bab ii teori dasar - Perpustakaan Universitas Mercu Buana

LAPORAN TUGAS AKHIR
BAB II
TEORI DASAR
2.1. Pendahuluan
Dengan semakin melonjaknya harga bahan bakar minyak dan gas hampir
terjadi pada setiap tahunnya dan penggunaan bahan bakar minyak yang berasal
dari energi fosil yang semakin meningkat sementara cadangan bahan baku
energi fosil yang semakin menurun, maka solusi untuk mengatasi hal tersebut
menjadi sangat penting. Hal tersebut berimplikasi terhadap penyediaan energy
alternative yang yang perlu ditangani secara serius untuk mengatasi krisis
energy yang mulai dapat kita rasakan akhir-akhir ini. Salah satu upaya yang
dilakukan antara lain mendapatkan energi baru yang dapat menjadikan alternatif
bahan bakar yaitu Hidrogen. Salah satu teknologi yang digunakan untuk
memperoleh gas hydrogen yaitu melalui proses elektrolisis, dimana proses ini
lebih menguntungkan karena ketersediaan bahan baku yang tak terbatas dan
terbarukan.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
5
LAPORAN TUGAS AKHIR
Efisiensi termal proses elektrolisis pada saat ini sudah dapat
dioptimalkan dengan melakukan proses penyempurnaan pada generator
HHO, sehingga dapat menurunkan temperature kerja HHO menjadi stabil
pada temperature dibawah 50°C.Dengan kondisi temperatur generator yang
relatif stabil dapat memberikan hasil produksi gas hydrogen yang lebih baik.
Gas hydrogen yang diperoleh dalam penelitian ini, digunakan sebagai
penghemat bahan bakar pada kendaraan bermotor, kompor rumah tangga dan
burner di industri serta metode pengelasan. Dengan demikian gas hydrogen
sebagai energy alternative dapat memberikan nilai yang menguntungkan
secara ekonomi bagi masyarakat.
2.2. Elektrolisa Air
Proses elektrolisis merupakan reaksi yang tidak spontan sehingga
memerlukan energi dan berlangsung pada suatu rangkaian elektrode dengan diberi
sumber arus listrik searah. Elektrolisis merupakan proses penguraian suatu
senyawa oleh arus listrik.
Sel elektrolisis memerlukan energi untuk memompa elektron. Proses
elektrolisis dimulai dengan masuknya elektron dari arus listrik searah kedalam
larutan melalui kutub negatif. Spasi tertentu atau ion yang bermuatan positif akan
menyerap elektron dan mengalami reaksi reduksi di katode. Spesi yang lain atau
ion yang bermuatan negatif akan melepas elektron dan mengalami reaksi oksidasi
dikutub positif atau anode.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
6
LAPORAN TUGAS AKHIR
Jenis elektrode
yang digunakan dalam
proses elektrolisis sangat
berpengaruh pada hasil elektrolisis. Elektroda dapat dibedakan menjadi dua
berdasarkan keaktifannya, yaitu :
1. elektroda tidak aktif (inert) seperti C, Pt. dan
2. elektroda aktif ( selain C,Pt) pada proses elektrolisis. Elektrode aktif
berlangsung reaksi elektrode dan reaksi elektrolitnya, sedangkan elektrode
inert hanya terjadi reaksi elektrolitnya saja.
Sudah lebih dari 80 tahun proses elektrolisa ini dipergunakan secara
komersial, seperti halnya penyepuhan emas, perak dan lain sebagainya. Prinsip
Elektrolisa pada air biasa adalah untuk memecahkan ikatan kimia air (H2O)
jadi H2 dan O2, diperlukan tegangan listrik searah (DC), yg dialirkan melalui
menjadi
lempengan plat stainless.
2.3. Elektrolisa ada 2 macam:
-
Elektrolisa basah (wet cell electrolyse) : yaitu lempengan plat katoda dan
Anoda dicelupkan kedalam air
-
Elektrolisa kering (Dry cell electrolyse = Drycell) : disini lempengan plat
Kathoda dan Anoda berada disebelah luar dan airnya disebelah dalam.
Alat yang akan telah kami buat adalah elektrolisa kering (dry cell electroda
= dry cell).
2.3.1. Elektrolisa basah (wetcell electrolyse)
Elektrolisa Basah adalah elektrolisa yang biasa digunakan sampai saat
ini, yaitu dengan memasukan kedua plat kondensator tersebut kedalam air
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
LAPORAN TUGAS AKHIR
destilasi atau air RO (Reverse Osmosis = air murni), apabila kedua elektroda
tersebut diberi tegangan listrik maka akan terjadi proses pemisahan H2 dan O2,
kemudian hasil H2 tersebut perlu dihitung dan didata dari hasil percobaan, selain
itu perlu diteliti variabel yang mempengaruhi produksi H2 tersebut, sehingga
dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa yang paling efisien & efektif.
Elektrolisa Basah adalah dengan memasukan kedua plat kondensator
tersebut kedalam air destilasi atau air - RO (Reverse Osmosis = air murni),
apabila kedua elektroda tersebut diberi tegangan listrik maka akan terjadi proses
pemisahan H2 dan O2, kemudian hasil H2 tersebut perlu dihitung dan di-data dari
hasil percobaan, selain itu perlu diteliti variable variabel yang mempengaruhi
produksi H2 tersebut, sehingga dapat diambil kesimpulan penggunaan elektrolisa
yang paling efisien & efektif.
Keuntungan generator gas HHO tipe wet cell adalah :
1. Gas yang dihasilkan umumnya lebih banyak dan stabil.
2. Perawatan generator lebih muda.
3. Rancang bangun pembuatan generator lebih mudah.
Pada tipe wet cell atau tipe basah, area luasan elektroda platnya terendam
air untuk proses elektrolisis menghasilkan gas HHO.
2.3.2. Elektrolisa kering (Drycell electrolyse = Drycell)
Elektrolisa Kering (Dry electrolyze) adalah pada proses ini plat
kondensotornya tidak direndam kedalam larutan akan tetapi plat nya berada
disebelah luar dan larutannya didalam plat tersebut.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
LAPORAN TUGAS AKHIR
Gambar 2.1 generator hydrogen system drycell
Sumber : http://hho4save.blogspot.com/feeds/posts/default
Pada proses Dry cell panas yang ditimbulkan oleh plat kondensator
dapat dibuang langsung keluar, sehingga tidak membuat larutan menjadi lebih
panas, dibandingkan dengan elektrolisa biasa atau elektrolisa basah (Wet
Electrolyze).
Keuntungan generator HHO tipe dry cell adalah :
1. Air yang dielektrolisa hanya seperlunya, yaitu hanya air yang terjebak
diantara lempengan cell.
2. Panas yang ditimbulkan relatif kecil karena selalu terjadi sirkulasi antara
air panas dan air dingin di reservoir
3. Arus listrik yang digunakan relatif lebih kecil, karena daya yang
terkonversi menjadi semakin panas semakin sedikit.
Besarnya plat elektroda yang terendam air adalah area terjadinya elektrolisis
untuk menghasilkan gas HHO.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
LAPORAN TUGAS AKHIR
2.4
Struktur Atom Hidrogen (
)
Niels bohr menerapkan teori kuantum terhadap model atom rutherford
dengan mengasumsikan bahwa elektron – elektron bergerak pada orbit stasioner
tertentu akibat adanya momentum anguler elektron – elektron tersebut. Model
atom ini memungkinkan para ilmuwan untuk menghitung tingkat energi yang
mungkin untuk orbit – orbit ini dan menghasilkan sebuah postulat bahwa emisi
cahaya terjadi ketika sebuah elektron berpindah ke orbit yang energinya lebih
rendah.
Meskipun pada tahun 1897 Thomson sudah menemukan elektron ,namun
ukuran dan posisi elektron dalam suatu atom belum diketahui. Para ilmuwan
berusaha menjelaskan bentuk atom dengan model dari yang paling sederhana
sampai yang sangat rumit.
2.5. Teori atom
Ada 3 teori atom yang menjadi landasan dalam penelitian Generator HHO
ini yaitu:
2.5.1. Teori Atom Dalton
Jauh sebelum Dalton mengemukakan teori atom, seorang filsuf yang
bernama Demokritus (460-370 SM) sudah mengemukakan teori atom. Teori
atom yang diajukannya tidak berdasarkan eksperimen namun didasarkan hasil
pemikiran saja. Menurut Demokritus,atom adalah bagian terkecil suatu
partikel/zat yang tak dapat dibagi-bagi lagi. Istilah atom berasal dari kata a yang
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
LAPORAN TUGAS AKHIR
berarti tidak dan tomos yang berarti dibagi sehingga atom mempunyai arti
harfiah tak dapat dibagi.
John Dalton (1766-1844),seorang ilmuwan Inggris, mengemukakan teori
atomnya berdasarkan berbagai percobaan yang dilakukan ditambah kesimpulan
dari percobaan orang lain. Teori atom Dalton berhasil menjelaskan peristiwaperistiwa yang terjadi dalam reaksi kimia.
Rangkaian dari teori atom Dalton, Thomson dan bohr adalah :
Teori atom dalton
1.
Atom adalah bagian dari suatu unsur atau zat yang tak dapat di bagi-bagi.
2.
Atom dari unsur mempunyai bentuk yang serupa dan tidak mungkin
berubah
3.
menjadi unsur yang lain.
Dua atom atau lebih dari unsur yang berbeda dapat bergabung dalam reaksi
kimia membentuk suatu molekul. Sebagai contoh ,dua atom hidrogen dapat
bergabung dengan atom oksigen menjadi molekul air lewat sebuah reaksi
kimia.
4.
Dalam reaksi kimia, berbagai atom unsur yang terlibat hanya sekedar
memisahkan dan bergabung sedangkan massa keseluruhan tetap. Ide ini
sesuai dengan hukum Lavoisier yang menyatakan massa sebelum reaksi
sama dengan massa sesudah reaksi.
5.
Dalam reaksi kimia, banyaknya atom yang bergabung dengan unsur lain
mempunyai perbandingan yang tertentu dan sedsrhana. Gagasan ini sesuai
dengan hukum Proust yang menyatakan bahwa perbandingan berat unsurunsur yang menyusun suatu senyawa selalu tetap.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
LAPORAN TUGAS AKHIR
2.5.2. Teori atom Thomson
Model atom lain dikemukakan oleh Thomson. Sedikit berbeda dengan
model atom sebelumnya, Thomson
mengemukakan bahwa atom bukan
merupakan sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Pada atom terdapat
sejumlah muatan negatif. Karena secara keseluruhan atom adalah netral, maka
muatan negatif tersebut akan diseimbangkan oleh Muatan positif yang
jumlahnya sama.
Menurut Thomson, atom mempunyai massa yang jauh lebih besar
dibandingkan dengan massaelektron. Ini berarti muatan positif menjadi pusat
massa sebuah atom. Sebagai ilustrasi model atom Thomson, jika diandaikan
sebuah atom adalah semangka, sedangkan muatan positif atom adalah ''daging''
semangka.
2.5.3. Teori Atom Bohr
Model atom Bohr dikemukakan oleh Niels Bohr yang berusaha
menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis atom hidrogen yang tidak dapat
dijelaskan oleh model atom Rutherford. Model atom Bohr memuat tiga postulat
sebagai berikut :
1.
Di dalam atom hidrogen, elektron hanya dapat mengelilingi lintasan tertentu
tertentu yang diijinkan tanpa membebaskan (melepaskan) energi. Lintasan
ini disebut lintasan stasioner dan memiliki energi tertentu yang sesuai.
2.
Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan yang lain. Energi
dalam bentuk foton cahaya akan dilepaskan jika elektron berpindah ke
lintasan yang lebih dalam, sedangkan Energi dalam bentuk foton cahaya
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
LAPORAN TUGAS AKHIR
akan diserapkan supaya elektron berpindah ke lintasan yang lebih luar.
Energi dilepas atau diserap dalam paket sebesar hf sesuai dengan persamaan
Planck. E = hf Dimana h adalah konstanta Planck dan f adalah frekuensi
cahaya atau foton yang dilepas atau diserap.
3.
Lintasan-lintasan stasioner yang diijinkan untuk ditempati elektron memiliki
momentum sudut yang merupakan kelipatan bulat dari nilai (nilai ini biasa
ditulis juga sebagai ћ).
2.6. Teknologi Elektrolisa HHO (Hydrogen-Oxygen)
Teknologi pemanfaatan air sebagai energi telah banyak dikembangkan, dari
beberapa teknologi yang ada, semuanya menggunakan proses elektrolisis air
sebagai prinsip dasarnya. Hingga saat ini sudah ditemukan teknologi untuk
memanfaatkan air sebagai energi yaitu fuel cell sistem HOD ((Hydrogen
Hydrogen Oxygen
Demand)
Demand yaitu sistem pembangkit tenaga listrik dari hasil pencampuran H2
gan O2 langsung pada saat listrik dibutuhkan, dan elektrolisa HHO (Hydrogendengan
Oxygen).
Teknologi elektrolisa HHO lebih murah dan lebih efisien. Teknologi
optimalisasi air dengan fuel cell memiliki kelemahan terhadap biaya yang
diperlukan dan efisiensi terhadap penerapannya. Sedangkan untuk sistem HOD
memiliki kelemahan terhadap tingginya biaya yang diperlukan dan masih sulit
untuk menampung gas hidrogen dalam satu tempat. Perbandingan yang lebih
lengkap tentang teknologi optimalisasi air sebagai alternatif energi dapat dilihat
pada tabel berikut ini :
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
LAPORAN TUGAS AKHIR
Gambar 2.2 : proses elektrolisasi air H2O
Gamba
Sumber : http://insentif.ristek.go.id/PROSIDING/RT-2012-0069.html
2.7
HIDROGEN DARI PROSES ELEKTROLISA
Proses elektrolisis telah digunakan secara luas, tapi pemanfaatannya masih
terbatas untuk kapasitas kecil, mengingat efisiensi termalnya yang sangat rendah.
Namun demikian pada saat ini telah banyak peneliti yang berhasil meningkatkan
efisiensi termal proses elektrolisis. Sel elektrolisis yang bekerja pada suhu dan
tekanan tinggi, mampu memisahkan hidrogen dan oksigen dengan tingkat
efisiensi yang signifikan.
Pada prinsipnya, hidrogen bisa diperoleh dengan memecah senyawa yang
paling banyak mengandung unsur hidrogen. Sampai saat ini, produksi hidrogen
skala komersial yang paling maju adalah produksi hidrogen berbasis bahan bakar
fosil dan air. Untuk produksi hidrogen dengan bahan baku bahan bakar fosil,
steam reforming metana merupakan proses yang paling maju di dunia. Lebih dari
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
LAPORAN TUGAS AKHIR
85% kebutuhan hidrogen dunia dipasok dengan sistem produksi steam reforming
metana. Produksi hidrogen dengan bahan baku air yang sudah komersial adalah
proses elektrolisis. Sayangnya, karena proses elektrolisis membutuhkan listrik
dalam jumlah besar sebagai pemicu terjadinya reaksi, sehingga proses ini
memberikan efisiensi termal total yang relatif rendah. Proses elektrolisis hanya
bisa ekonomis jika tersedia listrik dalam jumlah besar dengan harga murah.
Dengan berjalannya waktu banyak penelitian dilakukan yang mengarah
pada penyempurnaan, bahkan melebihi nilai standar dari perhitungan Faraday,
sehingga menjadikan gas H2 lebih bermanfaat bagi kebutuhan manusia dalam
menggunakan energi, karena H2 dapat diperoleh dari air dan air cukup banyak
ada dimana-mana, sehingga dapat dikatakan bahwa H2 adalah sumber energi masa
depan yang berkelimpahan dan murah. Berdasarkan penelitian akhir-akhir ini
dapat disimpulkan bahwa kegunaannya gas hydrogen bagi masyarakat luas dapat
diterapkan untuk untuk kompor rumah tangga, dan pemanas ruangan serta di
industri pada burner, uap air panas (steam),
metode pengelasan dan lain
sebagainya. Rumus Kimia pada proses Elektrolisa :
Pada elektroda Kathoda terjadi penambahan elektron (e−),
sehingga reaksi kimia yang terjadi sbb :
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
LAPORAN TUGAS AKHIR
Kathode (reduksi):
2H+(cair) + 2e− → H2(gas)
Sedangkan pada elektroda Anoda, terjadi proses oksidasi dimana pelepasan
elektron yang bergerak kearah elektroda kathoda, reaksi kimia pada Anoda sbb :
+
−
Anode (oxidasi) : 2H2O(l) → O2(gas) + 4H (cair) + 4e ; (l = Larutan)
Reaksi kimia penyeimbangan, reaksi air dengan larutan basa sbb :
−
−
2(gas) + 22OH
2(
Kathode (reduksi): 2H2O(l) + 2e → H2(gas)
OH (cair)
Anode (oxidasi) : 4OH−(cair) → O2(gas) + 2H2O(l) + 4e−
Gambar 2.3 rumusan kimia pada elektrolisa air
Sumber : http://ecopowerbooster.blogspot.com/2012/04/air-elektrolisis-air-danhidrogen.html / eddy ariffin
hid
Bahwa pemisahan air (H2O) akan menjadi:
2H2O(l) 2H2(gas) + O2(gas) →H2 O(liquid) disebut HHO
HHO adalah bahasa yang telah digunakan kalangan peneliti HIDROGEN.
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCUBUANA
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16