SKRIPSI
advertisement
UNIVERSITAS INDONESIA SISTEM PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN REAKTOR GLOW DISCHARGE PLASMA ELECTROLYSIS DALAM LARUTAN KOH ETANOL SKRIPSI TAHER BATUBARA 0806456865 FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 UNIVERSITAS INDONESIA SISTEM PRODUKSI HIDROGEN MENGGUNAKAN REAKTOR GLOW DISCHARGE PLASMA ELECTROLYSIS DALAM LARUTAN KOH – ETANOL SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana TAHER BATUBARA 0806456865 FAKULTAS TEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA DEPOK JUNI 2012 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 iv Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas anugerah, hikmat, dan karunia-Nya saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi dengan judul “Sistem Produksi Hidrogen Menggunakan Reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis Dalam Larutan KOH - Etanol“ ini disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan akademis dalam meraih gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam penyusunan skripsi ini saya mendapatkan banyak bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Ir. Nelson Saksono, MT., selaku dosen pembimbing skripsi atas ide, saran, dan dana untuk menyelesaikan penelitian dan skripsi. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Widodo W. Purwanto, DEA., selaku kepala Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia. 3. Ibu Eva Fathul Karamah, ST, MT ., selaku pembimbing akademis. 4. Bapak dan Mama adek abang’ yang memberikan dukungan materi, doa, serta semangat yang selalu mengalir tiada henti kepada penulis. 5. POFT UI (Teman-teman pengurus, TKK, AKK, dan Tim Reg; Franz, Kristina, Ingrid) atas penghiburan dan pembinaannya. 6. Mbak Tiwi, Mang Ijal, Mas Eko, Mas Taufik serta seluruh staf dosen dan staf karyawan Teknik Kimia FT UI. 7. Victor Pinontoan selaku rekan penelitian serta rekan-rekan Teknik Kimia Universitas Indonesia angkatan 2008, yang telah memberikan dukungan moril dan sukacita dalam mengerjakan skripsi ini. Semoga makalah ini dapat memberikan manfaat kepada pembacanya. Kritik dan saran yang membangun penulis terima dengan senang hati. Depok, 03 Juli 2012 Penulis v Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia vi Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia ABSTRAK Nama : Taher Batubara Program Studi : Teknik Kimia Judul : Sistem Produksi Hidrogen Menggunakan Reaktor Glow Discharge Electrolysis Dalam Larutan KOH – Etanol. Elektrolisis plasma adalah salah satu teknologi yang menghasilkan gas hidrogen dalam jumlah besar dengan kebutuhan listrik yang rendah. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan gas hidrogen dalam jumlah besar dengan konsumsi listrik yang rendah dengan memvariasikan konsentrasi KOH dan aditif etanol, tegangan, dan posisi katoda. Penelitian berhasil mendapatkan produksi hidrogen hingga 55,35 mmol / menit dan konsumsi energi 1,135 kJ / mmol. Proses elektrolisis plasma akan lebih efektif jika dilakukan pada tegangan tinggi dengan posisi katoda tercelup hingga ujungnya menyentuh permukaan larutan. Kata kunci : Hidrogen, oksigen, KOH, elektrolisis plasma, tegangan, katoda ABSTRACT Name : Taher Batubara Study Program : Chemical Engineering Title : Hydrogen Production System By Glow Discharge Plasma Electrolysis Reactor with KOH – Etanol Soluton. Plasma electrolysis is one of the technologies that produce large quantities of hydrogen gas while lowering demand for electricity. The study did to get high quantity of hydrogen gas with low power consumption with variation of KOH concentration and additive ethanol, voltage, and the position of the cathode. The experiment results obtain the hydrogen production up to 55.35 mmol / min and the consumption energy of 1.135 kJ / mmol. Plasma electrolysis process more effective at high voltage and cathode immersed up to its end touching the surface solution. Key words : Hydrogen, oxygen, KOH, plasma electrolysis, voltage, cathode vii Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ......................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN .................................................................................... iv KATA PENGANTAR ............................................................................................... v HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ................................. vi ABSTRAK ................................................................................................................. vii DAFTAR ISI ............................................................................................................. viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. x DAFTAR TABEL ...................................................................................................... xii BAB I PENDAHULUAN ........................................................................................ 1 1.1. Latar Belakang ......................................................................................... 1 1.2. Perumusan Masalah ................................................................................. 2 1.3. Tujuan Penelitian ..................................................................................... 2 1.4. Batasan Masalah ...................................................................................... 2 1.5. Sistematika Penulisan ............................................................................. 3 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 4 2.1.Hidrogen ......................................................................................................... 4 2.2.Produksi Hidrogen........................................................................................... 4 2.3. Elektrolisis .................................................................................................... 6 2.3.1. Penggunaan Katoda Terhadap Pembentukan Hidrogen....................... 13 2.3.2. Penggunaan Anoda Terhadap Pembentukan Oksigen ........................ 14 2.4. Plasma .......................................................................................................... 15 2.4.1. Jenis Jenis Plasma .............................................................................. 16 2.4.2. Spesi Aktif Plasma Non-Termal ........................................................ 18 2.5. Elektrolisis Plasma ........................................................................................ 20 2.5.1. Larutan Etanol Sebagai Aditif Pada Elektrolisis Plasma NonTermal ............................................................................................... 21 2.5.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma Pijar ................................................................................................... 23 BAB III METODE PENELITIAN ........................................................................ 31 3.1. Penelititan ................................................................................................ 31 3.2. Alat dan bahan penelitian ......................................................................... 33 3.2.1. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................. 33 3.2.2. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian ................................................. 34 3.2.3. Peralatan Sumber Tegangan .............................................................. 35 3.2.4. Peralatan Pengambilan Data .............................................................. 36 3.2.5. Bahan Larutan Elektrolisis ................................................................ 38 3.3. Variabel penelitian ................................................................................... 38 3.4. Preparasi Bahan ........................................................................................ 39 3.5. Prosedur Penelitian .................................................................................. 39 3.5.1. Prosedur percobaan ........................................................................... 39 viii Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia 3.5.2. Metode Pengujian ............................................................................. 41 3.6. Hasil Uji Peralatan Sistem Produksi Hidrogen ......................................... 43 BAB IV PEMBAHASAN ......................................................................................... 45 4.1. Kondisi Operasi Elektrolisis Plasma ........................................................ 45 4.1.1. Penampilan Dari Elektrolisis Plasma ................................................. 45 4.1.2. Suhu ................................................................................................. 46 4.1.3. Konduktivitas ................................................................................... 47 4.1.4. pH ..................................................................................................... 47 4.1.5. Arus .................................................................................................. 48 4.2. Pengaruh Variabel – Variabel Penelitian ................................................... 49 4.3.1. Penentuan Larutan Uji Berdasarkan Variasi Konsentrasi Etanol ........ 49 4.3.2. Penentuan Larutan Uji Berdasarkan Variasi Konsentrasi KOH .......... 53 4.3.3. Variasi Jarak Katoda Terhadap Permukaan Larutan .......................... 56 4.3.4. Penentuan Kondisi Elektrolisis Plasma Pada Tegangan Tinggi ........... 60 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 65 DAFTAR REFERENSI ........................................................................................... 67 LAMPIRAN ............................................................................................................. 69 ix Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Pengaruh Tegangan Terhadap Konsumsi Energi (daya) Pada Berbagai Elektrolit Dalam Kondisi Konduktivitas = 11,55 mScm-1, Suhu = 337,15 K, Konsentrasi Metanol = 99,5% ..................................................................... 10 Gambar 2.2 Fenomena pembentukan gas Oksigen dan Hidrogen dalam Elektrolisis. ................................................................................................................ 11 Gambar 2.3. Pengaruh Tegangan Listrik Terhadap Pembentukan Konsentrasi Radikal OH Berdasarkan Fungsi Waktu Pada Konduktivitas Larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00..................................................................................................... 24 Gambar 2.4 Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan konsentrasi radikal OH berdasarkan fungsi waktu pada konduktivitas larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00............................................................................................................................. 25 Gambar 2.5. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap G(H2) Dari Larutan Etanol 99,5% Temperatur 303.15 K, Konduktivitas 5.6 mS cm-1 ........................................... 26 Gambar 2.6. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap Wr Dari Larutan Etanol 99,5% Temperatur 303.15 K, Konduktivitas 5.6 mS cm-1 ............................................ 26 Gambar 2.7. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan G(H2). Temperatur 303.15 K, Konduktifitas 5.6 mS cm-1 , Tegangan Discharge 1000 V ........................................... 27 Gambar 2.8 Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan Wr. Temperatur 303.15 K, Konduktifitas 5.6 mS cm-1, Tegangan Discharge 1000 V ............................................ 28 Gambar 2.9 Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00 ........................ 28 Gambar 2.10. Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal Hidrogen Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00 ........................ 29 Gambar 2.11 Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577 mS/cm ....................................................................................................................... 30 Gambar 3.1. Diagram Alir Riset Keseluruhan ............................................................ 32 Gambar 3.2. Peralatan Reaktor Elektrolisis Plasma Glow Discharge ........................... 34 Gambar 3.3. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian Yang Terdiri Dari 2 Buah Tabung Pendingin dan 1 Buah Absorber .................................................................... 35 Gambar 3.4. Peralatan Sumber Tegangan ................................................................... 36 x Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia Gambar 3.5. Peralatalan Pengambilan Data ................................................................ 37 Gambar 3.6. Konfigurasi Alat Penghasil Gas Hidrogen Dan Oksigen Elektrolisis Plasma ....................................................................................................................... 38 Gambar 3.7. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan .................................................................................................... 40 Gambar 4.1. Pijaran Plasma Dari Larutan KOH Dengan Additif Etanol ..................... 46 Gambar 4.2 Analogi Sirkuit Listrik Dari Resistansi Dalam Sistem Elektrolisis Air ..... 48 Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Laju Alir Gas H2 Pada Konsentrasi 0,05 M KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol .............................................................. 50 Gambar 4.4. Grafik Perbandingan Energi Yang Dibutuhkan Pada Konsentrasi 0,05 M KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol .................................................. 52 Gambar 4.5. Grafik Laju Alir Gas Hidrogen Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10% ....................................................................... 53 Gambar 4.6. Grafik Perbandingan Konsumsi Energi Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10% ................................................... 54 Gambar 4.7. Volume Plasma Yang Menghalangi Transfer Elektron Melalui Ion ........ 55 Gambar 4.8. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan .................................................................................................... 56 Gambar 4.9. Pijaran Plasma Yang Terbentuk Pada Variasi Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan .................................................................................................... 57 Gambar 4.10. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Konsumsi Energi dari Electrolyzer Pada Variasi Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan ......... 58 Gambar 4.11 Animasi Plasma yang Terbentuk di Reaktor GDPE Pada Variasi Ketinggian Katoda ..................................................................................................... 59 Gambar 4.12. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Energi Dari Elektrolisis Plasma Pada Tegangan Tinggi .................................................................................... 60 xi Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Beberapa Proses Pembuatan Gas Hidrogen ................................................. 5 Tabel 2.2. Parameter Kinetika Produksi Hidrogen Dari Berbagai Metal Katoda .......... 12 Tabel 2.3. Parameter Kinetika Produksi Oksigen Dari Berbagai Metal Anoda ............ 12 Tabel 2.4. Warna Plasma Yang Timbul Akibat Adanya Aliran Gas Tertentu ..............16 Tabel 2.5. Klasifikasi Plasma ..................................................................................... 18 Tabel 2.6. Energi-Energi Foton Dalam Spektrum Elektromagnetik ............................ 19 Tabel 2.7. Komposisi Gas Yang Dihasilkan Dari CGDPE Pada Beberapa Konenstrasi Etanol Pada Suhu = 303,15 K, Tegangan Discharge = 1000 V, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1 ...................................................................................... 20 Tabel 2.8. Produk CGDPE Larutan Etanol (Suhu = 303,15 K, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1). .............................................................................................................. 22 Tabel 2.9 Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDPE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303.15 K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktivitas 5.6 mS cm-1 ............................. 23 Tabel 2.10. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Anoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDPE) Dengan Variasi Tegangan Dischage. Temperatur 303.15 K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktifitas 5.6 mS cm-1 .......................................... 23 Tabel 4.1 Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303.15 K, Konsentrasi Etanol 99.5%, Konduktivitas 5.6 mS cm-1 ........................................... 51 Tabel 4.2. Perbandingan Produktifitas Gas Hidrogen Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan ........................................................................................................ 62 Tabel 4.3. Perbandingan Energi Elektrolisis Plasma Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan ........................................................................................................ 63 xii Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Hidrogen dipertimbangkan sebagai bahan bakar yang sangat penting dan menjanjikan baik dalam industri kimia maupun industri mesin. Hal ini karena hidrogen memiliki karakteristik kepadatan energi yang tinggi dan emisi yang rendah ketika dikonsumsi. Hidrogen juga digunakan dalam jumlah besar di industri kimia dan petroleum sebagai raw material atau sebagai reaktan yang esensial dalam banyak proses seperti pemurnian minyak, pembuatan metanol, pembuatan amonia, dll. Beberapa metode pembuatan gas hidrogen sudah dikembangkan seperti Steam Reforming, Gasifikasi Biomasa, Gasifikasi Batubara. Pirolisis, dll. Hingga saat ini, metode pembuatan gas hidrogen diatas masih mengalami kendala. Kendala utama pengembangan sumber energi alternatif terbarukan ini terletak pada produksi yang kecil, tingkat keekonomian yang masih jauh di bawah energi konvensional (energi dari bahan bakar hidrokarbon), dan emisi yang dihasilkan. Pembuatan hidrogen dengan metode elektrolisis plasma muncul untuk mengatasi kendala diatas. Teknologi elektrolisis plasma mirip dengan elektrolisis konvensional, tetapi dilakukan pada tegangan yang cukup tinggi untuk membentuk bunga api listrik dan plasma pada larutan. Produktivitas hidrogen yang dihasilkan melalui proses elektrolisis plasma jauh lebih besar dibandingkan proses elektrolisis Faraday. Pada proses elektrolisis konvensional, satu mol air dapat menghasilkan satu mol hidrogen dan setengah mol oksigen pada kondisi suhu 25 oC dan tekanan 1 atm dengan perubahan entalphi ( sebesar 285,83 kJ (Chaffin dkk, 2006). Elektrolisis plasma dengan menggunakan larutan KOH 0,1 M pada suhu 85 o C dan tegangan 300 V, mendapatkan peningkatan produksi hidrogen hingga 13,4 kali lebih besar dibanding proses elektrolisis Faraday untuk jumlah energi listrik yang sama (Saksono dan Bismo, 2010). 1 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia 2 Penelitian terhadap elektrolisis plasma terus dikembangkan untuk mendapatkan produksi hidrogen yang lebih besar dengan konsumsi energi yang rendah. Yan (2008) mendapatkan bahwa tegangan dan konsentrasi elektrolit berpengaruh terhadap produksi H2 dan konsumsi energi pada Glow Discharge Plasma Electrolysis. Penelitian ini dilakukan untuk mendapatkan produksi hidrogen yang lebih besar dengan konsumsi energi yang rendah dengan mengatur sedemikian rupa tegangan, konsentrasi larutan dan konfigurasi reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis. Diharapkan penelitian ini akan mendapatkan produksi hidrogen terbaik pada tegangan yang lebih tinggi dan konduktivitas larutan yang rendah. 1.2. Perumusan Masalah : Ruang lingkup masalah yang akan diselesaikan pada tulisan ini diantaranya adalah : 1. Bagaimana pengaruh tegangan terhadap produksi gas hidrogen dan konsumsi energi dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis. 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi KOH dan etanol terhadap produksi gas hidrogen dan konsumsi energi dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis. 3. Bagaimana pengaruh kedalaman katoda terhadap produksi hidrogen dan konsumsi energi di proses Glow Discharge Plasma Electrolysis. 1.3. Tujuan Penelitian : Tujuan penelitian yang dilakukan adalah untuk menguji dan mengetahui hubungan tegangan, konsentrasi KOH-etanol, serta kedalaman katoda terhadap kinerja dan produktivitas Glow Discharge Plasma Electrolysis dalam memproduksi hidrogen. 1.4. Batasan Masalah : Dalam makalah ini, pembahasan akan dibatasi pada : a. Larutan elektrolit yang digunakan adalah KOH dengan aditif etanol. b. Elektroda yang digunakan adalah logam Stainless steel (Anoda) dan Tungsten (Katoda). Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 3 c. Variabel bebas yang divariasikan meliputi tegangan, konsentrasi larutan kalium hidroksida (KOH), konsentrasi aditif etanol, dan kedalaman katoda. d. Produktivitas proses Glow Discharge Plasma Electrolysis hanya dilihat pada jumlah H2 dan O2 yang dihasilkan dan energi listrik yang dibutuhkan. 1.5. Sistematika Penulisan : Sistematika penulisan dalam makalah skripsi ini dilakukan dengan membagi tulisan menjadi tiga bab utama, yaitu : BAB I : PENDAHULUAN Meliputi latar belakang penelitian dan penulisan, perumusan masalah yang dibahas, tujuan dilakukannya penelitian, ruang lingkup penelitian, serta sistematika penulisan makalah ini. BAB II : TINJAUAN PUSTAKA Berisi tinjauan pustaka yang menjadi dasar penelitian yang meliputi plasma, elektrolisis konvensional, elektrolisis plasma, penggunaan etanol sebagai aditif larutan. BAB III : METODE PENELITIAN Berisi diagram alir penelitian, peralatan percobaan, bahan percobaan dan prosedur penelitian yang di dalamnya menjelaskan mengenai langkah-langkah yang dilakukan untuk mencapai tujuan penelitian. BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini berisi hasil dari penelitian yang telah dilakukan berdasarkan prosedur yang tertera di Bab III. Dalam bab ini juga terdapat analisis dan pembahasan dari hasil penelitian yang telah diperoleh. BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Berisi rangkuman keseluruhan atau kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan, serta mengacu pada hasil yang telah diperoleh. DAFTAR PUSTAKA Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Hidrogen Hidrogen adalah unsur kimia yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar pada konsentrasi serendah 4 % di udara bebas. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen berasal dari bahasa Yunani yaitu Hydro = air dan genes = pembentukan sehingga hidrogen bisa disebut sebagai unsur pembentuk air. Menurut American Nuclear Society (Juni 2012), kebutuhan dunia akan hidrogen sangat besar yaitu sekitar 5 juta ton per tahun. Hidrogen sebesar ini diperlukan dalam proses kimia seperti mengikat nitrogen dengan unsur lain dalam proses Haber bosch, produksi metanol, bahan bakar roket, memproduksi asam hidroklorida, mereduksi bijih-bijih besi dan sebagai gas pengisi balon, bahan bakar alternatif, pembentuk amonia, serta bahan oil refining dan oil upgrading. Hidrogen merupakan elemen paling melimpah di bumi (sepersepuluh masa bumi), namun sangat jarang ditemukan dalam bentuk H 2. Karena hidrogen di bumi sangat jarang ditemukan dalam bentuk H 2, maka dilakukanlah produksi hidrogen untuk mencukupi kebutuhan hidrogen dunia. Pada prinsipnya, hidrogen bisa diperoleh dengan memecah senyawa yang paling banyak mengandung unsur hidrogen. 2.2. Produksi Hidrogen Di awal perkembangan teknologi industri dengan menggunakan mesin, produksi hidrogen masih menggunakan hidrokarbon sebagai bahan utamanya. Metode untuk memproduksi hidrogen terus berkembang. Hidrogen dapat diproduksi dari berbagai bahan baku dan menggunakan beberapa teknologi seperti pada Tabel 2.1. di bawah. 4 Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 5 Tabel 2.1. Beberapa Proses Pembuatan Gas Hidrogen. Metode Proses Bahan Baku Energi Emisi Steam Reforming Gas alam, hidrokarbon ringan Steam bersuhu tinggi Emisi gas rumah kaca Gasifikasi Batubara, Hidrokarbon berat Steam dan oksigen pada tekanan dan suhu tinggi Emisi gas rumah kaca Gas Alam, Hidrokarbon ringan. Steam yang dibangkitkan dengan panas proses eksoterm Emisi gas rumah kaca Naptha dari oil refining Panas dari proses oil refiining Pirolysis Biomassa Steam bersuhu tinggi Thermochemical Water Splitting Air Panas bersuhu tinggi Tidak ada emisi Elektrolisis Air Listrik dari energi yang terbarukan Tidak ada emisi Autotermal Reformation (Oksidasi Parsial) Catalytic Reforming. Thermal Elektrolisis Elektrokimia Byproduct Recovery Biologi Air Thermal Catalytic Dry Reformation Metana, air, gas landfill Disosiasi Plasma Biomassa, gas alam Recover H2 dari berbagai proses (Tidak ada umpan spesifik untuk produksi hidrogen) Photobiologi Air dan alga Pencernaan anaerobik Fermentasi mikroorganisme Listrik dari bakar fosil bahan Panas (dari energi matahari atau sumber panas lain) Lisrik discharge) (plasma Emisi gas rumah kaca Emisi gas rumah kaca Emisi gas rumah kaca dan emisi lain dari bahan bakar fosil Emisi gas rumah kaca (tergantung dari feedstok) Tidak ada emisi Energi incremental untuk gas clean up dan compressi Tidak ada emisi Sinar matahari Tidak ada emisi Biomassa Steam bertemperatur tinggi Emisi gas rumah kaca dan emisi lain Biomassa Steam bertemperatur tinggi Emisi gas rumah kaca dan emisi lain Sumber : (Sustainable Development Technology Canada. (2006, November). Renewable Fuel — Hydrogen, SD Business Case™. Canada : Author. “ telah diolah kembali”) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 6 Proses termal seperti pada tabel diatas mampu menghasilkan hidrogen dalam jumlah yang besar, namun terkendala pada energi yang digunakan dan emisi yang dihasilkan. Proses elektrokimia tidak menghasilkan emisi namun jumlah hidrogen yang dihasilkan sedikit. Sedangkan proses biologi menghasilkan jumlah hidrogen yang sedikit dan penerapannya hanya bisa dilakukan dalam skala kecil. Berkembangnya sistem produksi energi yang ramah lingkungan membuat proses elektrolisis terus dimodifikasi agar menghasilkan hidrogen yang lebih besar. 2.3. Elektrolisis Elektrolisis adalah metode pemecahan molekul-molekul air menjadi atom- atom penyusunnya (hidrogen dan oksigen) dengan menggunakan arus listrik yang melewati 2 kutub elektroda. Teknologi elektrolisis yang umum digunakan adalah elektrolisis berbasis alkali (menggunakan larutan alkali). Pada elektrolisis, sebuah sumber listrik dihubungkan dengan dua elektroda atau 2 plat (umumnya terbuat dari platina atau kabon) yang diletakkan di dalam suatu larutan. Setelah proses dijalankan, maka air akan terpisah menjadi hidrogen dan oksigen. Hidrogen akan terkumpul di katoda (elektroda negatif) dan oksigen akan terkumpul pada anoda (elektoda positif). Gas hidrogen yang dihasilkan jumlahnya dua kali lipat dari gas oksigen yang dihasilkan dan keduanya proporsional dengan total energi listrik yang dialirkan melalui air. Melalui proses elektrolisis, idealnya satu mol air dapat menghasilkan satu mol hidrogen dan setengah mol oksigen pada suhu 25 oC dan 1 atm. Perubahan entalphi yang terjadi adalah 285,83 kJ sedangkan perubahan entropi ( T ΔS ) yang terjadi adalah 48,7 kJ. Energi yang diperlukan (disediakan oleh energi listrik dari luar sistem) untuk mengelektrolisis air hanya energi bebas Gibbs saja sebab perubahan entropi dapat diperoleh dari lingkungan. Oleh karena itu, energi yang dibutuhkan menjadi : ΔG = ΔH – TΔS (2.1) Energi istrik yang diperlukan untuk elektrolisis adalah 231,7 kJ / mol H 2 produk. Energi dalam jumlah yang cukup besar ini digunakan untuk mengatasi berbagai hambatan (energi aktivasi, resistansi listrik, resistansi transport dan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 7 resistansi reaksi kimia). Tanpa kelebihan energi, elektrolisis dari air murni akan berlangsung lambat. Hal ini disebabkan oleh kestabilan air secara termokimia yang menyebabkan susahnya air untuk terionisasi sendiri. Berdasarkan hasil eksperimennya, Michael Faraday menemukan beberapa kaidah perhitungan elektrolisis yang dikenal dengan hukum Faraday. Hukum I Faraday “Massa zat terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding dengan kuat arus / arus listrik yang mengalir pada elektrolisis tersebut”. Hukum II Faraday “Setiap larutan mendapatkan arus listrik yang sama sehingga dari setiap larutan akan dihasilkan massa zat yang akan sebanding dengan berat ekivalen masing-masing zat tersebut”. Arus listrik satu Faraday (1 F) didefinisikan sebagai jumlah arus listrik yang terdiri dari 1 mol elektron. Untuk menghitung jumlah zat-zat yang terbentuk di katoda dan di anoda, hukum Faraday dirumuskan sebagai berikut : W = e .F Dengan : (2.2) W = massa hasil elektrolisis (gram) e = massa ekuivalen hasil elektrolisis F = jumlah arus lisrik ( Faraday ) (2.3) ( ( (2.4) F (2.5) , Subsitusi Persamaan (2.2), (2.4), dan (2.5), didapatkan : (2.6) Atau untuk lebih mudah, sering digunakan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 8 (2.7) Dengan : i = kuat arus ( ampere ) t = waktu lamanya elektrolisis (detik) Berdasarkan hukum Faraday II diperoleh persamaan : (2.8) Dengan : m = massa zat ( gram) e = berat ekivalen = Perhitungan lebih mudah jika dilakukan dalam satuan mol, persamaan di atas bisa dimodifikasi menjadi : (2.9) Laju alir produksi hidrogen dan oksigen dihitung dari persamaan berikut : Untuk Hidrogen : (2.10) Untuk Oksigen : (2.11) Elektrolisis air tidak dapat mengkonversi 100 % energi listrik menjadi energi kimia pada hidrogen. Proses ini membutuhkan energi yang jauh lebih besar untuk mengaktifkan air agar dapat terionisasi. Jumlah energi yang diperlukan ini tidak sebanding dengan jumlah hidrogen yang dihasillkan. Dengan menggunakan metode elektrolisis biasa hanya sekitar 4 % produksi hidrogen yang dihasilkan dari air murni. Proses elektrolisis akan lebih baik jika menggunakan larutan elektrolit. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan listrik. Larutan elektrolit dibagi menjadi tiga golongan : a. Asam , seperti asam sulfat (H2SO4), asam nitrat (HNO3), asam klorida (HCl), Asam karboksilat (CH3COOH) , Asam Format (HCOOH), Asam Florida (HF), Asam Karbonat (H2CO3). Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 9 b. Basa , seperti natrium hidroksida (NaOH), kalium hidroksida (KOH), barium hidroksida [Ba(OH)2], Ammonium Hidroksida (NH4OH), metanol, etanol. c. Garam : hampir semua senyawa kecuali garam merkuri, K2CO3. Karakter elektrolit yang baik dalam elektrolisis lebih ditekankan pada mudah menghantarkan arus listrik serta karakter korosi yang dimilikinya. Dengan tujuan untuk meningkatkan konduktivitas larutan, elektrolit yang terdiri dari ion-ion dengan mobilitas tinggi secara umum digunakan di elektrolizer. Kalium Hidroksida adalah garam yang secara umum digunakan dalam elektrolisis air karena dapat mencegah korosi besar-besaran yang disebabkan oleh elektron. Selain itu dengan menggunakan larutan KOH, kemungkinan produksi hidrogen bisa ditingkatkan. Hal ini dikarenakan KOH dapat menyebarkan muatan listrik karena fungsinya sebagai zat dielektrikum, sehingga proses pemecahan air menjadi radikal-radikal yang selanjutnya bereaksi lanjut menghasilkan hidrogen dan oksigen menjadi optimal. Selain itu kalium berbeda dengan natrium yang tidak terurai selama proses elektrolisis, sehingga peran KOH dalam meningkatkan konduktivitas larutan tidak hilang selama reaksi. Energi yang dikonsumsi pada proses elektrolisis plasma menggunakan larutan KOH lebih rendah dibandingkan dengan energi yang dikonsumsi oleh larutan NaOH dan H2SO4 seperti pada Gambar 2.1. Hal ini menyebabkan elektrolisis menggunakan larutan KOH lebih disukai daripada menggunakan larutan NaOH dan H2SO4. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Konsumsi Energi (kJ / L) 10 Tegangan (V) Gambar 2.1. Pengaruh Tegangan Terhadap Konsumsi Energi (daya) Pada Berbagai Elektrolit Dalam Kondisi Konduktivitas = 11,55 mScm-1, Suhu = 337,15 K, Konsentrasi Metanol = 99,5 % Sumber : (Yan dkk, 2009) Pada saat aliran listrik mengalir dalam larutan elektrolit KOH akan terjadi reaksi 2.12. KOH (aq) . K+ + OH- (2.12) Reaksi reduksi terjadi pada air yang terdapat pada katoda yang bermuatan negatif dengan elektron (e-) dari katoda. Kemungkinan reaksi reduksi yang terjadi di katoda adalah reduksi air dan reduksi ion K+. 2H2O(l) + 2eK+(aq) + e H2(g) + 2 OH-(aq) K(s) Eo = - 0,83 V (2.13) Eo = - 2,92 V (2.14) Pada elektrolisis larutan yang mengandung ion-ion golongan IA (Na+, K+), ion-ion tersebut tidak tereduksi pada katoda tetapi air yang mengalami reduksi karena potensial reduksi air lebih besar dari potensial reduksi K. Kemungkinan reaksi oksidasi yang terjadi di anoda adalah oksidasi ion OHdan oksidasi air. 2H2O 4OH-(aq) 4H+ + O2 + 4e- O2(g) + 2H2O(l) + 4 e E° = -1.23 V (2.15) E° = -0.40 V (2.16) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 11 Oleh karena potensial oksidasi OH - lebih besar dari potensial oksidasi H2O, maka oksidasi OH- lebih mudah berlangsung. Elektrolisis larutan KOH akan menghasilkan gas hidrogen di katoda dan menghasilkan gas oksigen di anoda seperti reaksi di bawah ini : Katoda (reduksi) : 2H2O(l) + 2eAnoda (oksidasi) : 4OH-(aq) Reaksi total : ( H2(g) + 2 OH-(aq) (2.17) O2(g) + 2H2O(l) + 4 e- (2.18) ( ( (2.19) Eo = -1,23 V ; ΔH = 285, 83 kJ / mol Proses ionisasi dan pembentukan gas hidrogen dan oksigen pada elektrolisis dapat dilihat dengan jelas pada Gambar 2.2. di bawah. Gambar 2.2. menunjukkan bahwa di katoda air akan terpisah menjadi gas H2 dan ion OH-. Ion OH- akan bersirkulasi dari katoda menuju anoda dalam medan listrik yang disediakan oleh sumber daya. Ion OH - akan menuju permukaan anoda dan membentuk gelembung oksigen. Peristiwa pembentukan oksigen akan menghasilkan elektron. Elektron ini akan bermigrasi menuju katoda yang akan dipakai untuk memecah kembali air menjadi ion OH - dan H2. Gambar 2.2. Fenomena Pembentukan Gas Oksigen dan Hidrogen Dalam Elektrolisis. Sumber : (Ursúa dkk , 2012) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 12 Kinetika dari pembentukan hidrogen dan oksigen akan sangat bervariasi pada tiap-tiap elektroda. Zeng, K & Zhang D (2010) mengatakan bahwa laju reaksi elektrolisis dapat ditentukan dari arus atau densitas arus. Pletcher, D & Li, X (2011) mengatakan bahwa laju dari reaksi pembentukan hidrogen dan oksigen dalam elektrolisis plasma dapat dideskripsikan dengan persamaan Tafel (Persamaan 2.25). || | | (2.25) Dengan : = Densitas arus = adalah pertukaran densitas arus (dengan kata lain densitas arus yang sama dari parsial anoda dan katoda pada kesetimbangan potensial). = overpotensial yang digunakan ( = E - ) = Tafel slope. Nilai tafel slope akan berbeda pada suhu dan densitas arus yang berbeda seperti pada Tabel 2.2. dan Tabel 2.3. Tabel 2.2. Parameter Kinetika Produksi Hidrogen Dari Berbagai Metal Katoda. Material Metal Ni Fe Pb Zn Co Pt Au Elektrolit Suhu (oC) (Am-2) Tafel Slope (mV) 1 M NaOH 2 M NaOH 6 N NaOH 6 N NaOH 0,5 M NaOH 0,1 N NaOH 0,1 N NaOH 20 20 25 25 25 22 25 1,1 x 10-2 9,1 x 10-2 4 x 10-2 8,5 x 10-6 4,0 x 10-3 4,0 4,0 x 10-2 121 133 121 124 118 105 120 Sumber : (Zeng, K & Zhang D, 2010) Tabel 2.3. Parameter Kinetika Produksi Oksigen Dari Berbagai Metal Anoda. Metal Pt Ir Rh Ni Co Fe Elektrolit 30% KOH 1 N NaOH 1 N NaOH 50% KOH 30% KOH 30% KOH Suhu (oC) 80 N/A N/A 90 80 80 io (Am-2) 1,2 x 10-5 1,0 x 10-7 6,0 x 10-8 4,2 x 10-2 3,3 x 10-2 1,7 x 10-1 Tavel Slope (mV) 46 40 42 95 126 191 Sumber : (Zeng, K & Zhang D, 2010) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 13 Selain dikenali dari densitas arus nya, laju reaksi dari elektroda juga dipengaruhi oleh : 1. Kondisi atau properties dan perlakuan pada permukaan elektroda. 2. Laju reaksi dipengaruhi oleh komposisi larutan elektrolit yang berdekatan dengan elektroda. Ion tersebut dalam larutan dekat elektroda dengan layer/ batasan di bawah pengaruh elektroda diketahui sebagai double layer. Sebagai contoh untuk katoda, muatan layer dibentuk dari ion hidroksil dan ion kalium berdasarkan muatan elektroda seperti di Persamaan (2.13) dan (2.14). 3. Laju alir yang bergantung dari elektroda potensial, dikenali dari reaksi overpotensial. 2.3.1. Penggunaan Katoda Terhadap Pembentukan Hidrogen. Mekanisme dari pembentukan hidrogen di katoda secara luas diterima sebagai multiple reaction yang melibatkan pembentukan hidrogen teradsorbsi: (2.26) Yang selanjutnya diikuti dengan desorpsi kimia. (2.27) Atau desorpsi elektrokimia (2.28) Dengan huruf kecil “ads” menunjukkan status “adsorbed”. Adalah penting untuk mengetahui tahap penentu laju (rate determining step) dalam reaksi pembentukan hidrogen di atas. Jika adsorpsi hidrogen pada Persamaan 2.26 adalah tahap penentu laju (rate determining step), maka penggunaan material elektroda dengan banyak tepi atau berlubang-lubang akan membuat lebih banyak pusat elektrolisis untuk adsorpsi hidrogen. Jika desorpsi hidrogen pada Persamaan 2.27 dan Persamaan 2.28 adalah tahap penentu laju, maka penggunaan material dengan properties seperti kekasaran permukaan atau perforasi akan meningkatkan area reaksi dan mengurangi pertumbuhan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 14 gelembung sehingga akan meningkatkan laju elektrolisis. Peningkatan tegangan juga akan membuat laju adsorpsi akan lebih besar dari laju desorpsi, sehingga Persamaan 2.26 akan menjadi tahap penentu laju (Zeng, K & Zhang D, 2010). Pembentukan hidrogen juga dipengaruhi oleh properties elektroda, jenis dan konsentrasi elektrolit serta suhu reaksi Penelitian terhadap katoda selama ini masih bertahan di stabilitas termal dan stabilitas penampakan elektroda (terang, warna, permukaan). Di samping korosi, elektroda akan mengalami perubahan permukaannya pada kondisi ; absorpsi hidrogen dalam struktur katalis ; adsorpsi organik dari kotoran-kotoran dalam air atau elektrolit ; atau ekstraksi dari komponen komponen dalam reaktor – seperti polimer atau membran) menuju ke permukaan katalis ; dan endapan dari metal di permukaan katoda (misalnya besi). 2.3.2. Penggunaan Anoda Terhadap Pembentukan Oksigen. Mekanisme reaksi pembentukan oksigen lebih komplek jika dibandingkan dengan reaksi yang disarankan untuk pembentukan hidrogen. Beberapa teori yang disajikan dan didiskusikan dalam literatur dan mekanismenya diterima secara umum melibatkan tahapan sebagai berikut : (2.29) (2.30) (2.31) Salah satu tahapan perpindahan muatan dalam anoda adalah laju pengontrol (rate controlling). Jika Persamaan 2.29 adalah tahap penentu laju, maka reaksi akan berlangsung dalam suhu rendah. Jika Persamaan 2.31 adalah tahap penentu laju, maka reaksi akan berlangsung dalam suhu tinggi pada elektroda nikel (Zeng, K & Zhang D, 2010). Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 15 Arus listrik langsung (DC) digunakan unuk menjaga keseimbangan muatan dan aliran elektron dari sumber arus DC (terminal negatif) ke katoda ketika elektron digunakan oleh ion hidrogen (proton) untuk membentuk hidrogen. Untuk menjaga muatan listrik (valensi) dalam keadaan seimbang, ion hidroksida (anion) mengalir melalui larutan elektrolit menuju anoda, yang mana ion hidroksida ini memberikan kembali elektron. Elektron ini akan kembali ke terminal positif dari sumber DC (Ursúa dkk, 2012). Akan tetapi elektrolisis air yang digunakan sebagai metode untuk menghasilkan hidrogen sampai saat ini mempunyai kelemahan yang cukup signifikan yaitu rendahnya konversi yang dihasilkan dari proses elektrolisis dan kebutuhan arus listrik yang tinggi saat operasi sedang berlangsung 2.4. Plasma Plasma dapat dikategorikan sebagai bentuk ke-empat dalam klasifikasi material selain padat, cair, dan gas karena plasma memiliki bentuk seperti gas, namun plasma memiliki konduktivitas yang cukup tinggi dalam daerah elektromagnetiknya sama seperti padatan dan cairan. Plasma dapat didefinisikan sebagai gas yang terionisasi sebagian dalam perbandingan antara elektron bebas dibandingkan dengan yang terikat pada atom atau molekul. Plasma juga memiliki kemampuan untuk mengeluarkan arus positif dan negatif sehinga sangat konduktiv dan terpengaruh dengan medan magnet. Plasma adalah aliran gas terionisasi, yang merupakan campuran dari elektron, ion dan partikel netral, namun muatan keseluruhannya adalah netral. Pada keadaan ini, gas mempunyai viskositas seperti liquid pada tekanan atmosferik dan muatan listrik bebas memberikan konduktivitas listrik relatif tinggi yang besarnya mendekati konduktivitas logam. Tingkat ionisasi plasma adalah proporsi dari atom-atom yang kehilangan atau mendapatkan elektron dan biasanya dikendalikan oleh suhu. Teknologi plasma melibatkan pembentukan bunga api listrik dengan melewatkan arus listrik melalui suatu gas dalam proses yang disebut pemutusan listrik (electrical breakdown). Sejumlah panas dalam jumlah yang signifikan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 16 dihasilkan oleh tahanan listrik sepanjang sistem. Panas ini mengambil elektron dari molekul-molekul gas menghasilkan suatu aliran gas yang terionisasi atau plasma (Gomez dkk, 2009). Gas yang mengalir ini akan membuat plasma tampak berwarna. Setiap gas yang terionisasi dan membentuk plasma akan menghasilkan warna tersendiri seperti pada Tabel 2.4. Tabel 2.4. Warna Plasma Yang Timbul Akibat Adanya Aliran Gas Tertentu. Gas yang mengalir Warna plasma yang timbul CF4 Biru SF6 Biru putih H2 Merah muda O2 Kuning pucat Ne Merah bata Ar Merah tua N2 Merah menuju kuning CO2 Keputihan atau biru-putih yang cukup terang Ungu kemerahmudaan dan makin cerah jika arus Udara bertambah Sumber : Barros, 2008; http://www.plasma.de/en/glossary-entry-486.html. 2.4.1. Jenis – jenis plasma Jenis-jenis plasma yang digunakan dalam proses-proses industri meliputi plasma termal dan plasma non-termal. Plasma termal (plasma suhu tinggi): densitas energi tinggi, kesamaan suhu antara partikel berat (atom, molekul, ion) dan elektron. Karena mobilitas yang jauh lebih tinggi, energi yang diberikan kepada plasma ditangkap oleh elektron yang dipindahkan ke partikel-partikel berat dengan tumbukan elatis. Jika densitas jumlah elektron tinggi dikaitkan dengan operasi pada tekanan atmosferik, maka frekuensi tumbukan elastis sangat tinggi dan kesetimbangan termal tercapai dengan cepat. Plasma termal membutuhkan listrik dengan tegangan yang sangat tinggi (>1kW) yang menyebabkan kenaikan suhu pada elektron yang sangat tinggi dan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 17 membuat spesi netral menjadi 5.000 – 10.000 K. Oleh karena itu diperlukan pendingin untuk mencegah elektroda menguap pada suhu setinggi itu (Bromberg dkk, 1999). Contoh plasma termal adalah plasma dari arus DC atau radio frequency (RF) inductively coupled discharges (Kogelschatz, 2004). Plasma non-termal (plasma dingin): densitas energi lebih rendah, terdapat perbedaan suhu besar antara elektron dan partikel yang lebih berat. Elektron dengan energi yang cukup bertumbukan dengan gas latar (background) menghasilkan disosiasi, eksitasi dan ionisasi tingkat rendah tanpa peningkatan entalpi gas yang cukup besar. Hasilnya, suhu elektron melampaui suhu partikel-partikel berat hingga beberapa derajat perpangkatan dan karenanya memungkinkan untuk mempertahankan suhu keluaran (discharge) pada suhu yang jauh lebih rendah, bahkan pada suhu ruang. Plasma jenis ini menghasilkan spesi-spesi aktif yang lebih beragam, dan atau lebih besar energinya dibandingkan dengan spesi yang biasa dihasilkan pada reaktor kimia. Plasma jenis ini dihasilkan dalam berbagai jenis seperti pancaran pijar (glow discharge), corona discharge, dan dielectric barrier discharge yang mempunyai densitas energi berkisar antara 10-4 hingga puluhan watt per cm-3. (Roth, 2001). Pada plasma non-termal ini hanya elektron yang bersuhu tinggi (>5000K), sedangkan suhu bulk tidak naik secara signifikan (Yan dkk, 2006). Karena hanya elektron yang tereksitasi, sehingga energi dibutuhkan hanya beberapa ratus Watt daya listrik (T. Paulmier dan L. Fulcheri, 2005). Plasma non-termal dikatakan sebagai plasma non-equilibrium karena suhu bulk-nya berbeda jauh dengan suhu elektron. Oleh karena itu, plasma jenis ini lebih cocok digunakan mengingat suhu kerjanya berada tidak jauh dari temperatur ruang, selain itu plasma non-termal ini menghasilkan spesi-spesi radikal yang membuat mekanisme reaksi tidak seperti biasanya, yaitu pengaktifan reaksi dengan pemanasan. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 18 Klasifikasi plasma berdasarkan perbedaan temperatur elektron, ion , dan neutron nya seperti penjelasan diatas secara ringkas dapat dibuat kedalam Tabel 2.5. Tabel 2.5. Klasifikasi Plasma Plasma Keadaan Contoh Plasma Temperatur Tinggi (Equilibrium Plasma) Te = Ti = Th, Tp = 106108 K, ne ≥ 1020 m-3 Laser Fusion Plasma Plasma Temperatur Rendah (Quasi – Equilibrium Plasma) Te ≈ Ti ≈ Th, Tp = 2x103 – 3x104 K, ne ≥ 1020 m-3 Arc plasma ; Atmospheric RF discharge Plasma Non Termal (Non – Equilibrium Plasma) Te≥Th, Tp ≈ 3 x 102 – 4x102 K, ne ≈ 1010 m-3 Corona Discharge, Contact Glow Discharge, DBD, Microwave Plasma Keterangan ; Te = Temperature electron, Ti = Temperature ion, Th = Temperatur neutron, Tp = Temperatur plasma, ne= densitas elektron. Sumber : (Huang & Tang, 2007) 2.4.2. Spesi Aktif Plasma Non-Termal Spesi aktif yang dihasilkan plasma biasanya dihasilkan dalam jumlah yang lebih besar dan mencapai konsentrasi yang lebih tinggi daripada spesi yang sama yang dihasilkan dalam reaktor kimia konvensional. Spesi aktif ini biasanya dihasilkan dari discharge pijar (torc) atau plasma pancaran (arc) yang terdiri dari foton, spesi netral, dan partikel bermuatan (Roth, 2001). Foton Foton dihasilkan dalam spektrum panjang gelombang yang luas pada spektrum elektromagnetik seperti disarikan dalam Tabel 2.6 di bawah. Dalam spektrum elektromagnetik infra merah, energi foton infra merah terlalu rendah untuk berinteraksi dengan gas kerja dan membangkitkan radiasi dari plasma. Foton jenis ini mengandung energi di bawah 1,7 eV dan kebanyakan mempunyai efek umum yang sama dengan dinding panas atau reaksi-reaksi kimia biasa. Foton sinar tampak mempunyai energi yang lebih besar, berkisar antara 1,6 sampai 3,3 eV. Foton ini Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 19 dapat memutuskan beberapa ikatan molekular dan mengeksitasi atomatom dengan resonansi pada spektrum tampak. Foton ultraviolet lebih tinggi energinya, berkisar dari 3,1 sampai 95 eV, dan dapat mengionisasi dan mengeksitasi atom-atom, menggunting molekul-molekul hidrokarbon panjang, dan memutus ikatan-ikatan molekular membentuk potongan-potongan molekular yang lebih kecil. Tabel 2.6. Energi-Energi Foton Dalam Spektrum Elektromagnetik Daerah Spektral Kisaran panjang gelombang (nm) Kisaran Energi (eV) Infra merah 730 ≤ λ ≤ 106 0,00124 ≤ E’ ≤ 1,70 Tampak 380 ≤ λ ≤ 730 1,59 ≤ E’ ≤ 3,26 Ultraviolet 13 ≤ λ ≤ 397 3,12 ≤ E’ ≤ 95,3 Sumber : (Roth, 2001) Spesi Netral Melalui tumbukan elektron netral dan reaksi kimia dalam plasma, plasma dapat menghasilkan beberapa jenis spesi-spesi netral aktif yang mempunyai energi dan mampu berinteraksi dengan permukaan. Diantaranya adalah atom-atom reaktif; spesi-spesi atomik yang sangat reaktif secara kimiawi seperti H, O, F, Cl, dan lain-lain; monomer yang membentuk cabang-cabang polimerik pada permukaan yang disentuhnya; potongan-potongan molekular yang relatif ringan, yang dapat membentuk senyawa kompleks pada permukaan dan atau mendorong pencabangan atau cross-linking molekul-molekul yang dekat permukaan; atom tereksitasi atau kondisi molekular, dimana eksitasi elektron orbital membuat spesi-spesi menjadi lebih reaktif secara kimiawi daripada keadaan normal; radikal bebas, potongan molekular yang dihasilkan dalam plasma dengan sekurang-kurangnya satu elektron yang tidak berpasangan. Semua spesi aktif ini dapat berinteraksi kuat dengan permukaan. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 20 2.5. Elektrolisis Plasma. Dalam beberapa tahun terakhir, aplikasi glow discharge plasma sudah dikembangkan secara pesat. Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE) merupakan jenis proses elektrokimia yang plasmanya di sokong oleh arus DC antara elektroda dan permukaan elektrolit. Fenomena plasma dalam elektrolisis plasma terjadi karena elektrolisis plasma dilakukan pada tegangan tinggi yang menyebabkan loncatan bunga api listrik di dalam larutan. Loncatan bunga api listrik ini disebabkan adanya elektron yang tereksitasi pada larutan yang mempunyai konduktivitas yang cukup tinggi Karena plasma terbentuk di dalam uap larutan yang berada di sekitar elektroda, komposisi larutan dapat mempengaruhi reaksi plasma di gas selama Glow Discharge Plasma Electrolysis (GDPE) berlangsung. Contohnya adalah perbedaan komposisi penambahan etanol dalam larutan terhadap produksi gas H2 dan gas produk lainnya pada Tabel 2.7. (Yan, 2008). Tabel 2.7. Komposisi Gas Yang Dihasilkan Dari CGDE Pada Beberapa Konenstrasi Etanol Pada Suhu = 303,15 K, Tegangan Discharge = 1000 V, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1. Konsentrasi Etanol (V%) 99,5 75 40 15 10 5 H2 (mol%) CO (mol%) CH4 (mol%) C2H6 (mol%) C3H8 (mol%) CO2 (mol%) C4H10 (mol%) 81,28 81,76 83,13 84,02 85,22 85,32 4,68 5,03 5,20 5,61 5,74 6,03 5,29 4,21 4,06 3,41 3,32 2,59 2,06 2,70 2,98 3,10 2,48 2,17 5,23 4,85 2,90 1,30 0,54 0,20 0,00 0,00 0,69 1,65 2,07 3,23 1,46 1,45 1,04 0,91 0,63 0,46 Sumber : (Yan, 2008) Jumlah oksigen dan hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis plasma melebihi hukum Faraday (elektrolisis konvensional). Biasanya pembentukan plasma dapat dibentuk jika tegangan ditingkatkan hingga 140 V pada suhu yang tinggi (Hickling dan Ingram, 1964). Produksi hidrogen dalam larutan KOH 0,1 M pada suhu 85 oC dan tegangan 300 V, mengalami peningkatan hingga 13,4 kali lebih besar dibanding Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 21 proses elektrolisis Faraday untuk jumlah energi listrik yang sama (Saksono dan Bismo, 2010). Proses elektrolisis plasma pada dasarnya adalah proses elektrolisis, namun dengan menaikkan tegangan elektroda hingga terbentuk bunga api listrik (plasma) dalam larutan. Plasma menyebabkan disosiasi homolitik molekul air menghasilkan atom hidrogen (H*) dan radikal hidroksil (OH*) yang pada akhirnya akan meningkatkan pemutusan molekul air menjadi H2 dan O2 (air splitting). 2.5.1. Larutan Etanol Sebagai Aditif Pada Elektrolisis Plasma NonTermal Konsumsi energi selama elektrolisis air secara signifikan berkurang oleh keadaan campuran pengakitvasi meskipun jumlahnya sedikit oleh pengaruh aktivator ionik. Peningkatkan efisiensi dengan menggunakan elektrolit untuk meningkatkan transfer ionik dengan menggunakan ditif pada elektrolit masih bisa dilakukan. Di lain hal, penggunaan aditif elektrolit dapat memainkan affinitas antara elektrolit dan elektroda serta membantu memanajemen perilaku gelembung (Zeng, K & Zhang D, 2010). Etanol (C2H5OH) dapat diaplikasikan sebagai aditif elektrolisis. Reaksi dekomposisi etanol dari percobaan yang dilakukan Li dkk (2004) dapat dilihat dibawah ini : (2.29) (2.30) (2.31) (2.32) Percobaan elektrolisis plasma dengan larutan dielektrikum berupa etanol yang dilakukan Yan, (2008) menghasilkan ion-ion seperti H+, CH3CH2OH+, CH3CH2+, CH2CH2OH+,CH3OH+, CH2OH+. Produk yang dihasilkan oleh Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 22 Glow Discharge Plasma Electrolysis pada variasi konsentrasi etanol dapat dilihat pada Tabel 2.8. Tabel 2.8. Produk CGDE Larutan Etanol (Suhu = 303,15 K, Konduktivitas = 5,6 mS cm-1). Konsentrasi Etanol (W%) Tegangan Muatan (V) Polaritas Muatan Produk 99,5 1000 Anoda C, HCHO, CH3CHO, (CH3CHOH)2, CH3COOH, H2, C2H6, CH4, C3H8, C4H10. 75 1000 Anoda H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO. 40 1000 Anoda H2, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10,CO2, CO. 99,5 1000 Katoda H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O, (CH3CHOH)2, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO. 75 1000 Katoda H2, C, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO. 40 1000 Katoda H2, HCHO, CH3CHO, H2O, HCOOH, CH3COOH, C5H12, C2H6, CH4, C3H8, C4H10, CO, CO2. Sumber : (Yan, 2008) Ketika level energi elekton untuk menginisiasi dekomposisi etanol meningkat, jalur reaksi molekul etanol akan menjadi lebih kompleks. Pemisahan ikatan C-C pada molekul etanol dapat menghasilkan CH3 radikal dan kemudian akan membentuk CH4 atau gas paraffin. Tegangan yang semakin tinggi akan meningkatkan komposisi CH4 yang dihasilkan. Komposisi gas yang dihasilkan pada variasi tegangan disajikan pada Tabel 2.9. dan Tabel 2.10. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 23 Tabel 2.9. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303,15 K, Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktivitas 5,6 mS cm-1 Discharged Voltage (V) H2 (mol %) CO (mol %) CH4 (mol %) C2H6 (mol %) C3H8 (mol %) C4H10 (mol%) 500 600 700 800 900 1000 80,84 80,96 81,28 81,92 82,81 82,67 4,77 4,88 4,68 5,04 4,01 4,17 4,74 5,49 5,29 5,15 5,28 5,22 1,81 2,46 2,06 2,43 2,48 2,65 6,19 4,87 5,23 4,42 4,24 4,08 1,65 1,34 1,46 1,04 1,18 1,21 Sumber : (Yan, 2008) Tabel 2.10. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Anoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Dischage. Temperatur 303,15 K, Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktifitas 5,6 mS cm-1 Discharged Voltage (V) H2 (mol %) CO (mol %) CH4 (mol %) C2H6 (mol %) C3H8 (mol %) C4H10 (mol%) 500 600 700 800 900 1000 71,37 72,11 73,04 73,33 73,50 74,16 3,97 4,86 4,91 4,79 4,84 5,02 12,13 8,87 8,53 8,42 7,93 6,98 3,31 4,91 4,22 4,08 4,35 4,64 7.43 6,79 6,80 6,83 6,77 6,52 1,79 2,46 2,50 2,55 2,61 2,68 Sumber : (Yan, 2008) Energi ikatan O-H di H2O adalah 497,1 kJ/mol, yang lebih besar dari ikatan C-H di dalam etanol (95,18 kJ/mol) sehingga molekul etanol lebih reaktif daripada molekul air. Etanol dioksidasi oleh radikal hidroksida (OH*) dari elektrolisis plasma menghasilkan HCHO, H2 dan asam format atau CO2 (dengan komposisi yang kecil) seperti Tabel 2.9 dan Tabel 2.10. 2.5.2. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Elektrolisis Plasma Pijar Ada beberapa faktor yang mempengaruhi pembentukan radikal OH* dan H* larutan elektrolit dengan teknologi elektrolisis plasma. Faktor-faktor tersebut adalah sebagai berikut: Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 24 a. Pengaruh tegangan listrik Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan OH* dan H* dapat dilihat pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4. Gambar 2.3. dan Gambar 2.4. menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan listrik yang digunakan dalam elektrolisis plasma, konsentrasi radikal *OH maupun *H yang terbentuk akan semakin tinggi. Hal ini diakibatkan karena energi yang digunakan untuk mengeksitasi elektron pada tegangan discharge yang tinggi akan meningkatkan jumlah radikal yang dihasilkan. Akibatnya semakin tinggi tegangan listrik yang dipakai, pembentukan radikalnya pun semakin besar. Gambar 2.3. Pengaruh Tegangan Listrik Terhadap Pembentukan Konsentrasi Radikal OH Berdasarkan Fungsi Waktu Pada Konduktivitas Larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00. Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 25 Gambar 2.4. Pengaruh tegangan listrik terhadap pembentukan konsentrasi OH* berdasarkan fungsi waktu pada konduktivitas larutan 4,577 mS/cm dan pH 3,00. Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Penelitian serupa yang dilakukan Yan (2008) pada larutan etanol menunjukkan sedikit perbedaan dengan penelitian yang dilakukan oleh Gao Jinzang (2008). Gao Jinzang (2008) melakukan penelitian dengan memvariasikan tegangan discharge. Tegangan discharge membuat plasma terbentuk hanya di katoda atau di anoda. Perbandingan gas hidrogen yang dihasilkan di anoda dengan di katoda pada perbedaan tegangan discharge dapat dilihat di Gambar 2.5. Gao Jinzang (2008) mendapati bahwa semakin tinggi tegangan discharge elektrolisis plasma, maka jumlah hidrogen yang dihasilkan di katoda akan jauh lebih banyak dibandingkan dengan jumlah hidrogen yang dihasilkan di anoda (Gambar 2.5). Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 26 Gambar 2.5. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap G(H2) Dari Larutan Etanol 99,5% Temperatur 303,15 K, Konduktivitas 5,6 mS cm-1 Sumber : (Yan, 2008) Sedangkan pengaruh tegangan discharge terhadap konsumsi energi yang terjadi di katoda discharge dan di anoda discharge dapat dilihat pada Gambar 2.6.. Gambar 2.6. menunjukkan bahwa konsumsi energi menurun dengan peningkatan tegangan discharge. Gambar 2.6. Pengaruh Tegangan Discharge Terhadap Wr Dari Larutan Etanol 99,5% Temperatur 303,15 K, Konduktivitas 5,6 mS cm-1 Sumber : (Yan, 2008) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 27 b. Pengaruh konsentrasi etanol Pengaruh konsentrasi etanol terhadap perbandingan jumlah mol H 2 yang dihasilkan melalui elektrolisis plasma dengan elektrolisis konvensional (G(H2)) dapat dilihat di Gambar 2.7. Gambar 2.7. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan G(H2). Temperatur 303,15 K, Konduktifitas 5,6 mS cm-1 , Tegangan Discharge 1000 V Sumber : (Yan, 2008) Gambar 2.7. menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi etanol, maka G (H2) yang dihasilkan akan semakin besar. Konsentrasi etanol dalam larutan akan membuat konsentrasi air yang melingkupi gas dalam plasma meningkat. Peningkatan konsentrasi uap air di dalam volume plasma akan meningkatkan produksi ion hidroksida dan ion hidrogen. Elektron berenergi tinggi akan memutuskan ikatan hidrogen dan oksigen dalam air dan menghasilkan gas hidrogen dan gas oksigen. Hal ini membuat konsentrasi etanol dapat meningkatkan produksi hidrogen. Sedangkan pengaruh konsentrasi etanol terhadap konsumsi energi dalam elektrolisis plasma dapat dilihat pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi etanol, konsumsi energi dalam elektrolisis plasma semakin kecil. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 28 Gambar 2.8. Hubungan Konsentrasi Etanol Dengan Wr. Temperatur 303.15 K, Konduktifitas 5.6 mS cm-1, Tegangan Discharge 1000 V. Sumber : (Yan, 2008) c. Pengaruh konduktivitas larutan Pengaruh konduktivitas larutan terhadap pembentukan OH* dan H* dapat dilihat di Gambar 2.9 dan Gambar 2.10. Gambar 2.9. Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00. Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 29 Gambar 2.10. Pengaruh Konduktivitas Larutan Terhadap Pembentukan Radikal Hidrogen Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 V dan pH 3,00. Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Gambar 2.9. dan Gambar 2.10. menunjukkan semakin besar konduktivitas larutan, radikal OH* dan H* yang terbentuk semakin besar. Hal ini dikarenakan dengan konduktivitas yang tinggi, elektron - elektron bisa bergerak dengan lebih mudah dibanding larutan yang konduktivitasnya rendah. Akibatnya, peluang/probabilitas terjadinya tumbukan antara elektron dengan elektron pada molekul juga semakin besar, sehingga pembentukan radikal pun juga akan terjadi dengan lebih baik. d. Pengaruh pH larutan Pengaruh pH larutan terhadap pembentukan OH* dan H* dapat dilihat pada Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 di bawah. Gambar 2.11. dan Gambar 2.12. menunjukkan bahwa pembentukan radikal OH* maupun H* paling tinggi terjadi ketika pH larutan sekitar 3. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 30 Gambar 2.11. Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidroksil Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577 mS/cm Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Gambar 2.12. Pengaruh pH Awal Terhadap Pembentukan Radikal Hidrogen Terhadap Fungsi Waktu Pada Tegangan 560 Volt dan Konduktivitas 4,577 mS/cm Sumber : (Gao Jinzhang dkk, 2008) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 BAB 3 METODE PENELITIAN Bagian ini membahas berbagai hal yang berhubungan dengan rancangan penelitian yang akan dilakukan, alat dan bahan yang dibutuhkan dalam melakukan penelitian, dan prosedur yang dilakukan untuk penelitian ini. 3.1. Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimental dengan rangkaian urutan kegiatan sebagai berikut : Memilih subjek penelitian Melakukan studi literatur Melakukan perancangan generator hidrogen dan oksigen Pada tahap ini dilakukan uji kinerja alat yang meliputi: produksi hidrogen dan oksigen, konsumsi listrik, dan stabilitas proses produksi H2 dan O2. Variabel proses yang akan divariasikan adalah tegangan listrik dan konsentrasi aditif etanol. Melakukan instalasi alat uji Melakukan pengujian eksperimen Mengumpulkan dan mengolah data – data yang diperoleh serta mengevaluasinya. Mempresentasikan hasil penelitian dalam bentuk grafik-grafik dan kemudian melakukan analisis. Diagram alir penelitian secara keseluruhan dapat dilihat di Gambar 3.1. berikut. 31 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia 32 Mulai Studi Pustaka Menyusun Rangkaian Listrik Merangkai Reaktor Preparasi Bahan Uji Pendahuluan Reaktor Elektrolisis Plasma Non-Termal Pengaruh Variasi Proses (Variabel bebas): 1. 2. 3. 4. 5. Suhu reaktor Larutan 80-85 oC Tegangan 300-700 V Konsentrasi aditif Etanol (5 %, 10 %, 15 %). Konsentrasi KOH (0,03 M, 0,05 M, 0,1 M) Perbedaan kedalaman katoda Mendapatkan data hasil pengujian alat GHO (Variabel terikat) : 1. 2. 3. Laju alir produk H2 + O2 Komposisi H2 Konsumsi daya / energi Pembahasan dan Kesimpulan Selesai Gambar 3.1. Diagram Alir Riset Keseluruhan Sumber : (Mardiansyah, 2011) telah diolah kembali. Mardiansyah (2011) sudah melakukan penelitian yang serupa menggunakan variasi konsentrasi larutan KOH 0,05 M dan 0,1 M dengan aditif etanol 5 % dan 10 %, menggunakan tegangan hingga 300 volt. Yang membedakan penelitian ini dengan penelitian sebelumnya adalah menggunakan larutan KOH dengan konsentrasi yang lebih rendah (0,03 M), menggunakan tegangan tinggi (hingga 700 Volt), dan dengan memvariasikan kedalaman katoda di dalam reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 33 3.2. Alat dan Bahan Penelitian Peralatan uji yang digunakan pada penelitian ini antara lain : 3.2.1. Peralatan Reaktor Glow Discharge Elektrolysis Housing Filter sebagai tempat terjadinya elektrolisis plasma dengan diameter 8 cm dan tinggi 25 cm. House filter ini biasa digunakan untuk proses filtrasi air dengan membran. Elektroda stainless steel sebagai anoda. Elektroda ini berbentuk pipa dengan tipe SS 316 G dengan diameter dalam 1/4 ” dan diameter luar 10 cm dan panjang 2 meter yang dimanfaatkan juga sebagai pipa pendingin. Air akan mengalir dari dalam pipa dan terjadi proses perpindahan panas antara larutan di dalam reaktor dengan air di dalam pipa. Air yang mengalir akan menjaga suhu reaktor konstan. Pipa stainless stell ini di buat melingkar untuk memperluas permukaan kontak dengan larutan yang panas sehingga kerja nya lebih maksimal. Elektroda wolfram dengan panjang 13 cm dan diameter 0,5 cm digunakan untuk katoda. Katoda ini diletakkan di dalam, di bagian bawah reaktor. Akrilik silinder sebagai penangkap gas hidrogen dan pembatas ruang anoda dengan katoda dengan diameter 5 cm dan tinggi 20 cm. Akrilik ini digunakan sebagai pemisah agar gas hidrogen tidak bereaksi dengan gas oksigen di dalam larutan serta mengurangi nilai arus dalam sistem. Termometer untuk mengukur suhu larutan. Pompa laju alir rendah untuk memompa air sebagai substansi pendingin larutan di dalam reaktor. Untuk memaksimalkan produksi hidrogen daripada produksi oksigen, maka konfigurasi reaktor diarahkan pada pembentukan plasma di katoda. (Gao Jinzhang dkk, 2008) dan (Chaffin dkk, 2006) berhasil membentuk plasma di katoda dan anoda ketika luas permukaan katoda dan anoda yang menyentuh elektrolit sama besar. Dengan konfigurasi reaktor seperti pada Gambar 3.2, Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 34 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 35 cooling dengan batu es. Proses ini diulang pada kondenser yang kedua agar proses pemisahan lebih efektif. Pemisahan yang kedua menggunakan absorben silica gel. Absorber berbentuk tabung dengan diameter 5 cm dan tinggi 25 cm. Gas keluaran kondenser akan masuk di bagian bawah absorber kemudian keluar dari atas. Absorber akan menyerap air yang terbawa di aliran gas. Sistem peralatan pemisahan dan pemurnian dapat dilihat di Gambar 3.3. Gambar 3.3. Peralatan Pemisahan dan Pemurnian Yang Terdiri Dari 2 Buah Tabung Pendingin dan 1 Buah Absorber. 3.2.3. Peralatan Sumber Tegangan. Peralatan sumber tegangan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat di Gambar 3.2. Adapun peralatan sumber tegangan yang digunakan untuk membangkitkan plasma pada larutan di dalam reaktor adalah: Miniature Circuit Breaker (MCB). MCB ini memiliki kapasitas 10 Ampere. MCB berfungsi sebagai penjaga agar arus listrik yang mengalir tidak terlalu. MCB ini akan memutuskan hubungan listrik jika arus yang mengalir melebihi 10 A. Slide regulator. Slide regulator berfungsi untuk mengatur tegangan yang masuk ke reaktor secara manual. Kapasitas slide regulator ini 3 kVA. Transformator Step Up. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 36 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 37 Pengambilan data konsumsi listrik, yang terdiri dari : 1. Multimeter. Multimeter ini akan membaca nilai arus yang mengalir ke reaktor untuk membangkitkan plasma. Multimeter dihubungkan melalui kabel dari dioda bridge ke katoda untuk membaca arus DC yang mengalir ke reaktor. 2. Recorder. Arus yang terbaca di multimeter cenderung berubah-ubah setiap satu detik. Recorder digunakan untuk merekam arus yang muncul di multimeter kemudian menghitungnya secara manual untuk mendapatkan arus rata-rata yang mengalir menuju sistem. Pengambilan data produktivitas hidrogen, yang terdiri dari : 1. Flow meter. Flow meter digunakan untuk mengukur laju alir gas hidrogen dan oksigen produksi elektrolisis plasma. 2. Hidrogen analyzer. Hidrogen analyzer digunakan untuk mengukur komposisi hidrogen yang dihasilkan dari elektrolisis plasma. Hidrogen analyzer yang digunakan adalah model GNL-400F. Alat ini mampu mengukur sampel yang mengandung hidrogen hingga 50 % komposisi volume dengan laju alir maksimal sebesar 400 ml/s. Pengambilan data derajat keasaman larutan, yang terdiri dari konduktometer. Pengambilan data konduktivitas larutan, yang terdiri dari pH meter. a.Konduktimeter b. pH meter c. Multimeter d. Flowmeter dan Hidrogen analyzer Gambar 3.5. Peralatalan Pengambilan Data. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 38 Komponen komponen diatas kemudian di rangkai menurut skema pada Gambar 3.6. di bawah. Keterangan : 1. Pendingin Media Dielektrik 2. Pompa Peristaltik 3. Ruang Elektrolisis 4. Outlet Hidrogen 5. Ruang Katoda 6. Kasa Stainless 7. Logam Katoda 8. Logam Anoda 9. Dioda Bridge 10. Kondenser 11. Absorber Silika 12. Hidrogen Analyzer 13. Slide Regulator 14. Outlet Hidrogen 15. Termometer 16. Sumber Listrik PLN 17. Multimeter Gambar 3.6. Konfigurasi Alat Penghasil Gas Hidrogen dan Oksigen Elektrolisis Plasma. 3.2.5. Bahan Larutan Elektrolisis Air akuades (H2O) Kalium hidroksida (KOH) sebagai zat elektrolit dalam larutan Etanol sebagai aditif 3.3. Variabel Penelitian 1. Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel yang diubah dalam suatu pengamatan, dalam hal ini adalah perbedaan jarak katoda terhadap permukaan larutan, konsentrasi KOH, konsentrasi aditif etanol, serta tegangan. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 39 2. Variabel Terikat Variabel terikat merupakan variabel yang besarnya didapatkan dari pengukuran (data yang diinginkan) akibat pengaruh dari variabel bebas. Variabel terikat pada penelitian ini adalah laju alir gas produk hasil elektrolisis plasma, komposisi gas hasil elektrolisis plasma dan arus. 3. Variabel Kontrol. Variabel ini adalah variabel yang diatur pada harga tertentu. Variabel kontrol yang ditentukan dalam penelitian ini adalah suhu. 3.4. Preparasi Bahan Bahan yang digunakan adalah larutan dengan variasi komposisi etanol dan KOH. Berikut adalah preparasi larutan KOH 0,05 M dengan aditif etanol 5 %. Tahapan dalam preparasi larutan dapat dilihat di halaman Lampiran 5. Melarutkan 2,404 gram KOH dan 43 mL etanol ke dalam labu erlenmeyer 1000 mL. Menambahkan aquadest hingga mencapai volume 1000 mL. Melakukan hal yang sama untuk variasi larutan dengan komposisi 0,03 M KOH; 0,05 M KOH; 0,1 M KOH dan variasi aditif etanol 5 %, 10 %, 15 %. 3.5. Prosedur Penelitian 3.5.1. Prosedur percobaan. Prosedur penelitian di bagi menjadi empat tahap yaitu : 1. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh perbedaan konsentrasi larutan elektrolit KOH terhadap produksi hidrogen dan oksigen serta energi yang digunakan dari elektrolisis plasma. 2. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh perbedaan konsentrasi aditif etanol terhadap produksi hidrogen dan energi yang digunakan dari elektrolisis plasma. 3. Melakukan prosedur untuk mengetahui bagaimana pengaruh variasi jarak katoda dengan permukaan larutan terhadap produksi hidrogen dan energi yang digunakan dari elektrolisis plasma. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 40 4. Melakukan prosedur untuk mengetahui pengaruh elektolisis plasma pada tegangan tinggi terhadap produksi hidrogen dan energi yang digunakan. Pada tahapan ke tiga di atas (untuk mengetahui bagaimana pengaruh variasi jarak katoda dengan permukaan larutan terhadap produktifitas hidrogen dan energi yang digunakan dari elektrolisis plasma), maka rangkaian percobaan dibuat seperti Gambar 3.7. di bawah. Gambar 3.7. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan. (a). Permukaan katoda berada di permukaan larutan (jarak katoda dengan permukaan larutan adalah 0 cm). (b). Permukaan katoda berada pada 3 cm di bawah permukaan larutan. (c). Permukaan katoda berada pada 6,6 cm di bawah permukaan larutan Empat tahap di atas akan melalui tahap berikut. Membuat larutan uji. Mengukur konduktivitas larutan uji. Mengukur pH larutan uji. Memasukkan larutan uji ke dalam reaktor. Menyusun rangkaian listrik. Menghidupkan multimeter. Menghidupkan Hidrogen Analyzer. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 41 Peralatan elektrolisis plasma dihubungkan ke sumber tegangan listrik (PLN) dan dengan menggunakan slide regulator menaikkan tegangannya secara perlahan-lahan hingga mencapai tegangan AC yang diinginkan (300, 400, 500 Volt). Dengan menggunakan Dioda Bridge, arus AC akan diubah menjadi DC. Ketika suhu larutan mencapai 80 oC mengukur arus yang mengalir, laju alir gas H2 dan O2 , serta komposisi H2 dalam gas produk. Ketika suhu larutan mencapai 85 oC, aliran pendingin dinyalakan untuk mendapatkan kondisi suhu reaktor di rentang 80-85 oC. Menurunkan tegangan listrik dengan cara memutar slide regulator hingga mencapai angka 0. Melepaskan steker dari sumber tegangan listrik. Mematikan hidrogen analyzer. Mematikan pompa pendingin. Mengukur konduktivitas larutan hasil elektrolisis plasma. Mengukur pH larutan hasil elektrolisis plasma. 3.5.2. Metode Pengujian Metode pengujian dilakukan dalam empat kategori : Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma. Pengujian arus yang mengalir di sistem. Pengujian laju alir. Pengujian konsentrasi hidrogen yang dihasilkan 3.5.2.1. Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma Uji karakteristik larutan elektrolisis plasma dibagi menjadi dua bagian, yaitu uji konduktivitas dan uji derajat keasaman. a. Uji konduktivitas Uji konduktivitas larutan dilakukan sebelum proses elektrolisis plasma dan setelah proses elektrolisis plasma dengan menggunakan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 42 konduktometer. Uji konduktivitas dilakukan untuk mengetahui karakteristik ion-ion dalam larutan elektrolit terhadap elektrolisis plasma. Adapun prosedur penggunaan konduktometer adalah : menyalakan konduktometer setelah ready, mengukur larutan standar membilas probe elektroda dengan aquadest setelah ready, mengukur konduktivitas larutan uji kemudian mencatat hasilnya membilas probe elektroda dibilas dengan aquadest mematikan konduktometer. b. Uji derajat keasaman (pH). Pengujian ini dilakukan menggunakan pH meter sebelum proses elektrolisis plasma di mulai dan setelah proses elektrolisis plasma selesai. Adapun prosedur penggunaan pH meter adalah sebagai berikut: menyalakan pH meter setelah ready, mengukur larutan standar membilas probe pH meter dengan aquadest setelah ready mengukur tingkat keasaman larutan uji kemudian mencatat hasilnya membilas probe pH meter dengan aquadest mematikan pH meter. 3.5.2.2. Pengujian arus yang mengalir di sistem. Pengujian dilakukan dengan menggunakan multimeter. Arus yang terbaca di multimeter akan direkam menggunakan perekam video selama 2 menit. Arus harus direkam karena arus yang terbaca selalu berubah-ubah setiap detik. Maka nilai arus yang didapat adalah nilai arus rata-rata. 3.5.2.3. Pengujian laju alir. Pengujian laju alir dilakukan secara manual dengan menggunakan flow meter 1000 mL kemudian mencatat hasilnya. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 43 3.5.2.4. Pengujian konsentrasi hidrogen yang dihasilkan. Dengan menggunakan syringe, gas hasil keluaran elektrolisis plasma melalui flow meter dihisap dan masuk ke dalam syringe. Kemudian gas tersebut di injeksikan ke dalam Gas Analyzer. 3.6. Hasil Uji Peralatan Sistem Produksi Hidrogen. Data yang didapat seperti laju alir, komposisi, tegangan, konsentrasi KOH, konsentrasi etanol, serta arus yang mengalir dievaluasi untuk mengetahui kinerja proses Glow Discharge Plasma Electrolysis. Kinerja proses Glow Discharge Plasma Electrolysis meliputi : Daya listrik : Daya listrik dalam penelitian ini adalah besarnya kecepatan reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis untuk mengubah energi listrik menjadi energi lain (panas dan kimia). Daya listrik dapat dirumuskan sebagai : (2.33) Dengan : P = Daya listrik (Watt atau J/s) I = Kuat arus (Ampere) V = Beda potensial listrik (ohm) Konsumsi energi listrik : yaitu jumlah energi listrik (C) yang digunakan selama produksi hidrogen yang dirumuskan sebagai. (2.34) Dengan : V = Tegangan listrik yang melalui rangkaian. Q = Muatan listrik. = Volume hidrogen. = Konsumsi energi listrik ( kJ . L-1) V Q adalah nilai P selama proses elektrolisis berlangsung Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 44 Laju alir gas Hidrogen : (2.35) = dengan : V gas = Laju alir gas hidrogen. X = 1 (Perbandingan koefisien hidrogen terhadap total produk gas) Perbandingan jumlah mol produk H2 proses elektrolisis plasma terhadap jumlah produk H2 teoritis berdasarkan rumus elektrolisis Faraday (H2) yang dirumuskan sebagai berikut : ( = ( ) (2.36) Dengan : F = Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 BAB 4 PEMBAHASAN Pada bab ini akan dibahas hal-hal mengenai fenomena-fenomena yang terjadi terhadap larutan maupun energi pada peristiwa Glow Discharge Plasma Electrolysis. Selain itu juga akan dibahas mengenai pengaruh beberapa variabel proses seperti suhu, tegangan, konsentrasi larutan, serta posisi katoda. Juga dibahas mengenai konsumsi listrik, produktivitas hidrogen, serta perbandingan antara elektrosisis konvensional dengan elektrolisis Faraday. Penelitian ini termasuk ke dalam elektrolisis plasma non-thermal dan Glow Discharge Plasma Electrolysis karena nyala / pijaran plasma yang dihasilkan berbentuk glow discharge. 4.1 Kondisi Operasi Elektrolisis Plasma. 4.1.1 Fenomena Elektrolisis Plasma Pada saat reaktor baru dinyalakan, terbentuk elektrolisis konvensional dengan laju alir dan persentasi hidrogen yang kecil. Pada kondisi ini tidak ada plasma yang terbentuk, yang ada hanyalah gelembung-gelembung gas O2 dan H2 dalam jumlah sedikit. Ketika tegangan dinaikkan (suhu juga akan meningkat), maka perlahan-lahan akan muncul plasma di sekitar katoda. Pada suhu 60 oC, untuk tegangan 300 Volt plasma sudah terbentuk. Pembentukan plasma hanya terjadi di katoda. Hal ini dikarenakan luas permukaan katoda yang terkena larutan jauh lebih kecil daripada luas permukaan anoda yang terkena larutan. Pijaran plasma yang dihasilkan berwarna ungu ke merah mudaan seperti pada Gambar 4.1. Warna ungu yang dihasilkan dikarenakan adanya eksitasi elektron dari ion Kalium. Adanya warna merah muda yang muncul bisa disebabkan karena hidrogen yang diproduksi (sekitar 30 mL/s) juga terbakar karena plasma. Pijaran plasma yang ditimbulkan tidak konstan, melainkan fluktuatif. Hal ini disebabkan oleh arus yang selalu berubah-ubah. 45 Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 46 Gambar 4.1. Pijaran Plasma Dari Larutan KOH Dengan Aditif Etanol Oksigen yang dihasilkan di anoda membentuk gelembung – gelembung kecil yang berkumpul menutupi anoda. Hal ini disebabkan karena anoda lebih cenderung hidrofilik terhadap air dibandingkan terhadap gelembung. Meskipun berat oksigen jauh lebih kecil dari larutan, namun gelembung cenderung menempel di anoda dibandingkan terangkat keluar dari larutan (Zeng, K & Zhang D, 2010). Penelitian ini menggunakan barrier dari kaca acrylic untuk mencegah bertemunya gas hidrogen dan oksigen di dalam larutan elektrolit. Barrier juga akan memperpanjang lintasan elektron untuk mencapai anoda. Lintasan elektron yang panjang akan membuat arus yang mengalir menjadi lebih sulit. Dengan kata lain, penggunaan barrier akan mengurangi arus. Semakin lama larutan elektrolit digunakan maka dalam larutan akan terdapat endapat berwarna cokelat. Endapan ini timbul karena korosi yang terjadi pada permukaan anoda. Tegangan tinggi dapat menyebabkan oksidasi yang besar pada anoda stainless stell dan membentuk fenomena korosi. 4.1.2. Suhu Pada penelitian ini, sumber energi hanya berasal dari energi listrik yang juga terkonversi menjadi energi kimia dan energi kalor. Pengambilan data dimulai ketika suhu reaktor sekitar 80 - 85 oC. Suhu reaktro dijaga agar berada di antara 80 – 85 oC dengan menggunakan medium pendingin. Penggunaan suhu tinggi diharapkan dapat meningkatkan konduktivitas larutan elektrolit yang akan meningkatkan pergerakan ion-ion didalam larutan. Selain itu, peningkatan suhu akan meningkatkan jumlah uap larutan yang Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 47 terbentuk. Uap larutan jika diserang oleh elektron tereksitasi dapat terionisasi dan membentuk plasma. 4.1.3. Konduktivitas Pada kondisi elektrolisis plasma selama 13 menit menggunakan KOH 0,05 M + Etanol 10%, pada suhu 80 oC dan tegangan 500 V, serta jarak ujung katoda dengan permukaan larutan 6,6 cm, konduktivitas larutan menurun dari 6,9 mS menjadi 5,95 mS. Hal ini menunjukkan bahwa konduktivitas larutan menurun setelah mengalami proses elektrolisis plasma. Konduktivitas dalam penelitian ini adalah fungsi konsentrasi KOH. Konduktivitas yang berkurang bisa disebabkan karena proses elektrolisis plasma mengonsumsi KOH yang akan diubah menjadi ion-ion untuk menghasilkan gas produk seperti K, H2 dan O2. Ion OH- dan K+ yang berkurang akan menurunkan konduktivitas larutan. 4.1.4. pH Pada kondisi elektrolisis plasma selama 12 menit dengan konsentrasi KOH 0,05 M + etanol 15 %, pada suhu 80 oC dan tegangan 500 V serta jarak ujung katoda dengan permukaan larutan 6,6 cm, pH larutan menurun dari 12,39 menjadi 10,13. Hal ini menunjukkan bahwa pH larutan meningkat menjadi lebih asam setelah mengalami proses elektrolisis plasma. Keseluruhan reaksi sel elektrolisis tidak mengarah pada konsumsi atau produksi proton dan ion hidroksida. pH yang lebih asam bisa disebabkan karena oksidasi ion OH- di anoda sangat mudah terjadi dibandingkan oksidasi air (Persamaan 4.1 – 4.5). Plasma dalam elektrolisis akan membuat ion OHyang terkonsumsi menjadi lebih besar. Ion OH- yang berkurang akan menyebabkan pH larutan menjadi lebih asam. K+ + OH- KOH (aq) Katoda : 2H2O(l) + 2e+ K (aq) +e H2(g) + 2 OH-(aq) K(s) (4.1) Eo = - 0,83 V o E = - 2,92 V (4.2) (4.3) Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 48 4H+ + O2 + 4e Anoda : 2H2O 4OH-(aq) 4.1.5. E° = -1.23 V (4.4) - O2(g) + 2H2O(l) + 4 e E° = -0.40 V (4.5) Arus. Pada penelitian ini, arus listrik yang terbaca di multimeter selalu berubah-ubah setiap detiknya. Perbedaan arus yang muncul tiap detiknya cukup jauh mulai dari 0,01 A – 0,7 A. Ada 8 macam resistansi yang muncul ketika elektrolisis plasma dijalankan. Resistansi tersebut adalah resistansi eksternal sirkuit, resistansi anoda, resistansi gelembung oksigen, resistansi elektrolit, resistansi membran, resistansi gelembung hidrogen, resistansi katoda, dan resistansi eksternal sirkuit (Zeng, K & Zhang D, 2010). Transfer elektron yang melewati berbagai hambatan dalam elektrolisis plasma dapat dilihat dalam Gambar 4.2. + R1 R anoda R gelembung, O2 R membran - R ion R gelembung, H2 R katoda R’1 Gambar 4.2. Analogi Sirkuit Listrik Dari Resistansi Dalam Sistem Elektrolisis Air Sumber : (Zeng, K & Zhang D, 2010) Jumlah gelembung yang berada di sekitar elektroda (gelembung oksigen di anoda dan gelembung hidrogen di katoda) akan mempengaruhi nilai hambatan total sistem. Jika hambatan yang ditimbulkan oleh gelembung di sekitar elektroda bervariasi, maka hambatan total sistem akan bervariasi. Tegangan memiliki persamaan arus dikali hambatan. Jika tegangan dibuat konstan dan hambatan elektrolisis plasma selalu berubah-ubah, maka arus yang dihasilkan juga akan berubah-ubah. Hal ini dilakukan agar nilai tegangan selalu konstan. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 49 Arus yang dihasilkan pada penelitian ini cukup tinggi (1A – 5A). Arus dengan jumlah sebesar ini dapat membuat kejang-kejang bagi penderita yang tersentuh arus tersebut. Pengaruh Variabel – Variabel Penelitian. 4.2. Variabel-variabel penelitian seperti konsentrasi etanol, konsentrasi KOH, tegangan dan jarak antara permukaan katoda dengan permukaan elektrolit akan dibahas dalam sub bab ini. Data-data yang di dapat dari penelitian ini adalah tegangan (V), laju alir gas hasil elektrolisis plasma (mL / s), komposisi gas hidrogen (%), konduktivitas (mS), pH, suhu reaktor (oC), dan arus rata-rata (A). Data tersebut kemudian digunakan untuk mendapatkan beberapa data seperti produktivitas hidrogen (mmol/detik), konsumsi listrik energi listrik (Wr), daya listrik (J/s), dan rasio antara elektrolisis plasma dengan elektrolisis faraday, G (mol/mol). Data selengkapnya dapat dilihat di halaman Lampiran (Lampiran 1 hingga Lampiran 4). 4.3.1. Pengaruh Konsentrasi Etanol Terhadap Produksi Hidrogen dan Konsumsi Energi. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan larutan KOH 0,05 M dengan variasi konsentrasi aditif etanol 5 %, 10 %, 15 %, dan tanpa etanol dengan jarak ujung katoda terhadap permukaan larutan adalah 6,6 cm. Pengaruh konsentrasi etanol terhadap produksi hidrogen dapat dilihat di Gambar 4.3. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 50 40 35,46 Laju alir Hidrogen (mmol/menit) 35 33,03 30 29,18 27,84 25 20 15,91 15 14,34 10 5 1,99 1,26 0,92 1,25 2,89 1,62 0 300 400 Tegangan (Volt) 500 Larutan 0,05 M KOH Larutan 0,05 M KOH + 5 % etanol Larutan 0,05 M KOH + 10 % etanol Larutan 0,05 M KOH + 15 % etanol Gambar 4.3. Grafik Perbandingan Laju Alir Gas H2 Pada Konsentrasi 0,05 M KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol. Gambar 4.3. menunjukkan bahwa etanol memiliki pengaruh terhadap produktivitas gas hidrogen dalam elektrolisis plasma. Larutan tanpa aditif etanol menghasilkan gas hidrogen yang jauh lebih sedikit daripada larutan dengan aditif etanol. Gas hidrogen yang dihasilkan dengan penambahan aditif etanol bisa mencapai 10 kali lipat lebih banyak daripada tanpa penambahan aditif etanol. Yan (2008) mengatakan bahwa aditif etanol berguna unuk meningkatkan produktifitas hidrogen karena larutan tersebut berfungsi menyeimbangkan spesispesi aktif H* dan OH* yang nantinya akan mendorong pemutusan ikatan dalam dekomposisi air. Itulah sebabnya mengapa penambahan konsentrasi etanol akan meningkatkan produktivitas hidrogen dan oksigen. Gambar 4.3. juga menunjukkan perbedaan laju alir yang sangat besar untuk tiap variasi tegangan. Laju alir hidrogen pada tegangan 400 Volt mencapai 10 kali lipat lebih banyak dibandingkan pada tegangan 300 Volt. Tegangan tinggi Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 51 akan meningkatkan jumlah elektron berenergi tinggi untuk mendekomposisikan berbagai ikatan dalam molekul etanol. Ketika energi elektron ditingkatkan untuk mendekomposisi etanol, maka reaksi yang muncul dari pemutusan berbagai macam ikatan dalam etanol akan semakin komplek dan produk yang dihasilkan lebih bervariasi. Meskipun bervariasi, namun H2 masih menjadi produk yang paling dominan muncul ketika elektron berenergi tinggi bertumbukan dengan etanol dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis (Yan, 2008). Pada Gambar 4.3, laju alir hidrogen dari konsentrasi etanol 15 % pada tegangan 500 volt tidak begitu jauh berbeda dibandingkan pada tegangan 400 volt (hanya berbeda 5,19 mmol/menit). Hal ini tidak sama dengan perbandingan laju alir hidrogen pada konsentrasi etanol 5 % dan 10 %. Laju alir hidrogen dari konsentrasi etanol 5 % pada tegangan 500 volt cukup jauh berbeda dibandingkan pada tegangan 400 volt (memiliki perbedaan 21,12 mmol/menit). Laju alir hidrogen dari konsentrasi etanol 10 % pada tegangan 500 volt juga jauh berbeda dibandingkan pada tegangan 400 volt (memiliki perbedaan 13,27 mmol/menit). Tegangan yang semakin tinggi menyebabkan jumlah elektron berenergi tinggi semakin banyak. Meskipun jumlah elektron berenergi tinggi yang dihasilkan semakin banyak dan membuat kesempatan bertubrukan dengan etanol semakin besar, tetapi peluang produk samping dan produk utama terbentuk tetap sama. Yan, (2008) seperti pada Tabel 4.1. menunjukkan hal tersebut bahwa komposisi gas produk yang dihasilkan relatif konstan meskipun tegangan elektrolisis plasma yang digunakan semakin tinggi. Tabel 4.1. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303,15 K, Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktivitas 5,6 mS cm-1 Discharged Voltage (V) H2 (mol %) CO (mol %) CH4 (mol %) C2H6 (mol %) C3H8 (mol %) C4H10 (mol%) 500 600 700 800 80,84 80,96 81,28 81,92 4,77 4,88 4,68 5,04 4,74 5,49 5,29 5,15 1,81 2,46 2,06 2,43 6,19 4,87 5,23 4,42 1,65 1,34 1,46 1,04 Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 52 Tabel 4.1. Komposisi Gas Yang Dibebaskan Katoda Pada Elektrolisis Plasma Glow Discharge (GDE) Dengan Variasi Tegangan Discharge. Temperatur 303,15 K, Konsentrasi Etanol 99,5%, Konduktivitas 5,6 mS cm-1 (sambungan) Discharged Voltage (V) H2 (mol %) CO (mol %) CH4 (mol %) C2H6 (mol %) C3H8 (mol %) C4H10 (mol%) 900 1000 82,81 82,67 4,01 4,17 5,28 5,22 2,48 2,65 4,24 4,08 1,18 1,21 Sumber : (Yan, 2008) Pengaruh konsentrasi etanol terhadap konsumsi energi dapat dilihat di Gambar 4.4. 90 79,97 80 Konsumsi Energi (kJ/mmol) 70 60 50 40 40,42 39,75 30 45,42 23,13 20 6,07 4,70 10 12,42 3,23 2,31 2,55 1,76 0 300 400 Tegangan (Volt) 500 Larutan 0,05 M Larutan 0,05 M+ 5% etanol Larutan 0,05 M+ 10% etanol Larutan 0,05 M+ 15% etanol Gambar 4.4. Grafik Perbandingan Energi Yang Dibutuhkan Pada Konsentrasi 0,05 M KOH Dengan Perbedaan Konsentrasi Etanol Gambar 4.4. menunjukkan bahwa penambahan aditif etanol akan menurunkan konsumsi energi. Gambar 4.4. juga menunjukkan bahwa perbedaan konsumsi energi pada konsentrasi etanol 0 %, 5 %, 10 %, dan 15 % akan semakin kecil jika dilakukan pada tegangan yang semakin tinggi. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 53 Dalam Glow Discharge Plasma Electrolysis, elektroda akan ditutupi oleh uap larutan. Volume gas yang menutupi elektroda akan bertambah seiring dengan penambahan etanol (Yan, 2008). Volume gas ini akan menyebabkan volume plasma yang semakin besar dan akan semakin menghambat perpindahan elektron dari katoda menuju anoda. Jika ini terjadi, maka arus yang mengalir dalam sistem semakin berkurang yang juga akan mengurangi energi listrik. 4.3.2. Pengaruh Konsentrasi KOH Terhadap Produksi Hidrogen dan Konsumsi Energi. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan aditif etanol 10 % dengan variasi konsentrasi larutan KOH 0,03 M. 0,05 M. dan 0,1 M dengan jarak ujung katoda terhadap permukaan larutan adalah 6,6 cm. Pengaruh konsentrasi KOH terhadap produksi hidrogen dapat dilihat di Gambar 4.5. di bawah. Laju alir gas H2 (mmol / menit) 40 35,98 37,80 35 30 27,99 25 19,03 20 15,97 13,97 15 10 5,35 5,09 5 1,52 0 300 400 500 Tegangan (Volt) Larutan 0,1 M KOH + Etanol 10% Larutan 0,05 M KOH + Etanol 10% Larutan 0,03 M KOH + Etanol 10% Gambar 4.5. Grafik Laju Alir Gas Hidrogen Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10 % Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 54 Gambar 4.5. menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi KOH yang digunakan, maka laju alir gas hidrogen yang dihasilkan semakin besar. Gambar 4.5. juga menunjukkan bahwa pada tegangan 400 Volt, perbedaan laju alir hidrogen pada konsentrasi KOH 0,03 M dan 0,05 M jauh berbeda. Namun pada tegangan 500 Volt perbedaan laju alir hidrogen pada konsentrasi KOH 0,03 M dan 0,05 M tidak begitu jauh. Peningkatan konsentrasi KOH dalam larutan akan meningkatkan jumlah - OH dan ion K+. Plasma akan membuat ion OH- menjadi OH*. Radikal OH (OH*) dapat mengalami dekomposisi menjadi hidrogen dan oksigen. Dengan kata lain, peningkatan konsentrasi KOH akan meningkatkan produksi hidrogen. Pengaruh konsentrasi KOH terhadap konsumsi energi dapat di lihat di Gambar 4.6. 40 34,27 Konsumsi Energi (kJ/mmol) 35 30 25 20 15 15,57 13,76 10 3,16 3,45 4,10 5 2,83 3,68 1,25 0 300 400 500 Tegangan (Volt) Larutan 0,1 M KOH + Etanol 10% Larutan 0,05 M KOH + Etanol 10% Larutan 0,03 M KOH + Etanol 10% Gambar 4.6. Grafik Perbandingan Konsumsi Energi Pada Variasi Perbedaan Konsentrasi KOH Dengan Konsentrasi Etanol 10 % Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 55 Gambar 4.6. menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi KOH, maka energi yang digunakan untuk melakukan proses elektrolisis plasma semakin rendah pada tegangan 500 Volt. Kemampuan elektron untuk mengalir di dalam larutan elektrolit juga ditentukan dari seberapa banyak ion OH - yang terbentuk untuk membawa elektron berpindah dari anoda menuju katoda. Semakin besar konsentrasi KOH yang digunakan, berarti semakin banyak juga ion-ion yang terbentuk. Semakin banyak ion K+ dan ion OH- yang terbentuk dari KOH menyebabkan mobilitas elektron akan semakin mudah. Mobilitas ion yang semakin mudah akan menyebabkan arus yang mengalir semakin besar. Gambar 4.6. juga menunjukkan bahwa semakin tinggi tegangan akan membuat perbedaan konsumsi energi di larutan KOH 0,03 M, 0,05 M, dan 0,1 M menjadi lebih kecil. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, semakin tinggi tegangan akan membuat volume plasma semakin besar. Volume plasma akan membuat perpindahan elektron dari katoda menuju anoda melalui ion-ion semakin sulit, hal ini disebabkan karena ion OH - di dalam plasma akan diserang oleh elektron berenergi tinggi menjadi OH* yang kemudian akan menjadi gas hidrogen. Ion OH- yang seharusnya membawa elektron dari katoda menuju anoda akan diubah menjadi radikal hidroksil. Meskipun jumlah ion-ion sebagai medium perpindahan elektron diperbanyak dengan meningkatkan konsentrasi KOH, volume plasma tetap menghalangi perpindahan elektron melalui ion-ion. Animasi peristiwa volume plasma dan perpindahan elektron yang terjadi pada reaktor Glow Discharge Plasma dapat dilihat pada Gambar 4.7. Gambar 4.7. Volume Plasma yang Menghalangi Transfer Elektron Melalui Ion Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 56 4.3.3. Pengaruh Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan Terhadap Produksi Hidrogen dan Konsumsi Energi. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan larutan 0,05 M KOH + aditif etanol 10 % pada tegangan 500 Volt. Pada variabel ini, luas permukaan katoda yang bersentuhan dengan larutan sama. Perbedaannya terletak pada seberapa dalam katoda tersebut tercelup dalam larutan. Jika katoda semakin tercelup, maka jarak antara ujung katoda dengan permukaan larutan elektrolit akan semakin besar seperti pada Gambar 4.8. (a). Permukaan katoda berada di permukaan larutan (jarak katoda dengan permukaan larutan adalah 0 cm). (b). Permukaan katoda berada pada 3 cm di bawah permukaan larutan. (c). Permukaan katoda berada pada 6,6 cm di bawah permukaan larutan Gambar 4.8. Gambar Percobaan Pada Variabel Perbedaan Jarak Katoda dengan Permukaan Larutan. Pijaran plasma yang dihasilkan pada perbedaan kedalaman katoda akan berbeda-beda. Gambar 4.9. menunjukkan bahwa pijaran plasma akan semakin terang seiring dengan semakin dekatnya ujung katoda terhadap permukaan larutan. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 57 Gambar 4.9. Pijaran Plasma Yang Terbentuk Pada Variasi Jarak Katoda dengan Permukaan Larutan. Tegangan tinggi dalam elektrolisis plasma akan memperbesar volume plasma. Volume plasma ini dipengarui oleh seberapa banyak gas-gas yang berkumpul di sekitar katoda. Pada kondisi ujung katoda berjarak 6,6 cm dari permukaan larutan elektrolit, gelembung – gelembung hidrogen yang dihasilkan katoda ditambah dengan tekanan hidrostatis larutan akan menghambat uap-uap larutan berkumpul di katoda dan saling mengalami kontak. Hal ini menyebabkan volume plasma semakin kecil. Semakin sedikit uap larutan yang bersentuhan dengan katoda, semakin sedikit juga elektron yang akan tereksitasi untuk membentuk plasma. Hal ini berbeda dengan kondisi ujung katoda berjarak 0 cm dari permukaan larutan elektrolit. Pada kondisi ini, uap larutan dengan mudah berkumpul di katoda dan mengalami kontak (tidak ada hambatan dari gelembung oksigen maupun tekanan hidrostatis larutan). Sehingga elektron akan sangat mudah tereksitasi ke dalam uap larutan dan membentuk nyala plasma yang paling terang (volume plasma lebih besar). Hal ini lah yang menyebabkan mengapa semakin dalam katoda tercelup, volume plasma akan semakin kecil (pijaran warnanya tidak terang). Pengaruh perbedaan ketinggian katoda terhadap laju alir hidrogen dan konsumsi energi dapat dilihat di Gambar 4.10. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 58 44,36 40,02 37,92 35,23 18,06 1,24 0 1,42 1 2,66 1,42 1,39 2 3 6,6 Ketinggian Katoda (cm) Laju alir Hidrogen (mmol / menit) Konsumsi Energi (kJ / mol) Gambar 4.10. Grafik Laju Alir Gas H2 dan O2 Serta Konsumsi Energi dari Electrolyzer Pada Variasi Perbedaan Jarak Katoda Dengan Permukaan Larutan. Gambar 4.10. menunjukkan semakin dalam posisi katoda di dalam elektrolit, energi yang dibutuhkan untuk terjadinya elektrolisis plasma akan semakin besar. Semakin dalam katoda tercelup akan membuat tekanan hidrostatis larutan terhadap katoda semakin besar serta lintasan gelembung hidrogen keluar dari larutan semakin panjang (Gambar 4.11). Dua faktor tersebut akan membuat katoda akan lebih sering mengalami kontak dengan larutan dibandingkan dengan uap larutan. Karena medium transportasi elektron dari katoda menuju anoda lebih mudah terjadi ketika elektroda mengalami kontak dengan larutan, maka ketika katoda tercelup lebih dalam arus yang mengalir akan semakin besar. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 59 Tekanan hidrostatis larutan Kedalaman 0 cm Kedalaman 6,6 cm Gambar 4.11. Animasi Plasma yang Terbentuk di Reaktor GDPE Pada Variasi Ketinggian Katoda Gambar 4.10 juga menunjukkan bahwa semakin dalam posisi katoda terhadap permukaan elektrolit, laju alir gas hidrogen yang dihasilkan akan semakin kecil. Pada jarak katoda dengan permukaan elektrolit sebesar 6,6 cm, gelembung-gelembung hidrogen di sekitar katoda dan tekanan hidrostatis larutan akan menghambat pembentukan plasma yang juga akan menghambat pembentukan elektron tereksitasi berenergi tinggi. Elektron yang mengalir dalam larutan sebagian besar adalah elektron biasa seperti pada elektrolisis konvensional. Karena elektron tereksitasi berenergi tinggi yang dihasilkan lebih sedikit, maka kemungkinan untuk menghasilkan hidrogen yang lebih besar juga semakin sedikit. Proses yang paling dominan terjadi ketika posisi katoda sangat dekat dengan permukaan larutan adalah elektrolisis plasma. Hal ini dikenali dari nyala plasma yang paling besar dan arus rendah. Sedangkan proses yang paling dominan terjadi ketika posisi katoda sangat jauh dengan permukaan larutan adalah adalah proses elektrolisis konvensional. Hal ini terbukti dari nyala plasma yang paling kecil dan arus besar. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 60 4.3.4. Pengaruh Tegangan Terhadap Produksi Hidrogen dan Konsumsi Energi. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan larutan 0,03 M KOH + aditif etanol 10 % pada posisi ujung katoda berjarak 6,6 cm dari permukaan larutan. Pengaruh tegangan terhadap produksi hidrogen, konsumsi energi, dan perbandingan nilai G (H2) yang dihasilkan dapat dilihat di Gambar 4.12. 149,68 95,73 50,71 48,75 40,80 31,14 27,030 14,90 1,95 12,54 4,44 300 400 Energi (kJ/mmol) 15,71 1,90 2,76 500 Tegangan (Volt) 1,49 600 700 Laju alir Hidrogen (mmol/menit) G (mol/mol) Gambar 4.12. Grafik laju alir gas H2 dan O2 serta energi dari elektrolisis plasma pada tegangan tinggi. Gambar 4.12. menunjukan bahwa semakin tinggi tegangan yang digunakan, energi yang dibutuhkan untuk terjadinya Glow Discharge Plasma Electrolysis akan semakin kecil. Dari pembahasan sebelumnya juga diketahui bahwa tegangan yang semakin tinggi akan menurunkan konsumsi energi. Gambar 4.12. juga menunjukan bahwa semakin tinggi tegangan yang digunakan, hidrogen yang dihasilkan akan semakin besar. Pembahasan sebelumnya juga menunjukkan hal yang sama bahwa tegangan tinggi akan meningkatkan produksi hidrogen. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 61 Peningkatan tegangan dapat meningkatkan densitas elektron dan meningkatkan tubrukan elektron dalam proses eksitasi (Yan, 2008). Pada tegangan rendah, elektron susah untuk mengalami eksitasi dan menyerang ionion OH- dan H+. Tegangan tinggi akan meningkatkan volume plasma glow discharge. Dengan volume plasma glow discharge yang lebih besar, elektron berenergi tinggi akan memiliki kemungkinan yang lebih besar untuk menabrak molekul etanol, molekul air, molekul KOH, dan radikal lain membentuk hidrogen yang lebih banyak. Elektron berenergi tinggi tersebut akan dengan mudah menyerang H+ membentuk H* (radikal H) dan menyerang air menghasilkan OH - berenergi tinggi. OH- berenergi tinggi ini kemudian akan membentuk radikal hidroksida dan elektron tidak berenergi tinggi. Selanjutnya OH* dan H* ini akan membentuk H2 dan O2. Sedangkan elektron yang terbentuk pada reaksi pembentukan radikal hidroksil akan kembali membentuk hidrogen dari jalur elektrolisis konvensional. Berikut persamaan reaksi yang terjadi (Gao, 2008) : 4H+(aq) + 4e → 4H* (4.1) 4OH-(aq) → 4OH* + 4e (4.2) 4H+(aq) + 4OH-(aq) → 4H* + 4OH* (4.3) 2H* + 2H* → 2H2(g) (4.4) 4OH* → 2H2(aq) + 2O2(aq) (4.5) Meskipun produksi hidrogen lebih tinggi pada tegangan yang semakin tinggi, namun tidak berarti bahwa tegangan dapat ditingkatkan tanpa batas. Elektroda akan meleleh pada tegangan yang sangat tinggi (Yan, 2008). Peningkatan tegangan akan meningkatkan jumlah elektron berenergi tinggi. Semakin banyak elektron berenergi tinggi yang bertumbukan dengan uap larutan di katoda, maka volume plasma yang dihasilkan akan semakin besar. Plasma yang menutupi katoda dalam volume yang besar akan menghambat perpindahan elektron melalui ion-ion dari katoda menuju anoda. Elektron berenergi tinggi di katoda cenderung untuk bertumbukkan dengan ion-ion menghasilkan gas produk dibandingkan teradsorb dan berpindah dari katoda Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 62 menuju anoda melalui ion-ion. Semakin sedikit ion-ion yang berpindah dari katoda menuju anoda, maka semakin kecil juga arus yang dihasilkan. Hal ini menyebabkan elektrolisis plasma pada tegangan 700 volt akan memperkecil arus listrik. Perbandingan laju alir dan konsumsi energi yang dihasilkan dari Glow Discharge Plasma Electrolysis pada berbagai kondisi terbaik seperti yang sudah di bahas diatas akan menghasilkan Tabel 4.2. dan Tabel 4.3. Tabel 4.2. Perbandingan Produksi Gas Hidrogen Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan. Laju alir gas hidrogen (mmol / menit) Variasi KOH Variasi Etanol Tegangan (Volt) Variasi jarak katoda dan permukaan elektrolit Variasi Tegangan 0,1 M KOH etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 15% 0,05 M KOH + etanol 10% kedalaman 0 cm 0,03 M KOH + Etanol 10% 300 5,84 5,556 2,18 1,371 - 2,13 400 500 600 700 30,55 39,27 - 20,77 41,26 - 15,65 38,71 - 30,38 36,05 - 48,42 - 13,68 17,14 33,99 55,35 Tabel 4.2. menunjukkan bahwa tegangan 700 Volt dengan konsentrasi KOH 0,03 M + etanol 10 % memberikan laju alir hidrogen yang lebih baik dibandingkan dengan menggunakan konsentrasi KOH 0,1 M + etanol 10 % dan dengan menggunakan konsentrasi KOH 0,05 M + etanol 10% pada kedalaman katoda 0 cm. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan tinggi memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap produksi gas hidrogen dibandingkan dengan menggunakan KOH konsentrasi tinggi atau etanol konsentrasi tinggi. Pada tegangan yang sama (500 Volt), konfigurasi katoda yang sangat dekat dengan permukaan larutan elektrolit memberikan laju alir hidrogen yang lebih baik dibandingkan dengan mengubah konsentrasi KOH menjadi lebih tinggi atau mengubah konsentrasi etanol lebih tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa posisi katoda yang semakin dekat dengan permukaan larutan akan memberikan Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 63 laju alir hidrogen yang optimal dibandingkan mengatur konsentrasi larutan dan konsentrasi aditif etanol. Percobaan elektrolisis plasma yang dilakukan Mardiansyah (2008) menggunakan larutan KOH 0,1 M + etanol 10 % pada tegangan 300 Volt mendapatkan laju alir hidrogen hingga 22,49 mmol/menit. Penelitian ini berhasil mendapatkan laju alir hidrogen 2,46 kali lebih besar dari laju alir hidrogen yang didapatkan oleh Mardiansyah (2011). Tabel 4.3. Perbandingan Energi Elektrolisis Plasma Pada Berbagai Variabel Dalam Percobaan. Konsumsi energi per mmol H2 Variasi KOH Variasi Etanol Tegangan (Volt) Variasi jarak katoda dengan permukaan elektrolit Variasi Tegangan 0,1 M KOH etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 10% 0,05 M KOH + etanol 15% 0,05 M KOH + etanol 10% kedalaman 0 cm 0,03 M KOH + Etanol 10% 300 12,61 14,26 36,41 41,61 - 20,90 400 500 600 700 2,89 2,59 - 3,15 1,14 - 4,31 2,11 - 1,60 2,33 - 1,13 - 3,43 2,13 1,47 1,15 Tabel 4.3. menunjukkan bahwa pada tegangan yang sama (500 Volt), konsumsi energi terendah didapat dari konfigurasi katoda yang sangat dekat dengan permukaan katoda. Hal ini menunjukkan bahwa mengatur posisi katoda menjadi sangat dekat dengan permukaan larutan akan memberikan konsumsi energi yang lebih optimal dibandingkan mengatur konsentrasi larutan dan konsentrasi aditif etanol. Konsumsi energi pada konsentrasi larutan KOH 0,05 M + etanol 10 % yang dilakukan pada tegangan 700 Volt memberikan hasil yang tidak jauh berbeda dibandingkan memvariasikan jarak katoda dengan permukaan larutan. Percobaan elektrolisis plasma yang dilakukan Mardiansyah (2008) menggunakan larutan KOH 0,1 M + etanol 10 % pada tegangan 300 Volt berhasil mendapatkan konsumsi energi hingga 18,8089 kJ/mmol. Penelitian ini Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 64 berhasil mendapatkan konsumsi energi hingga 16,6 kali lebih rendah dari konsumsi energi yang didapatkan oleh Mardiansyah (2011). Produksi hidrogen menggunakan reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis ini diharapkan dapat memberikan produksi hidrogen yang besar dan konsumsi energi yang kecil dengan menggunakan ; - larutan KOH konsentrasi rendah - aditif etanol dalam jumlah tepat - konfigurasi katoda yang sangat dekat dengan permukaan larutan - serta dilakukan dalam tegangan tinggi. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 BAB 5 KESIMPULAN Bab ini akan menyimpulkan data dan memberikan saran untuk perbaikan dari hasil penelitian yang telah dilakukan. 5.1. 1. Kesimpulan Produksi hidrogen akan meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi larutan KOH dan tegangan listrik yang digunakan. 2. Konsumsi energi listrik akan menurun seiring dengan meningkatnya tegangan listrik. 3. Reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis akan memberikan produksi hidrogen yang semakin meningkat dan konsumsi energi yang semakin menurun seiring dengan semakin dekatnya ujung katoda terhadap permukaan larutan elektrolit. 4. Penambahan etanol dalam larutan elektrolit membuat produksi hidrogen lebih tinggi dan konsumsi energi lebih rendah dibandingkan larutan elektrolit tanpa penambahan etanol. 5. Pada penelitian ini, produksi hidrogen tertinggi senilai 55,35 mmol / menit, 2,46 kali lebih besar dari laju alir hidrogen yang didapatkan oleh Mardiansyah (2011). Sedangkan konsumsi energi terendah senilai 1,13 kJ/mmol, 16,6 kali lebih rendah dari konsumsi energi yang didapatkan oleh Mardiansyah (2011). 5.2. 1. Saran Untuk mendapatkan produksi hidrogen dan konsumsi energi listrik yang maksimal, disarankan agar penelitian selanjutnya menggunakan variabel variabel seperti, larutan KOH konsentrasi rendah dengan aditif etanol yang 65 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia 66 cukup, dilakukan pada tegangan yang lebih tinggi dan posisi katoda yang sangat dekat dengan permukaan larutan elektrolit. 2. Sistem produksi hidrogen dengan mengunakan reaktor Glow Discharge Plasma Electrolysis pada penelitian ini harus dimodifikasi menjadi sistem kontinyu supaya ujung katoda tetap berada di permukaan larutan elektrolit. Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 DAFTAR REFERENSI American Nuclear Society, 2011; http://www.ans.org/pi/matters/hydrogen/ Barros, 2008; http://www.plasma.de/en/glossary-entry-486.html Chaffin, J.H., Bobbio, S.M., Inyang, H.I. & Kaanagbara, L. (2006). Hydrogen production by plasma electrolysis, Journal of Energy Engineering, 132, pp. 104-108 Gomez, E., Rani, D. Amutha., Cheeseman, C.R., Deegan, D., Wise, M., Boccaccini, A.R.. (2009). Thermal plasma technology for the treatment of wastes: A critical review, Journal of Hazardous Materials 161. 614–626. Hickling, A. and Ingram, M. D. (1964). Glow-discharge electrolysis. Journal of Electroanalytical Chemistry 8, 65-81 Huang, H. and Tang, L. (2007). Treatment of organic waste using thermal plasma pyrolysis technology. Energy Conversion and Management 48, 1331-1337. Jinzhang, Gao., Aixiang, WANG., Yan, FU, & Jianlin,WU. (2008). Analysis of Energetic Species Caused by Contact Glow Discharge Electrolysis in Aqueous Solution. Plasma Science and Technology, Vol.10. Kogelschatz, U. (2004). Atmospheric-Pressure Plasma Technology, Plasma Phys. Controlled Fusion 46, B63–B75. Lee, T.S. (1971). Hydrogen overpotential on pure metals in alkaline solution, J. Electrochem.Soc. 118,1278-1282. Li, Juan., Andrei Kazakov., Frederick L., Dryer. (2004) “Experimental and numerical studies of ethanol decomposition reaction” Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Princeton University. Mardiansyah. (2011) Sistem Produksi Hidrogen Melalui Proses Elektrolisis Plasma Non-Termal dalam Larutan Elektrolit KOH dengan Penambahan Metanol dan Etanol, Unpublished Thesis, Depok : University of Indonesia. Paulmier, T., Fulcheri, L. (2005). Use of non-thermal plasma for hydrocarbon reforming, Chemical Engineering Journal, 106, 59-71. Pletcher, D & Li, X. (2011). Prospects for alkaline zero gap water electrolysers for hydrogen production, International Journal of Hydrogen Energy, 36, 15089 e15104 67 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia R.A.Day, A.L.U., Analisis Kimia Kuantitatif, 2002, Erlangga: Jakarta Roth, J.R. (2001). “Aplications to Nonthermal Plasma Processing”, Industrial Plasma Engineering vol :2, IOP Publsh Philadelphia. Saksono. N, Abidin. J, Setidjo. B, Hydrogen Production Systems Design Through Plasma Non-Thermal Electrolysis Process, The 1st International Seminar on Fundamental & Application ISFAChE Of Chemical Engineering November 3-4, 2010 Sustainable Development Technology Canada. (2006, November). Renewable Fuel — Hydrogen, SD Business Case™. Canada : Author. Ursúa, Alfredo., Luis M. Gandia, Pablo Snchis. (2011, February). Hydrogen Production From Water Electrolysis: Current Status and Future Trends. Proceedings of the IEEE |Vol.100 Yan, ZC., C. Li, dkk (2009). "Hydrogen generation by glow discharge plasma electrolysis of methanol solutions." International Journal of Hydrogen Energy 34, 48-55. Yan ZC., Li, C., Wang Hong Lin W H., (2008). Hydrogen generation by glow discharge plasma electrolysis of ethanol solutions. College of Chemical and Energy Engineering, South China University of Technology, Guangzhou. Zeng, Kai., & Zhang, Dongke. (2010). Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications, Progress in Energy and Combustion Science, 36, 307–326. 68 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia Lampiran 1. Data pada perbedaan konsentrasi Etanol 1. Larutan 0,05 M KOH tanpa Etanol Laju alir Tegangan (Volt) 300 400 500 2. Arus (Ampere) 2,070 1,563 1,198 Gas Produk (mL / s) 5,953 6,833 6,303 Gas H2 (mL/menit) 22,537 39,643 70,731 Gas H2 (mmol / menit) 0,922 1,621 2,893 Komposisi (%) G (mol/mol) 6,31 9,67 18,7025 24,77808 37,67607 45,33723 Energi = Wr (kJ /mmol) Power (J/s) 620,97900 625,01200 598,94100 40,42150 23,12896 12,42234 Energi = Wr (kJ /mmol) Power (J/s) Larutan 0,05 M KOH + 5 % Etanol Laju alir Tegangan (Volt) Arus (Ampere) 300 400 500 5,5640 4,0210 3,1400 Gas Produk (mL / s) 7,5170 14,7016 26,0417 Gas H2 Gas H2 (mL/menit) (mmol / menit) 30,6188 388,9161 713,5634 1,252 15,907 29,185 Komposisi (%) G (mol/mol) 6,7888 44,0900 45,6680 69 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 11,6404 31,5021 71,4577 79,974 6,067 3,228 1669,2000 1608,4000 1570,0000 Universitas Indonesia 3. Larutan 0,05 M KOH + 10 % Etanol Laju alir Tegangan (Volt) 300 400 500 4. Arus (Ampere) 4,4020 2,8109 2,7320 Gas Produk (mL / s) 3,0850 13,8160 31,8750 Gas H2 (mL/menit) 48,7348 350,6501 866,9363 Gas H2 (mmol / menit) 1,993 14,342 35,458 Komposisi (%) G (mol/mol) 26,3288 42,3000 45,3300 6,0383 42,3493 100,5261 Energi = Wr (kJ /mmol) Power (J/s) 39,752 1320,6000 4,704 1124,3600 2,311 1366,0000 Larutan 0,05 M KOH + 15% Etanol Laju alir Tegangan (Volt) 300 400 500 Arus (Ampere) 3,1690 2,0360 2,8084 Gas Produk (mL / s) 2,9430 28,5060 31,5216 Gas H2 Gas H2 (mL/menit) (mmol / menit) 30,7043 680,6805 807,5834 1,256 27,840 33,030 Komposisi (%) 17,38830 39,79750 42,70000 G (mol/mol) 8,00161 120,63346 96,70715 70 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Energi = Wr (kJ /mmol) 45,423 1,755 2,551 Power (J/s) 950,7 814,4 1404,2 Universitas Indonesia Lampiran 2. Data elektrolisis plasma pada perbedaan konsentrasi KOH 1. Larutan 0,1 M KOH + Etanol 10 % Laju alir Tegangan (Volt) 300 400 500 2. Arus (Ampere) 4,0943 3,6900 3,3914 Gas Produk (mL / s) Gas H2 Gas H2 (mL/menit) (mmol / menit) 5,2421 25,8404 32,6155 130,9047 684,4734 879,6400 5,354 27,995 35,977 Komposisi (%) G (mol/mol) Energi = Wr (kJ /mmol) 41,6200 44,1475 44,9500 16,5322 81,4944 102,8614 13,765 3,163 2,828 Power (J/s) 1228,2900 1476,0000 1695,7150 Larutan 0,05 M KOH + Etanol 10 % Laju alir Tegangan (Volt) Arus (Ampere) 300 400 500 4,4020 2,7320 1,5800 Gas Produk (mL / s) 10,0890 18,3750 31,8750 Gas H2 (mL/menit) Gas H2 (mmol / menit) 124,457904 465,255 924,31125 5,090 19,029 37,804 Komposisi (%) 20,5600 42,2000 48,3300 G (mol/mol) 31,8183 57,9503 100,5261 71 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Energi = Wr (kJ /mmol) 15,566 3,446 1,254 Power (J/s) 1320,6 1092,8 790 Universitas Indonesia 3. Larutan 0,03 M KOH + Etanol 10 % Laju alir Tegangan (Volt) 300 400 500 Arus (Ampere) 2,8883 2,3876 1,9611 Gas Produk (mL / s) 4,5765 15,4563 15,7937 Gas H2 (mL/menit) 37,0974 341,6461 390,5150 Gas H2 (mmol / menit) 1,517 13,973 15,972 Komposis i (%) G (mol/mol) 13,5100 36,8400 41,2100 72 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 14,4333 48,7455 49,8095 Energi = Wr (kJ /mmol) 34,265 4,101 3,684 Power (J/s) 866,4990 955,0400 980,5500 Universitas Indonesia Lampiran 3. Data Produktifitas Elektrolisis Plasma pada perbedaan jarak antara katoda dan permukaan larutan. Konsentrasi larutan KOH = 0,05 M + Aditif Etanol 10 % Konduktansi larutan sebelum elektrolisis plasma = 6,9 mS Konduktansi larutan setelah elektrolisis plasma = 5,95 mS pH Larutan sebelum elektrolisis plasma = 12,78 pH Larutan setelah elektrolisis plasma = 10,7 Jarak katoda terhadap permukaan larutan 0 1 2 3 6,6 Arus Gas Produk (mL / s) Gas H2 (mL/menit) 1,8315 1,8981 1,7606 1,6735 1,6039 41,9538 36,6295 35,1312 32,7257 17,4747 1084,6735 978,5945 927,1833 861,4059 441,5158 Gas H2 Komposisi (mmol/menit) 44,363 40,024 37,922 35,231 18,058 43,0900 44,5267 43,9867 43,8700 42,1100 73 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 G Energi = Wr Power (J/s) (mol/mol) (kJ /mmol) 132,3122 115,5206 110,7954 103,2090 55,1110 1,239 1,423 1,393 1,425 2,665 915,7350 949,0650 880,2750 836,7400 801,9600 Universitas Indonesia Lampiran 4. Data elektrolisis plasma pada tegangan tinggi Konsentrasi larutan KOH = 0,03 M + Aditif Etanol 10 % Konduktansi larutan sebelum elektrolisis plasma = 3,93 mS Konduktansi larutan setelah elektrolisis plasma = 2,73 mS pH Larutan sebelum elektrolisis plasma = 12,35 pH Larutan setelah elektrolisis plasma = 9,54 Tegangan 300 400 500 600 700 Arus 2,4700 1,9589 1,2218 1,3904 1,5156 Gas Produk (mL / s) Gas H2 (mL/menit) Gas H2 (mmol / menit) Komposisi (%) G (mol/mol) Energi = Wr (kJ /mmol) Power (J/s) 4,7257 12,9365 15,4563 30,3540 47,4623 47,6351 306,4918 384,0578 761,3384 1239,9051 1,948 12,535 15,708 31,139 50,712 16,8000 39,4867 41,4133 41,8033 43,5400 14,904 40,799 48,745 95,729 149,685 27,030 4,442 2,764 1,904 1,487 741,0000 783,5600 610,8770 834,2400 1060,8990 74 Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 Universitas Indonesia 75 Lampiran 5. Perhitungan Pengolahan Data 1. Pembuatan Larutan KOH 0,05 M Volume larutan = 1 Liter Berat molekul KOH = 56 gr / mol Molaritas Larutan = 0,05 M = Berat KOH yang ditimbang = = = 2,8 gram 2. Pembuatan Larutan KOH 0,05 M dengan aditif Etanol 10 %. Volume Etanol = 10 % Volume Larutan KOH Volume Total = 1000 mL Volume Total = Volume KOH + 10% Volume KOH 1000 mL = 1,1 Volume KOH Volume KOH = 909,0909 mL Berat Molekul KOH = 56 gr /mol Molaritas KOH = 0,05 M ( = Berat KOH yang ditimbang = ( = = 3,08 gram Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 76 3. Contoh perhitungan laju alir gas Hidrogen dan Oksigen Elektrolisis Plasma. 4. Contoh perhitungan laju produksi H2 (mmol/menit) KOH 0,05 M + etanol 10 %. V gas = 31,875 mL/detik X = 1 (Perbandingan koefisien Hidrogen terhadap total produk gas). - Mencari nilai n dari perbandingan terhadap kondisi STP. ( - Mencari nilai laju produksi H2. = Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012 77 = = 5. Contoh Perhitungan G(H2) (mol . mol-1) KOH 0,05 M + Etanol 10 % selama 2 menit pada kondisi 500 Volt, 80-85 oC : ( ( = ( = = ( ) ) ) = 100,5261 mol.mol -1 6. Contoh perhitungan Wr 0,05 M KOH + 10 % Etanol pada tegangan 500 Volt, = Dengan V Q = Tegangan listrik yang melalui rangkaian = Muatan listrik = Volume Hidrogen = Konsumsi energi ( = = 1,485 kJ/mmol Universitas Indonesia Sistem produksi..., Taher Batubara, FT UI, 2012
