PEMANFAATAN TEKNOLOGI MEMBRANE CAPACITIVE …

PEMANFAATAN TEKNOLOGI MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION UNTUK PEMURNIAN AIR PAYAU

Hanif Ibrahim1 dan Mahmud Sudibandriyo2

1Departemen Teknik Kimia. Fakultas Teknik, Universtas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2Departemen Teknik Kimia. Fakultas Teknik, Universtas Indonesia, Depok 16424, Indonesia

[email protected]

Abstrak

Krisis air bersih di daerah berair payau belakangan ini semakin memprihatinkan. Teknologi yang banyak digunakan saat ini yaitu distilasi dan Reverse Osmosis (RO) tidak bekerja secara maksimal karena kebutuhan energi dan biaya yang relatif besar. Teknologi capacitive deionization (CDI) yang ditemukan untuk menggantikan teknologi RO dan distilasi juga belum menjadi solusi yang baik, karena berdasarkan penelitian yang dilakukan sebelumnya tentang pemurnian air payau, didapatkan tingkat penurunan kadar garam hanya sebesar 13,1 %. Hal tersebut mendorong pengembangan penelitian pemurnian air lebih lanjut dengan menggunakan teknologi membrane capacitive deionization (MCDI) agar dapat membantu mengatasi masalah krisis air bersih daerah air payau secara aplikatif. Prinsip dasar MCDI adalah dengan mengionisasi ion yang kemudian akan teradsorp ada elektroda. Hal yang membedakan MCDI dan CDI adalah penambahan membran yang diletakan di depan tiap elektroda dengan kutub yang berlawanan, sehingga dapat menghalangi ion yang sejenis dengan elektroda memenuhi pori elektroda, sehingga meningkatkan kemurnian dari produk. Pada penelitian ini didapatkan hasil penurunan kadar garam sebesar 23,9%, untuk 2 sel MCDI, dan 18 % untuk 1 sel MCDI. Selain meningkatkan kemampuan penyerapan ion, pada 2 sel MCDI juga mengalami penyerapan ion yang lebih cepat jika dibandingkan dengan 1 sel MCDI, dari 50 menjadi 30 menit.

Kata kunci : Membrane capacitive deionization, air payau, TDS, konduktivitas.

Abstract Recently, clean water crisis in brackish water area is increasing, particularly during the dry season. Technology that widely used today which are distillation and reverse osmosis (RO) do not work optimally because energy requierments and costs are relatively large. Capacitive deionization (CDI), which is projected to replace RO and distillation is not a good solution, based on previous research using CDI to purify the brackish water, it can provide only 13,1 % decrease in salinity level, encourages the study of water purification using membrane capacitive deionization (MCDI) in order to overcome the water crisis problem. The base principle of MCDI is by ionizing the brackish water, and electrodes will adsorp ion. Membrane capacitive deionization is different from capacitive deionization because the membrane capacitive deionization using membrane to help the counter-ion filling the electrodes to increase the purity of the product. In this research, salinity reduction are 23,9% for 2 cells of MCDI, and 18% for 1 MCDI cell. In addition to improving the ability of ion adsorption, in 2 MCDI cells also experience faster ion adsorption compared with 1 cell of MCDI, 30 minutes in 2 MCDI cells and 50 minutes in 1 cell of MCDI. Keywords: Membrane capacitive deionization, Brackish water, TDS, conductivity

Pendahuluan

Krisis air bersih sudah melanda berbagai belahan dunia, bahkan diprediksi bahwa

pada tahun 2025 setengah dari populasi manusia tinggal di daerah dengan kelangkaan air

Pemanfaatan Teknologi ..., Hanif Ibrahim, FT UI, 2017

(Laxman, dkk. 2015). Masalah yang lazim di daerah pesisir adalah ketidaktersediaan air

tawar untuk kebutuhan sehari-hari. Jarak yang sangat dekat dengan laut menyebabkan air di

daerah tersebut bersifat payau dan berasa asin sehingga kurang layak untuk digunakan

sebagai air untuk kebutuhan sehari-hari seperti minum dan bahkan untuk kebutuhan rumah

tangga lainnya. Untuk memenuhi kebutuhan air bersih bagi penduduk daerah berair payau terutama

air minum, para penduduk memanfaatkan sumur air tanah dangkal, air hujan, dan air hasil

pengolahan mesin pengolah air yang telah disediakan pemerintah setempat. Selain itu, hal

yang semakin membuat prihatin adalah tidak maksimalnya alat pengolahan air yang

disediakan pemerintah.Teknologi yang banyak dikembangkan untuk membantu mengatasi

permasalahan kekurangan air bersih tersebut antara lain adalah evaporasi, reverse osmosis,

sistem penukar ion, elektrodialisis, elektrodeionisasi, capacitive deionization (CDI), dan

membrane capacitive deionization (MCDI).

Perlunya penelitian lebih lanjut ini dikarenakan metode CDI ini sudah merupakan

teknologi yang sangat aplikatif karena walaupun masih memiliki kekurangan pada

efisiensinya yang rendah yaitu sekitar 13,1 %, maka dari itu perlu dilakukan penelitian lebih

lanjut dengan penambahan membrane untuk dapat meningkatkan efisiensi dari teknologi

sebelumnya, teknologi ini disebut dengan teknologi membrane-CDI (MCDI) .

Pada proses desalinasi atau pengurangan kadar garam, metode yang akan digunakan

adalah MCDI , yaitu metode electrosorption yang menggunakan tegangan listrik berarus

rendah untuk mengionisasi ion Na+ dan Cl-, pada dasarnya teknologi ini sama dengan

teknologi CDI, karena memang teknologi ini adalah hasil modifikasi dari teknologi CDI,

dimana modifikasinya terletak pada penambahan membran pada depan elektroda, yang

bertujuan untuk menahan co-ion untuk teradsorp kedalam elektroda yang memiliki polaritas

sama dengan ion tersebut, karena akan membuat elektroda tersebut menjadi lebih cepat jenuh

sehingga mengurangi efisiensi unit, selain itu juga karena penambahan membran ini, pada

saat dilakukan pelepasan ion dari elektroda yang bertujuan untuk regenerasi elektroda,

tegangan dapat dibalikan agar proses regenerasi menjadi lebih baik, keunggulan ini hanya

didapatkan pada teknologi MCDI, karena jika membalikan tegangan pada teknologi CDI,

tidak ada penahan dari counter ion yang terlepas dari elektroda untuk mengalir ke aliran,

yang terjadi hanyalah proses penukaran letak elektroda positif dan negatif karena

tegangannya dibalikan, sehingga ion tetap teradsorp oleh elektroda lainnya.

Oleh karena itu pada penelitian ini akan diuji pemurnian air payau dengan

menggunakan teknologi membrane capacitive deionization yang menurut literatur akan


menghasilkan tingkat kemurnian air yang lebih besar jika dibandingkan dengan teknologi

capacitive deionization .

Tinjuan Pustaka

MCDI adalah teknologi atau metode alternatif dari proses desalinasi yang

menggunakan elektroda karbon berpori dan membran penukar ion. Pada teknologi MCDI, ion

garam dikeluarkan dari air payau dengan memberikan perbedaan tegangan listrik antara dua

elektroda berpori, dimana ion akan bergerak sementara, yang kemudian akan terserap oleh

elektroda berpori. Elektroda ini terbuat dari karbon berpori yang dioptimalkan untuk

kapasitas penyimpanan ion garam, serta transport elektron. Anion, yaitu ion dengan muatan

negatif, dikeluarkan dari air dan disimpan dalam elektroda terpolarisasi positif. Demikian

juga, kation (ion bermuatan positif) disimpan di katoda yang merupakan elektroda

terpolarisasi negatif. (Porada dkk. 2013). Seperti ditunjukkan pada Gambar 1 dibawah ini.

Gambar 1 Skema sel CDI dan MCDI

(Sumber: Porada Dkk. 2013)

Berbeda dengan teknologi CDI, pada teknologi MCDI terdapat membrane penukar ion

yang berguna untuk meningkatkan efisiensi dari pengurangan kadar garam pada aliran.

Kegunaan membran penukar ion ini adalah untuk menghalangi ion yang sejenis dengan kutub

dari elektroda untuk ikut memenuhi pori pada elektroda tersebut, karena dihalangi oleh

membran yang memiliki kutub berlawanan dengan elektroda, selain itu karena adanya

penambahan membran penukar ion ini, pada saat regenerasi atau pelepasan ion dari elektroda,

dapat dilakukan dengan membalikan tegangan dari elektroda tersebut, sehingga proses

regenerasi akan lebih baik, proses membalikan tegangan yang dilakukan pada teknologi


MCDI ini tidak dapat dilakukan pada teknologi CDI, karena pada teknologi MCDI terdapat

membran yang berguna untuk menghalangi ion yang dilepas dari elektroda saat proses

regenerasi untuk terserap ke elektroda yang lain karena tegangannya dibalik (Bisheuvel,

2009). Skema sel MCDI yang digunakan ditunjukkan pada Gambar 2 dibawah ini.

Gambar 2 Skema sel MCDI

( Sumber : H. Li, L. Zou / Desalination 275 (2011) 62–66)

Tegangan yang diberikan akan mempengaruhi proses desalinasi yang berlangsung,

yaitu semakin tinggi tegangan yang diberikan maka akan mempercepat gerakan ion untuk

berpindah memasuki elektroda, dan meningkatkan kemapuan desalinasi, namun terdapat

suatu batas dimana setelah mencapai suatu tegangan dimana molekul air akan terelektrolisis

dan akan meningkatkan TDS yang akan memperburuk proses desalinasi, yaitu untuk kondisi

temperatur ruang adalah pada sekitar 1,231 V (Zhou,2011)

Sistem dari MCDI ini dapat merujuk kepada suatu kapasitor elektrokimia, yang

menggunakan electric double layer (EDL) untuk menyimpan suatu muatan ion pada lapisan

elektroda-elektrolit, yang mana suatu indikator dari performanya adalah self discharge

performance. Hal ini bisa terjadi karena suatu sel kelebihan tegangan yang mengakibatkan

dekomposisi dari elektrolit yang kemudian mulai membentuk gas, reaksi pengotor faradik

yang terjadi di sekitar permukaan elektroda berkarbon, dan kebocoran arus karena desain

yang tidak sesuai (Fadhlullah, 2011). Self discharge ini membuat ion akan terlepas dari

elektroda saat elektroda telah jenuh.

Kemampuan adsorpsi dari sel MCDI dapat diprediksi atau dimodelkan dengan suatu

persamaan umum langmuir isotermal, yang kemudian dimodifikasi oleh Gasem dan


Robinson (2001), dan diturunkan oleh Mahmud Sudibandriyo (2015) seperti persamaan

dibawah ini.

!"#$% = !"#$%.!. ! !!!!!"!!,! !

1+ !! !!!!!"!!,! ! (1)

Pada persamaan diatas !"#$% adalah suatu bilangan yang menunjukkan jumlah ion yang

terserap oleh elektroda, nmaks adalah jumlah ion maksimum yang dapat diserap oleh

elektroda, t adalah waktu saat kemampuan adsorpsi tersebut ini dihitung, p menunjukan

tekanan, !, a, b, dan c merupakan konstanta. Namun, karena pada kondisi pada penelitian ini

yang merupakan adsorpsi cair, maka tekanan pada fasa cair akan cenderung konstan,

sehingga persamaan yang digunakan dalam memodelkan dinamika adsorpsi adalah sebagai

berikut.

!"#$% = !"#$%.!. !!

1+ !!! (2.3)

Metodologi


Gambar 3 Diagram alir penelitian

Hasil dan Pembahasan

Hasil Pengujian Elektroda Berkarbon MCDI yang Telah Difabrikasi

Untuk mengetahui karakter pori dari elektroda untuk melakukan desalinasi dengan

efektif, maka dilakukan pengujian terhadap elektroda. Pengujian tersebut adalah dengan

menggunakan uji SEM (Scanning Electron Microscopy) untuk mengetahui stuktur mikropori

dari elektroda.

Setelah dilakukan uji SEM didapatkan gambar struktur mikropori yang sesuai dengan

sifat elektroda MCDI yaitu sifat yang berpori sebagai tempat ion-ion dari air payau untuk

teradsorpsi. Hasil uji SEM diperlihatkan pada gambar 4 dibawah ini.


Gambar 4 Hasil uji SEM elektroda berkarbon

Dari Gambar 4 tersebut terlihat bahwa ukuran pori yang ada berukuran 5µm – 175µm.

Hal ini menunjukan bahwa ukuran ion yang memiliki diameter < 10-3 µm yang terkandung

pada air payau akan memenuhi pori-pori elektroda berkarbon. Pada Gambar 4.1 juga terlihat

strukturnya yang berpori dan mengandung butiran Polyvinyl Alcohol (PVA) yang berguna

sebagai binder untuk meningkatkan kebasahan dari elektroda, karena PVA yang bersifat

hydrophilic, bertujuan agar dapat meningkatkan efektivitas dari penyerapan ion dari air payau

(BH Park dkk, 2010).

Desain Alat

Proses penjernihan air payau pada penelitian kali ini menggunakan suatu unit

desalinasi yaitu MCDI. Air payau sintetis yang telah dipersiapkan akan ditampung terlebih

dahulu di kolom penampung unit desalinasi berkapasitas total 3,375 L, dengan jumlah umpan

yang digunakan hanya 1,5 L. Kemudian pada kolom tersebut diberi sel MCDI yang

disambungkan ke tegangan listrik DC yang bertegangan 1,5 V dari adapter. Secara detail,

desain alat dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5 Sel MCDI


Konfigurasi dari sel MCDI yang divariasikan dalam penelitian ini dapat dilihat

pada Gambar 6 dibawah ini

Gambar 6 Variasi konfigurasi sel MCDI

Pengaruh Konfigurasi sel MCDI Terhadap TDS Luaran

Setelah elektroda hasil fabrikasi dan membran disusun menjadi sel MCDI, 1,5L air

payau yang telah dibuat dengan konsentrasi TDS 4000, 5000, dan 6000 mg/L dimasukkan ke

alat desalinasi. Pada sel MCDI tersebut diberikan tegangan 1.5V dan dibuat konfigurasi sel

yang bervariasi antara 1 dan 2 sel MCDI untuk mengetahui pengaruhnya terhadap konsentrasi

Total Dissolve Solid (TDS) pada air payau setelah proses desalinasi. Konsentrasi TDS pada

air menunjukkan jumlah ion-ion (diameter < 10-3 µm) dan perkiraan massa padatan terlarut

dalam larutan dan biasanya dinyatakan sebagai mg / L. Karena sebelumnya telah dibuat air

payau sintetis yang mengandung NaCl dan MgSO4, maka ion-ion tersebut adalah ion Na+, Cl-

, SO42- dan Mg2+.

TDS sebagian besar disebabkan oleh bahan anorganik berupa ion-ion penyebab

kesadahan yang terdapat di perairan, seperti sodium (Na), magnesium (Mg) dan klorida (Cl).

Adsorben yang berfungsi dalam mengadsorp ion-ion penyebab salinitas pada air adalah

karbon aktif bubuk yang sudah difabrikasi menjadi elektroda karbon dengan campuran PVA,

sifatnya sebagai adsorben dengan struktur yang berongga menyebabkan molekul yang

berukuran lebih kecil maupun sama dengan rongga dapat masuk dan terjebak dengan bantuan

medan listirk yang dihasilkan oleh tegangan listik. Gambar 7 menunjukkan pengaruh

konfigurasi yang diberikan pada sel MCDI terhadap TDS Luaran dengan konsentrasi TDS

umpan 4000 mg/L terhadap waktu.


Gambar 7 Pengaruh konfigurasi terhadap TDS Luaran dengan TDS input 4000 mg/L

Dari Gambar 7 diatas, dapat dilihat perbedaan hasil konsentrasi TDS luaran pada

variasi konfugurasi sel MCDI dan CDI. Untuk 1 sel MCDI, didapatkan titik minimum

konsentrasi TDS luaran sebesar 3278 mg/L yang terjadi pada menit ke-50, untuk 2 sel MCDI

didapatkan titik minimum konsentrasi TDS luaran sebesar 3041 mg/L yang terjadi pada menit

ke-30, dan untuk 2 Sel CDI didapatkan titik minimum konsentrasi TDS luaran sebesar 3468

mg/L yang terjadi konsentrasi di menit ke-15, data dari 2 sel CDI ini didapatkan dari

penelitian sebelumnya mengenai pemurnian air payau (Rizki Mulia, 2016).

Dengan TDS air payau umpan 4000 mg/L, Konfigurasi 2 Sel MCDI, dan tegangan

sebesar 1,5V menghasilkan konsentrasi TDS luaran paling rendah yaitu sebesar 3041 mg/L.

Dari grafik tersebut juga dapat dilihat bahwa penurunan TDS terjadi dengan cepat pada

jangka waktu 30 menit pertama untuk 2 Sel MCDI, kemudian untuk 2 Sel CDI menunjukkan

penurunan hingga kisaran waktu 15 menit karena sudah mencapai kejenuhan elektroda dan

pada sel MCDI menujukkan grafik yang cenderung lebih landai hingga waktu 50 menit.

Pada konfigurasi 1 sel MCDI menunjukkan tren grafik yang lebih landai daripada 2

sel CDI karena perbedaan jumlah sel, sehingga jumlah elektroda yang berguna untuk

penyerapan ion lebih sedikit, sehingga penyerapan dari konfigurasi 1 sel MCDI menjadi lebih

lambat, walaupun mampu menyerap lebih banyak karena dapat mencegah elektroda tersebut

untuk jenuh terlalu cepat.

Penambahan membran penukar ion pada unit desalinasi akan berpengaruh kepada

peningkatan kemampuan desalinasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6 diatas yaitu

TDS mencapai 3041 mg/L untuk 2 Sel MCDI, dan untuk 2 sel CDI yang datanya merupakan

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

0 20 40 60 80

TDS ( m

g/L)

waktu(menit)

2 sel CDI

MCDI

2 Sel MCDI


hasil dari penelitian sebelumnya, hanya mampu mencapai 3468 mg/L, sedangkan untuk 1 sel

MCDI penurunan TDS mencapai 3278 mg/L.

Tegangan yang diberikan pada sel CDI maupun MCDI, akan menyebabkan air payau

terionisasi dan kemudian masuk kedalam elektroda berpori, dengan penambahan membran

penukar ion yang memiliki kutub berlawanan, diletakkan pada depan elektroda berpori, akan

membantu pergerakan counter-ion dalam memasuki elektroda berpori, karena dengan

penambahan membran penukar ion tersebut, co-ion akan terhalang untuk masuk kedalam

elektroda dengan polaritas yang sama seperti pada CDI, sehingga elektroda tersebut dapat

mengikat counter-ion lebih banyak dan memiliki waktu jenuh yang lebih lama pula karena

hanya terisi oleh counter-ion .Disamping itu co-ion yang terdapat pada sekitar elektroda

(berada diantara membran dan elektroda) tidak dapat masuk kedalam aliran produk karena

terhalang membran, sehingga kemurnian dari produk lebih baik.

Hasil pada Gambar 7 kemudian dibandingkan dengan hasil penelitian serupa pada

Gambar 8 (Zou, 2011), yang juga menggambarkan tentang pengaruh penambahan membran

penukar ion terhadap kemampuan penyerapan yang dilakukan oleh elektroda berpori, dimana

pada Gambar 8 dibawah juga terlihat bahwa efek penambahan membran tersebut akan

meningkatkan kemampuan penyerapan ion sehingga menjadi lebih baik dalam mengurangi

nilai TDS pada air payau.

Gambar 8 Hasil data desalinasi sel CDI dan MCDI (Zou, 2011)

Pada grafik Gambar 7 juga terlihat bahwa TDS akan tiba tiba naik pada waktu

tertentu, dan mengalami desorpsi, dalam grafik terdapat 2 daerah yaitu daerah adsorpsi dan

desorpsi. Kenaikan TDS secara tiba-tiba terjadi dikarenakan kapasitas adsorpsi elektroda


yang dipakai pada sel MCDI sudah mencapai titik jenuh. Setelah titik jenuh tercapai, TDS

keluaran akan beranjak naik karena pengaruh counter-ion yang lepas saat elektroda terlalu

lama diberi tegangan, penambahan membran juga tidak dapat mencegah counter ion untuk

lepas dari elektroda apabila telah mencapai titik jenuhnya, karena hanya selektif terhadap co-

ion.

Pengaruh Konfigurasi Sel MCDI Terhadap Konduktivitas Luaran

Dalam penelitian ini, selain meninjau pengaruh konfigurasi yang diberikan pada sel MCDI

terhadap konsentrasi TDS Luaran, dilakukan juga peninjauan pengaruh konfigurasi sel

terhadap konduktivitas luaran.

Konduktivitas adalah gambaran numerik dari kemampuan air untuk meneruskan

listrik yang disebabkan oleh kandungan senyawa-senyawa yang terkandung dalam air

khususnya Sodium (Na) dan Klorida (Cl). Hal ini umumnya digunakan untuk menentukan

tingkat pengotor dalam air. Senyawa organik adalah penghantar listrik (konduktor) yang baik,

sedangkan senyawa anorganik adalah penghantar listrik yang lemah. Kemampuan air untuk

menghantarkan arus listrik dinyatakan dalam µS/cm. Variasi konfigurasi sel MCDI yang

diberikan masih sama yaitu 1 sel MCDI, 2 sel MCDI, dan 2 Sel CDI yang datanya didapat

dari penelitian sebelumnya (Rizki Mulia, 2016). Gambar 9 menunjukkan pengaruh variasi

konfigurasi yang diberikan terhadap konduktivitas luaran dengan konduktivitas awal umpan

6250-6540 µS/cm (4000 mg/L)

Gambar 9 Pengaruh konfigurasi terhadap konduktivitas luaran

4600

4800

5000

5200

5400

5600

5800

6000

6200

6400

6600

6800

0 10 20 30 40 50 60 70

Kond

k6vitas(µS

/cm)

Waktu ( menit )

2 sel CDI

MCDI

2 Sel MCDI


Grafik tersebut menunjukkan hasil konduktivitas luaran dari 3 variasi konfigurasi

dengan konduktivitas awal yang nilainya tidak sama persis untuk tiap pengambilan data

dengan jumlah TDS yang sama, hal ini dikarenakan variabel konduktivitas sangat sensitif dan

sulit untuk dijadikan stabil. Namun, perbedaan dari nilai konduktivitas tersebut masih dapat

digunakan karena masih dalam nilai konversi yang tidak berbeda jauh pada sekitar 0,6 nilai

konversinya antara TDS dan konduktivitas.

Dapat dilihat perbedaan hasil konduktivitas luaran pada variasi konfigurasi yang diberikan

pada sel MCDI. Pada susunan 2 Sel MCDI didapatkan titik minimum konduktivitas sebesar

4890 µS/cm yang terjadi pada menit ke-30, untuk susunan 1 Sel MCDI didapatkan titik

minimum konduktivitas 5360 µS/cm pada menit ke-50, dan untuk susunan 2 Sel CDI

didapatkan titik minimum konduktivitas luaran sebesar 5420 µS/cm pada menit ke-15. Secara

garis besar tidak ada perbedaan antara pengaruh susunan sel MCDI terhadap TDS luaran dan

terhadap konduktivitas luaran karena terdapat relasi yang erat antara TDS dan konduktivitas,

karena TDS berasal dari pembacaan konduktivitas menggunakan faktor konversi.

Pengaruh Konfigurasi Sel MCDI Terhadap Pengurangan Kadar Garam

Pengurangan kadar garam pada larutan NaCl dapat diketahui berdasarkan penurunan

konduktivitas dengan perhitungan sesuai Persamaan (Zou, 2011):

!"#$%$#&# !"#"$ !"#"$ % = !"!!"!"

× 100 (2)

Dari perhitungan melalui persamaan 2 tersebut, disajikan grafik pengaruh tegangan

terhadap pengurangan kadar garam dengan konsentrasi TDS umpan 4000 mg/L pada gambar

10

Gambar 10 Pengaruh konfigurasi terhadap penurunan kadar garam

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80

Penu

runa

n kada

r garam

(%)

Waktu ( menit)

2 sel CDI

MCDI

2 Sel MCDI


Diketahui dari Gambar 10 bahwa terjadi pengurangan kadar garam sebesar 23,9 %

pada 30 menit pertama untuk konfigurasi 2 sel MCDI dan pada menit ke-35 kadar garam

kembali naik sehingga pengurangan kadar garam menurun yaitu menjadi sebesar 20 %,

seperti terlihat pada Gambar 10 Sedangkan untuk konfigurasi susunan 1 Sel MCDI,

mengalami pengurangan kadar garam sebanyak 18 % pada menit ke-50. Sedangkan pada

susuna 2 Sel CDI terjadi penurunan hingga 13,1 % pada 15 menit pertama dan pada menit

ke-20 kadar garam naik kembali sehingga pengurangan kadar garamnya menurun menjadi

8%.

Pada Gambar 10 terlihat tingkat penyerapan kadar garam berjalan dengan cepat

hingga menit ke-30 untuk konfigurasi 2 Sel MCDI, hal tersebut terjadi karena penambahan

membran yang diletakkan berlawananan polaritasnya dengan elektroda, namun untuk 1 Sel

MCDI, didapatkan hasil penyerapan ion yang lebih besar dari yang dapat dilakukan oleh 2 sel

CDI, tetapi pergerakan ion dari 1 sel MCDI terlihat lebih lambat dibandingkan dengan

pergerakan ion yang didapatkan pada 2 Sel CDI, hal ini dikarenakan jumlah sel yang

digunakan pada 2 Sel CDI lebih banyak daripada yang digunakan pada 1 Sel MCDI,

menyebabkan luas permukaan serap pada 2 sel CDI juga lebih besar dibandingkan dengan 1

sel MCDI.

Penggunaan tegangan sebesar 1,5 V menjadi salah satu faktor penghalang tidak terlalu

tingginya penyerapan garam pada penelitian ini, dikarenakan pada literatur dikatakan bahwa

electrosorption yang lebih cepat pada tegangan yang lebih besar, namun akan terjadi

elektrolisis apabila digunakan tegangan yang melebihi tegangan batas elektrolisis pada 1,23

V ( Zou, 2011 ) . Elektrolisis ini menyebabkan tegangan permukaan yang sejatinya bertujuan

untuk melakukan desalinasi, menjadi lebih kecil dari tegangan yang diberikan pada sel

MCDI. Selain itu, keberadaan gelembung yang terbentuk juga akan mengurangi luas

permukaan aktif dari elektroda dan memperkecil jumlah luas yang berkaitan dengan

penangkapan ion dan pemberian muatan.

Dinamika Pemodelan Adsorpsi Sel MCDI

Dinamika pemodelan adsorpsi adalah suatu pemodelan yang dilakukan untuk

memprediksi kapasitas adsorpsi suatu sel MCDI dengan menggunakan persamaan matematis

yang kemudian akan dibandingkan dengan hasil eksperimen yang telah dilakukan sehingga

dapat dihitung deviasinya sebagai bukti akurasi suatu persamaan tersebut.


Pemodelan yang dilakukan adalah untuk variasi 2 sel MCDI karena menunjukkan

penyerapan ion yang paling baik diantara variasi lainnya, grafik dinamika pemodelan

adsorpsi sel MCDI dengan variasi TDS 4000 mg/L ditunjukkan pada Gambar 11 dibawah ini.

Gambar 11 Dinamika adsorpsi dengan TDS input 4000 mg/L

Pada Gambar 11 diatas terlihat perbandingan hasil pemodelan matematis dan hasil

eksperimen pada saat fase adsorpsi oleh sel MCDI, persamaan umum yang digunakan pada

pemodelan tersebut ditunjukkan pada persamaan 4.2 berikut.

! = !"#$%!"#$%

= !×!!!!!!"!!,! !

!! !! !!!!!"!!,! ! (3)

! adalah fraksi ion yang teradsorpsi, kemudian β,a,b,c dan p adalah konstanta

kesetimbangan adsorpsi, nTDSt adalah jumlah ion yang teradsorpsi pada waktu t menit, dan

nmaks adalah jumlah ion maksimal yang teradsorpsi, dan t adalah waktu yang dihitung dalam

menit. Persamaan tersebut adalah persamaan model dinamik adsorpsi (Gasem dan Robinson

2001), dan diturunkan oleh Mahmud Sudibandriyo (2015), dari persamaan tersebut yang akan

dicari adalah nilai !"#$% yang untuk dapat dibuat grafik seperti pada Gambar 4.17, sehingga

persamaan diubah menjadi

!"#$% = !"#$%×!×!!!!!!"!!,! !

!! !! !!!!!"!!,! ! (4)

0 5 10 15 20 25 30

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30

Kapasitas Adsorpsi ( m

g )

Waktu ( menit )

model

eksperimen


Namun karena variabel p (pressure) pada adsorpsi cair memiliki nilai yang konstan,

maka persamaan yang digunakan untuk memodelkan dinamika adsorpsi adalah sebagai

berikut.

!"#$% = !"#$%×!×!!

!! !!! (5)

Deviasi dari data eksperimen dan hasil model dengan persamaan diatas dihitung

sebagai penyimpangan hasil eksperimen terhadap model, yang kemudian diminimalkan

hasilnya untuk mendapatkan nilai nmaks, β , dan c.

Dari hasil meminimalkan nilai deviasi, didapatkan nilai deviasi minimal adalah sebesar

18,39 mg dan untuk variasi TDS 4000 mg/L didapatkan nilai nmaks, β, dan c berturut-turut

adalah 1083,243 mg ; 0,0064 ; 2,081.

, grafik pemodelan tersebut dibuat berdasarkan rujukan yang didapat ( Zou, 2011 ) yang

ditunjukkan pada Gambar 12 dibawah ini

Gambar 12 Dinamika adsorpsi (Zou, 2011)

Pada Gambar 12 yang merupakan grafik untuk daerah adsorpsi yang berasal dari rujukan

(Zou, 2011), terlihat penyerapan ion akan meningkat cepat hingga menit ke 20 dan kemudian

terlihat stabil penyerapannya, karena ion dapat tersimpan dalam elektroda hingga dimulai

untuk desorpsi dengan membalikkan tegangan, berbeda dengan grafik pemodelan pada hasil

penelitian ini yang hanya mencapai waktu yang berkisar pada 30 menit, karena elektroda

tidak mampu menyimpan ion setelah masa jenuhnya, sehingga akan langsung terdesorpsi

setelah mengalami kejenuhan.

Hal tersebut berbeda dengan hasil yang didapatkan pada penelitian ini, dimana pada saat

terjadi kejenuhan pada elektroda, maka ion akan langsung terlepas dari elektroda yang

digunakan, penyebab dari perbedaan tersebut dikarenakan egangan yang diberikan berada

diatas tegangan elektrolisis dari air, sehingga akan menyebabkan self discharge ion dari

elektroda (Fadhlullah, 2011).


Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Teknologi MCDI dapat melakukan penyerapan ion pada kondisi optimum sebesar 18% untuk 1 sel MCDI dan 23,9% untuk 2 sel MCDI, selain itu juga dapat mempercepat penyerapan ion dari 50 menit menjadi 30 menit untuk perbedaan konfigurasi 1 sel dan 2 sel MCDI.

2. Total penurunan kadar garam dari alat water purifier pada kondisi paling optimal adalah 23,9%. Penurunan kadar garam tersebut didapatkan dari konsentrasi TDS awal 4000 (mg/L) dan konduktivitas awal 6430 (µS/cm)

3. Penambahan membran pada unit MCDI akan meningkatkan efisensi penyerapan ion garam, dari 13,1% untuk CDI menjadi 23,9% untuk MCDI.

Saran

Sementara itu, beberapa saran yang dapat diberikan oleh penulis adalah :

1. Perlu dilakukan penyempurnaan sistem MCDI agar mendapatkan hasil yang lebih baik pada skala yang lebih besar, yaitu dengan dibuat menjadi susunan MCDI bertingkat.

2. Tegangan yang ideal untuk melakukan desalinasi dengan teknologi ini adalah pada sekitar 1,2 V, untuk menghindari elektrolisis pada air.

3. Dilakukan percobaan untuk konsentrasi awal yang rendah agar bisa benar-benar

dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan oleh (Zhou, 2011)

4. Kepustakaan

5. Biesheuvel, P.M. and A. van der Wal, Membrane capacitive deionization.Journal of

Membrane Science, 2010.346(2): p. 256-262.

6. Biesheuvel, P.M., R. Zhao, S. Porada, and A. van der Wal, Theory of membrane

7. capacitive deionization including the effect of the electrode pore space. Journal of

Colloid and Interface Science, 2011.360(1): p. 239-248.

8. Byeong-Hee Park, Yu-Jin Kim, and Jaehwan Choi, 2010. Capacitive Deionization

using a carbon electrode prepared with water-soluble poly(vinyl alcohol) binder.

Journal of Industrial and Engineering Chemistry 17(2011), p.717-722.

9. Cipollina, A., G. Micale, and L. Rizzuti, Seawater Desalination: Conventional and

Renewable Energy Processes in Green Energy and Technology, 2009, Springer:

Berlin, German


10. Escobar, I.C. and A. Schafer, Sustainable Water for the Future, in Sustainability

Science and Engineering, M.A. Abraham and R. Sheldon, Editors. 2010, Elsevier:

Oxford, UK. p. 444

11. Fadhlullah Ramadhani, 2011. Desalination With Capacitive Deionization by Layer by

Layer Electrode.

12. Gasem, K.A.M., Robinson, Jr. R.L., 2001. Adsorption of Pure Methane, Nitrogen and

Carbon Dioxide on Selected Tiffany Coal Samples. DOE Technical Report 13. Kim, Y.-J. and J.-H. Choi, Enhanced desalination efficiency in capacitive

deionization with an ion-selective membrane. Separation and Purification

Technology, 2010. 71(1): p. 70-75.

14. Laxman, K. et al., 2015. Desalination and disinfection of inland brackish ground

water in a capacitive deionization cell using nanoporous activated carbon cloth

electrodes. Desalination, 362, pp.126–132

15. Lee, J.H. and J.H. Choi, The production of ultrapure water by membrane capacitive

deionization (MCDI) technology. Journal of Membrane Science, 2012. 409-410:

16. Li, H. and L. Zou, Ion-exchange membrane capacitive deionization: A new strategy

for brackish water desalination. Desalination, 2011. 275(1–3): p. 62-66.

17. Mahmud Sudibandriyo. et al.,2015. Adsorption Capacity and its Dynamic Behavior of

the Hydrogen Storage on Carbon Nanotubes. International Journal of Technology,

p.1128-1136

18. Porada, S. et al., 2013. Review on the science and technology of water desalination by

capacitive deionization. Progress in Materials Science, 58(8), pp.1388–1442

19. Rizki Mulia, 2016. Pengembangan Alat Water Purifier Untuk Mengatasi Krisis Air

Bersih di

Zou, L., Li, H. & Mossad, M., 2011. Capacitive Deionisation as a useful tool for inland

brackish water desalination. IDA World Congress – Perth Convention and Exhibition Centre

(PCEC), p.11


PEMANFAATAN TEKNOLOGI MEMBRANE CAPACITIVE …

Documents

Transcript of PEMANFAATAN TEKNOLOGI MEMBRANE CAPACITIVE …