifat dan perilaku elektrokimia pada elektroda

• Pengujian Electrical Impedance Spectroscophy

mengetahui nilai kapasitansi dan resistansi pada elektroda

Pembuatan Sistem Desalinasi

Sistem Desalinasi

Larutan NaCl 0.5 M

Manual Valve

Sistem CDI Power Supply Salinity Meter

Tabel Variasi Pengujian Sistem CDI

No Parameter Variasi

1 Kapasitansi A_T120 B_T110 C_T100

2 Tegangan (Volt) 1,2 1,4 1,5 1,6 1,8

3 Laju Aliran (mL/

menit) 5 10 15 20 25

4 Membran Membran Tanpa membrane

Pembentukan Model Matematis

Data Hasil Eksperimen

Pembentukan matrik variable bebas dan

varibel terikat

Perhitungan matrik koefisien regresi dengan matlab

Optimasi Algoritma Genetik

Hasil Optimasi dan Parameter-

parameternya

Hasil dan Pembahasan

Hasil Pengujian Elektroda • Pengujian SEM

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110 Elektroda C_T100

Hasil Pengujian Elektroda

• Pengujian Voltametri Siklik

Tipe Arus

Maksimum (mA)

A_T120 5.75

B_T110 4.89

C_T100 4.1

(Wang,2007)

Hasil Pengujian Elektroda • Pengujian Electrical Impedance Spectrocophy

Park,2011

Kapasitansi Spesifik Resistansi

Rangkaian Ekulivalen hasil EIS

Anoda Katoda Elektrolit

e- e-

Rct,a

Cdl,a

RΩ

Rct,k

Cdl,k

dl = double layer , ct = charge transfer

Na+ Cl-

Tipe Kapasitansi

A_T120 627 μMho

B_T110 362 μMho

C_T100 100 μMho

Hasil Pengujian Sistem CDI

• Pengujian Osiloskop

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110

Elektroda C_T100

Hasil Desalinasi Variasi Tipe Elektroda

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt

Tipe Kapasitansi

Maks %

pengurangan

kadar garam

A_T120 627 μMho 58.58 %

B_T110 362 μMho 25.06 %

C_T100 100 μMho 15.99 %

Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110

Elektroda C_T100

Pengukuran dilakukan pada tegangan1,5 Volt

Hasil Desalinasi Variasi Laju Aliran

Tipe Laju Aliran

Maks %

pengurangan

kadar garam

A_T120 10 mL/mnt 58.58 %

B_T110 10 mL/mnt 25.06 %

C_T100 5 mL/mnt 16.86 %

Hasil Desalinasi Variasi Tegangan

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110

Elektroda C_T100

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL /mnt

(Zou,2011)

Hasil Desalinasi Variasi Tegangan

Tipe Tegangan

Maks %

pengurangan

kadar garam

A_T120 1.5 Volt 58.58 %

B_T110 1.8 Volt 31.87 %

C_T100 1.8 Volt 18.32 %

Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan Membran penukar ion

Elektroda A_T120 Elektroda B_T110

Elektroda C_T100

Pengukuran dilakukan pada laju aliran 10 mL/ menit dan tegangan1,5 Volt

(Zou,2011)

Hasil Desalinasi Variasi Penggunaan

Membran penukar ion

Tipe Tanpa

Membran

Dengan

Membran

A_T120 58.58 % 59.09%

B_T110 25.06 % 26.21 %

C_T100 15.99 % 16.52%

Model Matematis

Grafik nilai respon data eksperimen dan Model matematis

Persamaan model matematis :

Fungsi Fitness

Algoritma Genetik

Hasil optimasi secara modeling

Nilai fitness maksimum 70.34 % dengan parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho, kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt, dan penggunaan membrane X4 (1).

Hasil Optimasi

Hasil Eksperimen

Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 59,09 %

dengan parameter –parameter kapasitansi 627 μMho, kecepatan aliran

10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane.

Hasil Model Matematis

Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 70.34 % dengan

parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho,

kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt,

dan penggunaan membrane X4 (1).

Kesimpulan

• Telah dilakukan pembuatan sistem desalinasi CDI dengan menggunakan dapat menggunakan metode pembentukan ikatan crosslinking dengan komposisi karbon aktif dari tempurung kelapa, PVA dan glutaric acid adalah 20: 1: 0,5 gr

• Hasil eksperimen menujukkan Pengurangan kadar garam tertinggi didapatkan sebesar 59,09 % dengan parameter –parameter kapasitansi 627 μMho kecepatan aliran 10 mL/menit , tegangan sumber 1.5 Volt, dan penggunaan membrane.

• Hasil optimasi secara model matematis nilai fitness maksimum yang didapatkan 70.34 % dengan parameter-parameter yang didapatkan kapasitansi X1 = 627 μMho, kecepatan aliran X2 =5.565 mL/menit , tegangan sumber X3 =1.8 Volt, dan penggunaan membrane X4 (1).

Saran

• Pembuatan Elektroda CDI dengan penggunaan arus kolektor yang lebih baik misalnya mengunakan bahan-bahan inert seperti grafit sheet agar memiliki daya tahan yang lama terhadap proses elektrokimia yang terjadi didalam sel CDI.

• Desain sistem CDI dengan penambahan membran perlu diperbaiki agar didapatkan pengurangan kadar garam yang lebih besar.

• Penggunaan pompa peristaltik diperlukan agar dapat menjaga aliran larutan garam konstan sesuai laju aliran yang diharapkan.

Terimakasih Referensi

1. Haibo Li, Linda Zou, 2011, Ion-Exchange Membrane Capacitive Deionization: A New Strategy For Brackish Water Desalination, Desalination, 275, 62–66

2. R.Zhao,O Satpradit, H.H.M Rijanaarts, P.M Biesheuvel, A. van del val, 2013 ,“Optimization Of Salt Adsorption Rate In Membrane Capacitive Deionization “, Water Research ,47, 1941-1952

3. Park Byeong-Hee et al,2011 Capacitive deionization using a carbon electrode prepared with water-soluble poly(vinyl alcohol) binder, Journal of Industrial and Engineering Chemistry , 717–722