bab ii tinjauan pustaka 2.1 tinjauan...

7

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 H2 dan ion hidroksida (OH-).

Sedangkan pada anoda, ion hidroksida(OH-) akan terurai menjadi gas oksigen

(O2), melepaskan empat ion H+ dan mengalirkan elektron ke elektroda. Reaksi

yang terjadi pada proses elektrolisis air dapat dituliskan sebagai berikut:

Katoda (reduksi) : 2 H2O (l) + 2e-→ H2 (g) + 2 OH-(aq) x2

Anoda (oksidasi) : 4 OH-(aq) → O2 (g) + 2 H2O (l) + 4 e-

Keseluruhan reaksi : 2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (g)

B a b I I T i n j a u a n P u s t a k a | 8

Pengaruh Jenis dan Luas Penampang Elektroda pada Proses Elektrolisis

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 H2O. 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 molekul-

molekul 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 Air Nama Alternatif Aqua, dihidrogen monoksida, hidrogen hidroksida Rumus Molekul H2O Massa Molar 18,0153 gr/mol Densitas & Fase 0,998 gr/ cm3 (cairan pada 20oC), 0,920 gr/cm3 (padatan) Titik Lebur 0oC (273,15 K) (32oF) Titik Didih 100oC (373,15 K) (212oF) Kalor Jenis 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.



Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak

berbau, tidak beracun, bersifat non-logam, merupakan gas molekul

diatomik, dengan rumus molekul H2 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 Hidrogen, H, 1 Fase Gas Massa Jenis 0,08988 gr/l (0oC, 1 atm) Titik lebur 14,01 K (-259,14oC, -434,45oF) Titikdidih 20,28 K (-252,87oC, -423,17oF Titik Kritis 32,97 K, 1,293 Mpa Kalor Peleburan (H2) 0,117 kJ.mol-1 Kalor Penguapan (H2) 0,904 kJ.mol-1 Kapasitas Kalor 28,836J.mol-1.K-1

(25oC) Konduktivitas Termal 180,5 m W.m-1.K-1 (300 K)

Sumber: http://id.wikipedia.org/hidrogen

2.3.2 Sejarah Hidrogen

Gas hidrogen, H2, 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



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.



c. Industri Logam

Hidrogen digunakan untuk memperoleh suasana reduktif untuk

berbagai macam proses perlakuan panas.

d. Laboratorium dan Analisis

Gas hidrogen digunakan sebagai pembawa gas (carrier gas)

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.



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]



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



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

Energi yang dibutuhkan (kWh/Nm3)

Status Teknologi

Efisiensi [%]

Biaya Realtif

ke RUM Ideal Praktis

Reformasi Uap Metana 0.78 2-2.5 Mature 70-80 1

Pyrolysis Metana / Gas Alam R&D to mature 72-54 0.9

Reformasi H2S Metana 1.5 - R&D 50 <1

Reformasi gas kering TPA 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

Elektrolisis Klor Alkali Mature hasil

samping

Proses Uap Besi R&D 46 1.9

Reformasi Uap Limbah Minyak R&D 75 <1

Elektrolisis Air 3.54 4.9 R&D 27 3-10

Elektrolisis Air ( Panel Surya) R&D to mature 10 >3

Elektrolisis Air Suhu Tinggi R&D 48 2.2

Termokimia Pemisahan Air early R&D 35-45 6

Gasifikasi Biomassa 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



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



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.



2.4.1 Elektrolisis Air

Elektrolisis air adalah penguraian air (H2O) menjadi oksigen (O2)

dan hidrogen (H2) 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



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- → H2 (g)

Pada anoda bermuatan positif, reaksi oksidasi terjadi, menghasilkan

gas oksigen dan memberikan elektron ke anoda untuk menyelesaikan

rangkaian:

Anoda (oksidasi) : 2 H2O (l) → O2 (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 H2O (l) + 2e-→ H2 (g) + 2 OH-(aq)

Anoda (oksidasi) : 4 OH-(aq) → O2 (g) + 2 H2O (l) + 4 e-

Menggabungkan kedua pasangan reaksi setengah sama dengan

menghasilkan penguraian keseluruhan air menjadi oksigen dan hidrogen:

Keseluruhan reaksi : 2 H2O (l) → 2 H2 (g) + O2 (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



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.



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 Maksimal 0,08 % Mangan Maksimal 2.00 % Posfor Maksimal 0,045 % Sulfur Maksimal 0,03 % Silikon Maksimal 0,75 % Krom 18.0 -20.0 % Nikel 8.0 – 12 % Nitrogen Maksimal 0,10 % Besi Balance Sifat Mekanik UTS 621 Mpa 0,2% YS 290 Mpa Pemuluran 2” 55 Hardness Rockwell B82 Sifat Fisik Densitas 8,03 g.cm-3 Resistivitas Listrik 72 µΩ (20 oC) Specific Heat 0,50 kJ.Kg-1.K-1 (0 – 100 oC) Konduktivitas Termal 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.



Tabel 2.5 Spesifikasi Stainless Steel grade 430

Komposisi Karbon Maksimal 0,12 % Mangan Maksimal 1.00 % Posfor Maksimal 0,04 % Sulfur Maksimal 0,03 % Silikon Maksimal 1,00 % Krom 16.0 -18.0 % Nikel Maksimal 0,50 % Besi Balance Sifat Mekanik UTS 483 Mpa 0,2% YS 310 Mpa Pemuluran 2” 25 Hardness Rockwell B85 Sifat Fisik Densitas 7,74 g.cm-3 Resistivitas Listrik 60 µΩ (20 oC) Specific Heat 0,11 kJ.Kg-1.K-1 (0 – 100 oC) Konduktivitas Termal 26,1 W.m-1.K-1 (100 oC)

2.4.3 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.



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.



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 H2 dan ion hidroksida (OH-

). Sedangkan di anoda, ion hidroksida (OH-) akan terurai menjadi gas

oksigen (O2), 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.



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), ρR (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



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



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.



2.4.8 Hukum Faraday & Penentuan Efisiensi Arus

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:

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, massa

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 Mrn x F

(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]



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 produkjumlah total mu atan yang dipakai

(2.3)

Secara eksperimental, efisiensi arus diperoleh berdasarkan dari

pengukuran jumlah produk yang terbentuk, atau reaktan yang dipakai, mact,

dan jumlah produk secara teoritis, m.

CE = mactm

(2.4)

mact 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 MrR x T

(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:

CE = mact x n x Fq x Mr

(2.6)

2.5 Gas Oksihidrogen (HHO)

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



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

brown gas.

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]

bab ii tinjauan pustaka 2.1 tinjauan...

Documents