Bab I Pendahuluan

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tinjauan Umum
Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi
menjadi energi kimia. Komponen terpenting dalam elektrolisis adalah larutan
elektrolit
dan elektroda. Pada elektrolisis, katoda merupakan kutub negatif dan
anoda
adalah kutub positif.
Salah satu bentuk elektrolisis adalah elektrolisis air untuk memproduksi gas
hidrogen. Alat untuk memproduksi gas hidrogen dengan metoda elektrolisis air
disebut elektroliser (reaktor elektrokimia). Agar lebih efisien, dalam memproduksi
gas hidrogen dengan menggunakan metode elektrolisis air perlu ditambahkan
larutan elektrolit. Larutan elektrolit terbaik yang biasanya digunakan dalam proses
elektrolisis air adalah NaOH dengan konsentrasi 4% b/v atau KOH dengan
konsentrasi 28% b/v.[7]
Untuk memproduksi hidrogen dengan menggunakan metoda elektrolisis dan
air sebagai bahan bakunya diperlukan arus listrik untuk memecahkan molekul air
menjadi unsur-unsur penyusunnya. Pada katoda, molekul air bereaksi dengan
menangkap elektron dan tereduksi menjadi gas H 2 dan ion hidroksida (OH-).
Sedangkan pada anoda, ion hidroksida(OH-) akan terurai menjadi gas oksigen
(O 2 ), melepaskan empat ion H+ dan mengalirkan elektron ke elektroda. Reaksi
yang terjadi pada proses elektrolisis air dapat dituliskan sebagai berikut:
Katoda (reduksi)
: 2 H 2 O (l) + 2e-→ H 2 (g) + 2 OH-(aq) x2
Anoda (oksidasi)
: 4 OH-(aq) → O 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4 e-
Keseluruhan reaksi
: 2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)
7
Bab II Tinjauan Pustaka
|8
2.2
Air
Air adalah zat kimia yang penting bagi semua kehidupan di bumi. Air
menutupi hampir 71% permukaan bumi. Terdapat 1,4 triliun km3 (330 juta mil3)
air tersedia di bumi.
Air memiliki rumus kimia H 2 O. Satu molekul air tersusun atas dua atom
hidrogen yang terikat secara kovalen dengan satu atom oksigen. Pada keadaan
standar,
air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau. Air merupakan
suatu
pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak
zat kimia, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan molekulmolekul organik, sehingga sering disebut pelarut universal.
Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat pada
tekanan dan suhu standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai
sebuah ion hidrogen (H+) yang berikatan dengan sebuah ion hidroksida (OH-).
Informasi mengenai sifat-sifat air dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Sifat-sifat Air.
Nama Sistematis
Nama Alternatif
Rumus Molekul
Massa Molar
Densitas & Fase
Titik Lebur
Titik Didih
Kalor Jenis
Air
Aqua, dihidrogen monoksida, hidrogen hidroksida
H2O
18,0153 gr/mol
0,998 gr/ cm3 (cairan pada 20oC), 0,920 gr/cm3 (padatan)
0oC (273,15 K) (32oF)
100oC (373,15 K) (212oF)
4148 J.Kg-1K-1(Cairan pada 20oC)
Sumber: http://id.wikipedia.org/wiki/air
2.3
Hidrogen
2.3.1
Definisi Hidrogen
Hidrogen adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki
simbol H dan nomor atom 1. D engan massa atom 1,00794 a mu, hidrogen
adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen adalah unsur paling melimpah
dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta.[1]
Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
|9
Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak
berbau, tidak beracun, bersifat non-logam, merupakan gas molekul
diatomik, dengan rumus molekul H 2 yang mudah terbakar. Unsur hidrogen
relatif langka dan jarang ditemukan secara alami di bumi karena hidrogen
mudah membentuk senyawa kovalen dengan kebanyakan unsur, serta ada
dalam molekul air dan kebanyakan senyawa organik. Sifat-sifat hidrogen
dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Sifat-sifat Hidrogen
Nama, lambang, nomor atom
Fase
Massa Jenis
Titik lebur
Titikdidih
Titik Kritis
Kalor Peleburan
Kalor Penguapan
Kapasitas Kalor
Konduktivitas Termal
Hidrogen, H, 1
Gas
0,08988 gr/l (0oC, 1 atm)
14,01 K (-259,14oC, -434,45oF)
20,28 K (-252,87oC, -423,17oF
32,97 K, 1,293 Mpa
(H 2 ) 0,117 kJ.mol-1
(H 2 ) 0,904 kJ.mol-1
28,836J.mol-1.K-1 ( 25oC )
180,5 m W.m-1.K-1 (300 K)
Sumber: http://id.wikipedia.org/hidrogen
2.3.2
Sejarah Hidrogen
Gas hidrogen, H 2 , pertama kali dihasilkan secara tidak sengaja oleh
T. Von Hohenheim (dikenal juga sebagai Paracelsus, tahun 1493 - 1541)
melalui pencampuran logam dengan asam kuat. Dia tidak menyadari bahwa
gas yang mudah terbakar yang dihasilkan oleh reaksi kimia ini adalah unsur
kimia yang baru. Pada tahun 1671, Robert Boyle menemukan kembali dan
mendeskripsikan reaksi antara besi dan asam yang menghasilkan gas
hidrogen. Pada tahun 1766, Henry Cavendish adalah orang yang pertama
kali mengenali gas hidrogen sebagai zat diskret dengan mengidentifikasi gas
tersebut dari reaksi logam-asam sebagai “udara yang mudah terbakar”. Pada
tahun 1781 dia mengatakan bahwa gas ini menghasilkan air ketika dibakar.
Pada tahun 1783, A ntoine Lavoisier memberikan unsur ini dengan nama
hidrogen (dari Bahasa Yunani, hydro yang artinya air dan genes yang
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 10
artinya membentuk), ketika dia dan Laplace mengulang kembali penemuan
Cavendish yang mengatakan pembakaran hidrogen menghasilkan air.
Hidrogen pertama kali dicairkan oleh James Dewar pada tahun 1898
dengan menggunakan penemuannya, tabung hampa udara. Dia kemudian
menghasilkan hidrogen padat setahun kemudian.[4]
Hidrogen dapat digunakan sebagai tenaga pendorong untuk
perjalanan udara dan pada tahun 1852 H enri Giffard menciptakan kapal
udara yang diangkat oleh hidrogen. Kemudian seorang bangsawan Jerman
Ferdinand von Zeppelin mengumumkan idenya tentang kapal udara yang
diangkat dengan hidrogen dan kemudian dinamakan Zeppelin dengan
penerbangan perdana pada tahun 1900. Penerbangan rutin dimulai pada
tahun 1910 sampai dengan pecahnya perang dunia II. Zeppelin telah
membawa 35.000 penumpang tanpa insiden yang serius.
2.3.3
Manfaat Hidrogen[8]
Hidrogen digunakan dalam beragam aplikasi yang meliputi banyak
industri, diantaranya:
a.
Food & Beverage
Gas hidrogen digunakan dalam produksi plastik, polyester dan
nylon. Gas hidrogen juga digunakan dalam proses hidrogenasi
amines dan fatty acids (food oils).
b. Gelas, Semen, dan Kapur
Hidrogen adalah gas aktif yang digunakan dalam kombinasi
dengan gas nitrogen untuk menciptakan suasana reduktif selama
proses float glass. Selain itu juga hidrogen digunakan untuk
perlakuan panas (oxy-hidrogen flame) pada kaca berongga (hollow
glass) dan pra bentuk serat optik.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 11
c.
Hidrogen digunakan untuk memperoleh suasana reduktif untuk
berbagai macam proses perlakuan panas.
d. Laboratorium dan Analisis
Gas hidrogen digunakan sebagai pembawa gas (carrier gas)
Industri Logam
dalam kromatografi gas (GC) dan dalam berbagai macam aplikasi
analitik instrumen, gas hidrogen sering digunakan sebagai komponen
bahan bakar dalam gas pembakaran untuk flame ionization detector
(FID) dan flame photometric detector (FPD).
e.
Pengelasan, Pemotongan dan Pelapisan
Hidrogen digunakan untuk proses perlakuan panas pada
berbagai logam-logam.
f.
Minyak dan Gas
Hidrogen digunakan untuk meningkatkan kualitas dari minyak
bumi dengan menghilangkan sulfur organik dari minyak mentah,
serta untuk mengkonversi heavy crude menjadi lighter crude.
g. Angkasa dan Aeronautika
Hidrogen digunakan dalam keadaan cair sebagai ergols untuk
penggerak pada tahap kriogenik dari roket Ariane.
h. Elektronika
Hidrogen digunakan sebagai gas pembawa (carrier gas) dalam
proses semikonduktor, terutama untuk deposisi silikon atau
penumbuhan kristal dan sebagai scavenger gas dalam pematrian
serta untuk pendinginan pada lapisan tembaga.
i.
Otomotif dan Transportasi
Hidrogen adalah sumber energi bebas karbon yang digunakan
dalam fuel cell.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 12
j.
Energi
Dewasa ini hidrogen juga bisa digunakan langsung sebagai
bahan bakar pengganti bahan bakar konvensional.
2.3.4
Produksi Hidrogen
Hidrogen bukanlah sumber energi, tetapi merupakan vektor atau
pembawa energi (carrier energy), artinya hidrogen tidak tersedia bebas di
alam, tetapi harus diproduksi dari salah satu sumber energi utama. Ada tiga
sumber energi utama yang ada di alam, yaitu bahan bakar fosil (fossil fuel) ,
nuklir (nuclear), dan energi terbarukan (renewable energy).
Di bumi, hidrogen ditemukan dalam kombinasi dengan unsur
lainnya (senyawa). Sebagai contoh, di dalam air, hidrogen dikombinasikan
dengan oksigen. Di dalam bahan bakar fosil, hidrogen dikombinasikan
dengan karbon seperti dalam minyak bumi, gas, dan batubara.[2] Berikut ini
adalah gambar jalur produksi hidrogen.
Gambar 2.1 Jalur Produksi Hidrogen[2]
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 13
Ada beberapa macam proses pembuatan hidrogen atau ekstraksi
dengan bahan baku yang berbeda pula. Dewasa ini, teknologi yang paling
dominan dalam memproduksi hidrogen adalah steam reforming dari
hidrokarbon (bahan bakar fosil). Selain itu banyak metode lain yang dikenal
seperti elektrolisis dan termolisis.
Metode produksi hidrogen yang paling banyak digunakan adalah
steam reforming dari hidrokarbon, proses ini merupakan salah satu metode
terbaik untuk memproduksi hidrogen dari gas alam. Di Amerika 95% gas
hidrogen diproduksi dengan menggunakan metoda ini.[2] Reaksi utamanya:
CH4 + H2O →CO + 3 H2
reaksi ini bersifat katalitik, endotermis, dan berlangsung pada suhu tinggi
(700 – 1.000°C).
Selain itu ada juga metode produksi hidrogen lain yang
menggunakan bahan bakar fosil sebagai bahan baku produksi, seperti
partial oxidation dan plasma reforming, coal gasification, dan coal
carbonization.
Selain metode produksi hidrogen dengan bahan baku bahan bakar
fosil, ada beberapa metode produksi hidrogen dengan menggunakan air
sebagai bahan bakarnya, seperti elektrolisis, termolisis, proses biokimia dan
fotokimia. Banyak teknologi yang telah dieksplorasi, tetapi perlu dicatat
bahwa aplikasi metode produksi hidrogen dengan termal, termokimia,
biokimia, dan fotokimia sejauh ini tidak ditemukan di industri manapun,
hanya ada elektrolisis larutan alkali suhu tinggi yang ditemukan dalam
beberapa aplikasi di industri.
Metoda steam reforming dari energi fosil saat ini masih dianggap
paling ekonomis dan banyak digunakan secara komersial di industri. Cara
lain juga dapat digunakan adalah dengan menggunakan metoda elektrolisa
air, namun metoda ini secara komersial masih dianggap menguntungkan
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 14
karena masih membutuhkan energi listrik yang cukup besar dibandingkan
dengan teknik steam reforming. karakteristik biaya dan kinerja proses
produksi hidrogen bisa dilihat pada tabel berikut:
Tabel 2.3. Daftar Karakteristik Biaya Dan Kinerja Proses Produksi Hidrogen.[2]
Metoda
Reformasi Uap Metana
Energi yang
dibutuhkan
(kWh/Nm3)
Ideal
Praktis
0.78
2-2.5
Pyrolysis Metana / Gas Alam
Reformasi H2S Metana
1.5
-
Reformasi gas kering TPA
Status
Teknologi
Efisiensi
[%]
Biaya
Realtif
ke RUM
Mature
70-80
1
R&D to
mature
72-54
0.9
R&D
50
<1
R&D
47-58
~1
Oksidasi Parsial Minyak Berat
0.94
4.9
Mature
70
1.8
Gasifikasi Batu Bara
1.01
8.6
Mature
60
1.4-2.6
Proses Uap Besi
R&D
46
1.9
Reformasi Uap Limbah Minyak
R&D
75
<1
R&D
27
3-10
R&D to
mature
10
>3
Elektrolisis Air Suhu Tinggi
R&D
48
2.2
Termokimia Pemisahan Air
early R&D
35-45
6
R&D
45-50
2.0-2.4
Fotobiologi
early R&D
<1
Fotolisis Air
early R&D
<10
Fotoelektrokimia Air
early R&D
Fotokatalitik Air
early R&D
Elektrolisis Air
Elektrolisis Air ( Panel Surya)
Gasifikasi Biomassa
3.54
4.9
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
hasil
samping
Mature
Elektrolisis Klor Alkali
Bab II Tinjauan Pustaka
| 15
2.4
Elektrolisis
Elektrolisis
adalah
permisahan
senyawa
menjadi
elemen-elemen
penyusunnya dengan memberikan arus listrik. Kata elektrolisis berarti proses
memecah molekul menjadi bagian kecil dengan menggunakan arus listrik. Kutub
positif dan negatif dari sebuah sumber listrik dapat menyerap ion yang berlawanan
dari sebuah elektrolit, menyebabkan pemisahan ion dan pembentukan zat baru.[9]
Komponen utama yang diperlukan dalam proses elektolisis adalah:
a.
Elektrolit
Elektrolit adalah zat yang mengandung ion bebas yang merupakan
pembawa arus listrik dalam elektrolit. Jika ion-ion dalam elektrolit tidak
bergerak, seperti pada garam padat (solid salt) maka elektrolisis tidak dapat
terjadi.
b.
Sumber arus listrik searah (DC)
Sumber arus listrik searah (DC) ini berfungsi sebagai penyedia energi
yang diperlukan untuk membuat atau melepaskan ion dalam elektrolit. Arus
listrik dibawa oleh elektron dalam sirkuit eksternal.
c.
Elektroda
Elektroda adalah sebuah penghantar listrik antara sumber listrik atau
rangkaian listrik sebagai penyedia energi dan elektrolit. Elektroda yang
digunakan kebanyakan terbuat dari logam, grafit dan bahan semikonduktor.
Pemilihan bahan elektroda tergantung pada reaksi kimia antara elektroda
dan elektrolit dan biaya pembuatannya. Gambar Proses elektrolisis dapat
dlihat pada Gambar. 2.2
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 16
Gambar 2.2 Sel Elektrolisis[10]
Proses kunci dalam elektrolisis adalah pertukaran atom dan ion
dengan penghapusan atau penambahan elektron dari sirkuit eksternal.
Produk elektrolisis yang dihasilkan dalam beberapa keadaan fisik yang
berbeda dari elektrolit dan dapat dihilangkan dengan beberapa proses fisika.
Sebagai contoh, dalam elektrolisis air garam untuk menghasilkan hidrogen
dan klorin, produk yang dihasilkan adalah gas hidrogen dan klorin. Produk
gelembung gas tersebut berasal dari elektrolit dan diakumulasikan.[15]
Setiap elektroda menarik ion yang berlawanan muatan. Ion
bermuatan positif (kation) bergerak membawa elektron menuju katoda
(negatif), sedangkan ion bermuatan negatif (anion) bergerak menuju anoda
positif.
Pada elektroda, elektron diserap atau dilepaskan oleh atom dan ion.
Atom-atom yang mendapatkan atau kehilangan elektron menjadi ion
bermuatan masuk ke dalam elektrolit. Ion-ion yang mendapatkan atau
kehilangan elektron menjadi atom bermuatan, terpisah dari elektrolit.
Energi yang dibutuhkan untuk mengakibatkan ion bermigrasi ke
elektroda, dan energi untuk menyebabkan perubahan dalam keadaan ionik,
disediakan oleh sumber eksternal potensial listrik.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 17
2.4.1
Elektrolisis Air
Elektrolisis air adalah penguraian air (H 2 O) menjadi oksigen (O 2 )
dan hidrogen (H 2 ) karena adanya arus listrik yang dialirkan melewati air.
Prinsip dari elektrolisis air ini adalah sumber arus listrik searah (rectifier)
dihubungkan ke dua elektroda, atau dua pelat (biasanya terbuat dari
beberapa logam inert) yang ditempatkan di dalam air.[14] Hidrogen akan
muncul pada katoda (elektroda bermuatan negatif, di mana elektron
memasuki air), dan oksigen akan muncul di anoda (elektroda bermuatan
positif). Dengan asumsi efisiensi faraday ideal, jumlah hidrogen yang
dihasilkan adalah dua kali jumlah mol oksigen, dan keduanya sebanding
dengan jumlah muatan listrik yang dihantarkan oleh larutan. Proses
elektrolisis air dapat dilihat pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Elektrolis air.[11]
Elektrolisis air murni membutuhkan energi berlebih dalam bentuk
overpotential untuk mengatasi berbagai hambatan aktivasi. Tanpa kelebihan
energi, elektrolisis air murni terjadi sangat lambat atau tidak sama sekali.
Hal ini karena ionisasi diri dari air yang terbatas. Air murni memiliki
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 18
konduktivitas listrik sekitar sepersejuta bahwa air laut dan banyak sel
elektrolisis juga kekurangan elektrokatalis yang diperlukan. Efisiensi
elektrolisis meningkat melalui penambahan elektrolit (seperti garam, asam
atau basa) dan penggunaan elektrokatalis. Saat ini proses elektrolisis jarang
digunakan dalam aplikasi industri sejak hidrogen dapat diproduksi lebih
terjangkau dari bahan bakar fosil.[14]
Dalam air murni pada katoda bermuatan negatif, terjadi reaksi
reduksi, dengan elektron (e-) dari katoda yang diberikan kepada kation
hidrogen untuk membentuk gas hidrogen (reaksi setengah seimbang dengan
asam):
Katoda (reduksi) :
2 H+
(aq)
+ 2 e- → H 2
(g)
Pada anoda bermuatan positif, reaksi oksidasi terjadi, menghasilkan
gas oksigen dan memberikan elektron ke anoda untuk menyelesaikan
rangkaian:
Anoda (oksidasi) :
2 H 2 O (l) → O 2
(g)
+ 4 H+
(aq)
+ 4e-
Reaksi setengah yang sama juga dapat diimbangi dengan basa
seperti tercantum di bawah ini. Tidak semua setengah reaksi harus seimbang
dengan asam atau basa. Untuk menambahkan setengah reaksi maka
keduanya harus seimbang dengan baik asam atau basa.
Katoda (reduksi) :
2 H 2 O (l) + 2e-→ H 2 (g) + 2 OH-(aq)
Anoda (oksidasi) :
4 OH-(aq) → O 2 (g) + 2 H 2 O (l) + 4 e-
Menggabungkan kedua pasangan reaksi setengah sama dengan
menghasilkan penguraian keseluruhan air menjadi oksigen dan hidrogen:
Keseluruhan reaksi :
2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)
Jumlah molekul hidrogen yang dihasilkan dengan demikian dua kali
jumlah molekul oksigen. Dengan asumsi suhu dan tekanan yang sama untuk
kedua gas, gas hidrogen yang dihasilkan memiliki itu dua kali volume gas
oksigen dihasilkan. Jumlah elektron mendorong melalui air adalah dua kali
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 19
jumlah molekul hidrogen yang dihasilkan dan empat kali jumlah molekul
oksigen yang dihasilkan.[10]
2.4.2
Elektroda
Elektroda merupakan komponen yang sangat penting dalam proses
elektrolisis. Elektroda adalah sebuah penghantar listrik yang dipakai untuk
membuat kontak dengan bagian nonlogam dari sebuah sirkuit (seperti
semikonduktor, elektrolit atau vakum).
Elektroda dalam sel elektrokimia dapat disebut juga dengan anoda
dan katoda. Anoda didefinisikan sebagai elektroda dimana elektron datang
dari sel elektrokimia dan oksidasi terjadi, sedangkan katoda didefinisikan
sebagai elektroda dimana elektron memasuki sel elektrokimia dan reduksi
terjadi. S etiap elektroda dapat menjadi anoda atau katoda tergantung dari
arus listrik yang diberikan. Dalam elektrolisis anoda merupakan kutub
positif sedangkan katoda adalah kutub negatif.
Pemilihan material elektroda merupakan aspek yang sangat penting
dalam proses elektrolisis. Kriteria pemilihan bahan untuk elektroda adalah
sebagai berikut. [16]
a. Sesuai dengan sifat electrocatalytic dan elektrokimia
b. Kestabilan kimia dan elektrokimia
c. Kestabilan fisik dan termal
d. Bentuk fisik dan fabrikasi yang sesuai
e. Penghantar listrik yang baik
f. Overpotential rendah
g. Ramah lingkungan (tidak menyebabkan polusi / tidak ada
pencemaran)
h. Biaya rendah
Bahan elektroda yang digunakan dalam penelitian ini adalah stainless
steel (SS) dengan grade 304 dan 430.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 20
Stainless Steel (SS) grade 304[17]
Stainless steel (SS) grade 304 adalah variasi dari basic grade 18-8,
tipe 302, dengan dengan kandungan krom yang lebih tnggi dan kandungan
karbon yang lebih rendah untuk mengurangi presipitasi kromium karbida
yang disebabkan oleh pengelasan dan kerentanan terhadap korosi granular.
Spesifikasi dari SS 304 dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4 Spesifikasi Stainless Steel grade 304
Komposisi
Karbon
Mangan
Posfor
Sulfur
Silikon
Krom
Nikel
Nitrogen
Besi
Sifat Mekanik
UTS
0,2% YS
Pemuluran 2”
Hardness Rockwell
Sifat Fisik
Densitas
Resistivitas Listrik
Specific Heat
Konduktivitas Termal
Maksimal 0,08 %
Maksimal 2.00 %
Maksimal 0,045 %
Maksimal 0,03 %
Maksimal 0,75 %
18.0 -20.0 %
8.0 – 12 %
Maksimal 0,10 %
Balance
621 Mpa
290 Mpa
55
B82
8,03 g.cm-3
72 µΩ (20 oC)
0,50 kJ.Kg-1.K-1 (0 – 100 oC)
16.2 W.m-1.K-1 (100 oC)
Stainless Steel (SS) grade 430[18]
Stainless Steel (SS) grade 430 adalah salah satu yang paling banyak
digunakan dalam “non-hardenable” baja tahan karat feristik. Jenis ini
menggabungkan ketahanan korosi yang baik dan tahan oksidasi dan panas
sampai 816 oC dengan sifat mekanik yang baik. Spesifikasi dari SS 430
dapat dilihat pada Tabel 2.5.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 21
Tabel 2.5 Spesifikasi Stainless Steel grade 430
Komposisi
Karbon
Mangan
Posfor
Sulfur
Silikon
Krom
Nikel
Besi
Sifat Mekanik
UTS
0,2% YS
Pemuluran 2”
Hardness Rockwell
Sifat Fisik
Densitas
Resistivitas Listrik
Specific Heat
Konduktivitas Termal
2.4.3
Maksimal 0,12 %
Maksimal 1.00 %
Maksimal 0,04 %
Maksimal 0,03 %
Maksimal 1,00 %
16.0 -18.0 %
Maksimal 0,50 %
Balance
483 Mpa
310 Mpa
25
B85
7,74 g.cm-3
60 µΩ (20 oC)
0,11 kJ.Kg-1.K-1 (0 – 100 oC)
26,1 W.m-1.K-1 (100 oC)
Elektrolit
Jika proses yang dijelaskan di atas terjadi pada air murni, kation H+
akan terakumulasi pada anoda, dan anion OH- akan terakumulasi pada
katoda. Hal ini dapat diverifikasi dengan menggunakan indikator pH pada
air. Air di dekat anoda akan bersifat asam, sedangkan air di dekat katoda
akan bersifat basa.
Air murni adalah isolator yang cukup baik karena memiliki auto
ionosisasi yang rendah, Kw = 1.0 x 10
-14
pada suhu kamar dan dengan
demikian air murni dapat dikatakan buruk dalam menghantarkan arus listrik,
dengan nilai 0.055 µ S.cm−1, kecuali jika potensial yang sangat besar
diterapkan untuk menyebabkan peningkatan auto ionisasi air. Proses
elektrolisis air murni berlangsung sangat lambat dibatasi oleh konduktivitas
secara keseluruhan.
Jika elektrolit atau elektrokatalis ditambahkan, maka konduktivitas air
akan jauh meningkat. Elektrolit memisahkan diri menjadi kation dan anion.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 22
Anion bergegas menuju anoda dan menetralisir penumpukan ion H+, begitu
juga dengan kation bergegas menuju katoda dan menetralisir penumpukan
ion OH-. Hal ini memungkinkan aliran listrik yang terus menerus.[14]
Elektrolit adalah suatu zat yang larut atau terurai ke dalam bentuk ion-
ion dan selanjutnya larutan menjadi konduktor elektrik, ion-ion merupakan
atom-atom bermuatan elektrik.
Elektrolit umumnya berbentuk asam, basa, atau garam. Beberapa gas
tertentu dapat berfungsi sebagai elektrolit pada kondisi tertentu misalnya
pada suhu tinggi atau tekanan rendah. Elektrolit kuat identik dengan asam,
basa dan garam kuat.
Harus diperhatikan dalam memilih elektrolit, anion dari elektrolit
harus mempunyai potensial elektron standar diatas ion hidroksida, karena
anion dari elektrolit bersaing dengan ion hidroksida untuk melepaskan
electron. Jika potensial elektroda standar anion kurang dari hidroksida,
maka akan teroksidasi dan tidak akan ada gas oksigen dihasilkan.
Sedangkan jika kation dengan potensial elektroda standar lebih besar dari
ion hidrogen akan mengalami reduksi, dan tidak ada gas hidrogen akan
diproduksi. [14]
Larutan elektrolit terbaik
yang digunakan
dalam melakukan
elektrolisis air adalah larutan NaOH dengan konsentrasi 4% b/v atau KOH
dengan konsentrasi 28 % b/v.[7]
2.4.4
Tegangan Kerja
Tegangan kesetimbangan dari proses elektrolisis air secara teoritis
adalah 1,23 V olt. Namun, pada kenyataannya, proses elektrolisis ini
memerlukan tegangan yang jauh lebih besar dari tegangan kesetimbangan
tersebut. Hal ini terjadi karena pengukuran tegangan kesetimbangan 1,23
Volt tersebut adalah pada keadaan standar yang tidak dapat dicapai dengan
kondisi penelitian di laboratorium, serta pada prosesnya selalu terjadi
overpotential pada sistem.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 23
Overpotential menyebabkan tegangan jauh lebih besar dari pada
tegangan keseimbangan, ada 3 jenis overpotential, yaitu:
a. Overpotential Ohmik
Overpotential ohmik disebabkan adanya hambatan dalam
rangkaian listrik dan dalam elektrolit yang digunakan dalam proses
elektrolisis air. Nilai overpotential ohmik sangat kecil dibandingkan
dengan nilai overpotential lainnya.
b. Overpotential Aktivasi
Overpotential aktivasi adalah overpotential yang dibutuhkan
untuk mencapai energi aktivasi dari proses reaksi sehingga reaksi
tersebut dapat berjalan. Overpotential ini dibutuhkan untuk memulai
perpindahan elektron.
c. Overpotential Konsentrasi
Overpotential konsentrasi terjadi akibat ketidakseragaman profil
konsentrasi elektrolit sehingga menyebabkan laju difusi menjadi
lambat.[19]
2.4.5
Arus
Proses elektrolisis bisa terjadi karena adanya pengaliran arus listrik
kepada elektroda yang ditempatkan pada larutan elektrolit. Kutub positif
dari sumber listrik ditempatkan pada katoda, sedangkan kutub negatif
ditempatkan pada anoda. Di katoda, molekul air bereaksi dengan
menangkap elektron dan tereduksi menjadi gas H 2 dan ion hidroksida (OH). Sedangkan di anoda, ion hidroksida (OH-) akan terurai menjadi gas
oksigen (O 2 ), melepaskan empat ion H+ dan mengalirkan elektron ke
elektroda. Jika arus yang diberikan diperbesar maka aliran elektronpun akan
semakin cepat sehingga proses pembentukan gelembung-gelembung gas
dipermukaan elektroda akan semakin cepat. Dengan demikian produktivitas
pembentukan gas hidrogen dan oksigen semakin cepat.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 24
2.4.6
Resistansi
Arus Listrik dapat mengalir melalui konduktor (dalam proses
elektrolisis elektroda berfungsi sebagai konduktor). Material konduktor dari
bahan yang berbeda memiliki karakteristik hantaran yang berbeda.
Konduktor memiliki sebuah besaran yang mempengaruhi bagaimana arus
listrik mengalir pada material tersebut yang disebut hambatan. Hambatan
didefinisikan sebagai ukuran mudah tidaknya suatu arus listrik mengalir
pada material konduktor. Hambatan listrik suatu konduktor, disimbolkan
dengan R, merupakan perbandingan antara beda potensial dan arus listrik
yang mengalir pada konduktor tersebut.
Pada 1826, George Simon Ohm pertama kali mempublikasikan hasil
eksperimen yang telah dilakukannya yang mengkarakterisasi berbagai
hambatan bahan. Ohm memperoleh kesimpulan bahwa nilai hambatan suatu
bahan selalu konstan walaupun bahan tersebut diberi beda potensial yang
berbeda-beda. Pernyataan tersebut kemudian dikenal dengan hukum Ohm.
Hambatan listrik R tidak bergantung pada beda potensial yang
mengalir pada suatu konduktor. Hambatan listrik R merupakan karakteristik
intrinsik bahan yang bergantung pada geometri dan besaran yang disebut
resistivitas (hambat jenis), ρ R (tanda subscript R dimaksudkan untuk
membedakan simbol ρ rapat muatan per satuan volume dengan hambat jenis
material konduktor). Resistansi ini berpengaruh pada jumlah arus yang
diberikan pada elektroda.
[22]
Bahan dengan resistivitas rendah mudah
menghantarkan arus listrik. Sehingga bahan yang dengan resistivitas yang
rendah akan mempengaruhi pada kecepatan proses pada elektrolisis air.
2.4.7
Reaktor Sel Elektrokimia (Elektroliser)
Reaktor sel elektrokimia atau biasa disebut dengan elektroliser
adalah alat untuk proses elektrolisis. Reaktor ini merupakan tempat larutan
elektrolit (bahan baku) sekaligus tempat berlangsungnya proses elektrolisis
untuk menghasilkan gas hidrogen[21]. Pada umumnya reaktor ini berbentuk
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 25
dua buah botol gelas yang disatukan pada bagian bawahnya atau gelas kimia
yang diberi sekat dan diberi penutup pada bagian atasnya. Pada elektroliser
ini, elektroda yang biasa digunakan adalah elektroda yang berbentuk logam
batangan atau pipa. Pada setiap botol, pada bagian atas botol terdapat katup
yang berfungsi sebagai tempat keluar gas dan lubang untuk menempatkan
elektroda. Gambar elektroliser dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Elektroliser
Elektroliser pada Gambar 2.4 m erupakan elektroliser yang pernah
dibuat di jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung dan digunakan
sebagai sumber gas hidrogen pada penelitian tentang Hidrogen Fuel Cell.
Namun pada penelitian kali ini elektroliser yang dibuat adalah
elektroliser dengan bentuk sel yang disusun secara seri dengan
menggunakan elektroda dengan bentuk pelat sedemikian sehingga menjadi
tumpukan-tumpukan (stack). Konsep elektroliser sel seri ini awalnya
dikembangkan dan dipatenkan oleh William Rhodes, Ernest Spirig, Yull
Brown dan disempurnakan oleh Bob Boyce dan George Wiseman. Dengan
perubahan bentuk elektroliser ini maka ada beberapa komponen tambahan
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 26
yang diperlukan untuk elektroliser sel seri ini, yaitu, end plate dan spacer
ring.
End plate merupakan komponen terluar pada elektroliser sel seri ini
yang mempunyai fungsi sebagai pelat pengaku atau penekan elektroda dan
spacer ring agar tidak ada kebocoran serta berfungsi sebagai tempat nepel
yang berfungsi sebagai pengeluran gas. End plate disarankan agar terbuat
dari bahan yang keras dan kaku, karena pada end plate akan dipasang baut
dan mur yang berfungsi unt uk mengencangkan elektroliser. Sedangkan
spacer ring adalah gasket yang berfungsi juga sebagai penjaga jarak antar
elektroda serta pemberi ruang untuk larutan elektrolit. Bahan dari spacer
ring harus terbuat dari bahan yang bisa menjadi perekat atau gasket. Gambar
elektroliser sel seri dapat dilihat pada Gambar 2.5
Gambar 2.5 Elektroliser Sel Seri
Pada elektroliser sel seri ini, elektroda dibuat dalam bentuk pelat
dengan tujuan untuk menambah luas permukaan aktif untuk menambah
efisiensi dan jumlah gas hidrogen yang dihasilkan.
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 27
2.4.8
Hukum Faraday tentang elektrolisis adalah hubungan kuantitatif
berdasarkan dalam penelitian elektrokimia yang dilakukan oleh Michael
Faraday pada tahun 1834.
Pernyataan yang paling umum dari hukum Faraday tentang
elektrolisis adalah sebagai berikut:
Hukum Faraday & Penentuan Efisiensi Arus
1. Hukum I Faraday tentang Elektrolisis
“Massa zat yang diubah pada elektroda selama proses
elektrolisis berbanding lurus dengan kuantitas listrik yang ditransfer
pada elektroda tersebut. Kuantitas listrik mengacu pada kuantitas
muatan listrik, biasanya dikur dalam satuan coloumb.”
2. Hukum II Faraday tentang Elektrolisis
“Untuk kuantitas listrik (muatan listrik) yang diberikan, m assa
bahan unsur yang diubah pada elektroda berbanding lurus dengan
berat ekivalen elemen. Berat ekivalen suatu zat adalah massa molar
dibagi dengan bilangan bulat yang tergantung pada reaksi yang
dialami oleh bahan.”
Dalam elektrolisis jumlah muatan yang lewat, q, dalam selang
waktu, t, dapat di rumuskan sebagai berikut:
q = ∫ I dt
(2.1)
Jumlah massa zat produk (dalam gram) yang terbentuk dihitung dari
hukum Faraday tentang elektrolisis sebagai berikut:
m=
q x Mr
nxF
(2.2)
dimana q adalah muatan listrik dalam satuan Coloumb, Mr adalah massa
molekul relatif, n a dalah elektron valensi dan F adalah konstanta Faraday
(96.485 C.mol-1).[16]
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 28
Nilai Efisiensi arus merupakan nilai yang menunjukkan efisiensi dari
proses elektrolisis air dan dapat ditentukan dengan menentukan jumlah
muatan listrik yang dipakai untuk membentuk produk dengan jumlah total
muatan listrik yang dipakai berdasarkan dari perhitungan secara teoritis
dengan Hukum Faraday. Efisiensi arus adalah hasil dari proses berdasarkan
muatan yang dilewatkan dan dapat didefinisikan sebagai berikut:
CE =
muatan listrik yang dipakai untuk membentuk produk
jumlah total mu atan yang dipakai
(2.3)
Secara eksperimental, efisiensi arus diperoleh berdasarkan dari
pengukuran jumlah produk yang terbentuk, atau reaktan yang dipakai, m act ,
dan jumlah produk secara teoritis, m.
CE =
m act
(2.4)
m
m act dapat diperoleh dengan mengetahui volume gas hidrogen yang
diperoleh pada praktikum dengan mengasumsikan bahwa gas hidrogen yang
diproduksi adalah gas ideal sehingga:
mact =
P x V x Mr
RxT
(2.5)
dimana P adalah tekanan dalam satuan atm, V adalah volume gas yang
dihasilkan dalam satuan Liter, Mr adalah massa molekul relatif, R adalah
konstanta gas (0,082 L.atm.mol-1.K-1), dan T adalah suhu dalam satuan
Kelvin.
Dari Hukum Faraday, efisiensi arus dapat didefinisikan sebagai
berikut:
2.5
Gas Oksihidrogen (HHO)
CE =
m act x n x F
q x Mr
(2.6)
Efisiensi arus akan meningkat dengan tidak memisahkan produk gas
hidrogen dan oksigen. Ketika hidrogen ada bersama oksigen, seketika setelah
produksi elektrolisis, pembentukan diatomik hidrogen dan oksigen didahului oleh
pembentukan struktur molekul-molekul oksigen dan hidrogen dari peningkatan
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis
Bab II Tinjauan Pustaka
| 29
kandungan energi.[11] Penggabungan gas ini untuk peningkatan effisiensi reaksi
elektrolisis yang diamati pada sel elektroliser rangkaian seri. Gas hidrogen dan
oksigen yang tidak dipisahkan bisa disebut dengan gas Oksihidrogen (HHO) atau
gas.
brown
Gas oksihidrogen (HHO) atau brown gas hanya dapat diproduksi dalam
sebuah elektroliser. Air didekomposisi dalam hidrogen dan oksigen oleh listrik,
tiap liter air memuai hingga 1860 liter brown gas yang mudah terbakar.
Ketika dicampur dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen
meledak atau meledak seketika disulut dengan api dan akan meledak sendiri pada
suhu 560 °C. Lidah api hasil pembakaran hidrogen-oksigen murni memancarkan
gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh
karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara
visual. Karakteristik lainnya dari api hidrogen adalah nyala api cenderung
menghilang dengan cepat di udara, sehingga kerusakan akibat ledakan hidrogen
lebih ringan dari ledakan hidrokarbon.[11]
Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis