Reaksi Oksidasi Diagram Alir Penelitian

ditentukan dengan cara titrasi atau dengan bantuan spektrofotometer. Nilai COD teoritis dari senyawa tertentu dapat dihitung dari pertimbangan stoikiometri. Jika nilai teoritis ini sesuai dengan nilai eksperimental, disimpulkan bahwa oksidasi bahan organik selesai. Teoritis COD dari senyawa dengan rumus C struktural dapat ditentukan dari dua persamaan redoks yang menggambarkan reaksi oksidasi keseluruhan.

a. Reaksi Oksidasi

C x H y O z + 2x-z.H 2 O → x.CO 2 + 4x + y – 2z.H + + 4x + y -2z.e - atau 14x + y – 2z. C x H y O z + 2x-z 4x + y – 2z. H 2 O → x4x + y – 2z.CO 2 + H + + e - 1.1a

b. Reaksi Reduksi

e - + H + + ¼. O 2 → ½ H 2 O 1.1b Setelah persamaan 1.1a dan 1.1b digabung maka menjadi: C x H y O z + ¼·4x+y-2z·O 2 → x·CO 2 + y2·H 2 O 1.1 Dari persamaan 1.1 dapat diketahui bahwa teori COD atau kebutuhan oksigen teoritis 1 mol senyawa C x H y O z berjumlah ¼ · 4x + y-2z mol O 2 . Mengetahui bahwa massa molar C x H y O z dapat dinyatakan sebagai 12x+y+16z g.mol-12 dan massa molar oksigen adalah 32 gram, dapat disimpulkan bahwa COD dari 12x + y + 16z gram senyawa CxHyOz sama dengan ¼ · 4x + y -2z · 32 = 8 · 4x + y-2z gram O 2 . Oleh karena itu COD teoritis per satuan massa C x H y O z adalah: COD t = 8. 4x+y-2z 12x+y+16z g COD. g -1 C x H y O z 1.2 Ketika prosedur untuk uji COD sudah dipenuhi, hampir semua senyawa hasil eksperimen tidak akan berbeda beberapa persen dari nilai teoritis. Hal ini mengarah pada kesimpulan bahwa: 1. Selama menguji COD bahan organik benar-benar teroksidasi, dan 2. Ketepatan dan kemampuan pengujian akurat. Persamaan 1.2 dapat digunakan untuk menghitung COD teoritis per satuan massa untuk rumus struktur yang berbeda C x H y O z . Tabel dibawah ini menunjukkan nilai COD untuk beberapa senyawa wastewaterhandbook.com. Tabel 3.7 Nilai COD Teoritis per Unit Massa Sumber: www.wastewaterhandbook.com Perhitungan COD glukosa: Nilai COD secara teoritis untuk 1 kg glukosa C 6 H 12 O 6 adalah Dari persamaan 1.2 dan diketahui bahwa x=6, y=12, dan z=6, maka COD t = 8. 4.6+12-2.6 12.6+12+16.6 = 192180 = 1,067 mg COD mg C 6 H 12 O 6 = 1,067 kg COD kg C 6 H 12 O 6 Perhitungan COD asam asetat: Nilai COD secara teoritis untuk 1 kg asam asetat CH 3 COOH adalah Dari persamaan 1.2 dan diketahui bahwa x=2, y=4, dan z=2, maka COD t = 8. 4.2+4-2.2 12.2+4+16.2 = 6460 = 1,067 mg COD mg CH 3 COOH = 1,067 kg COD kg CH 3 COOH Konversi COD ke metan Satu mol metan membutuhkan 2 mol oksigen untuk mengoksidasinya menjadi karbondioksida dan air. Maka, satu gram metan yang diproduksi sama dengan penyisihan 4 gram COD. Reaksiya adalah Rabaey et al, 2005: CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O 16 64 Atau 1 kg COD = 250 gram CH 4 250 gram CH 4 = 250 16 mol gas = 15,62 mol 1 mol gas STP = 22,4 liter 15,62 mol x 22,4 = 349,8 liter = 0,35 m 3 CH 4 Dalam 1,067 kg COD = 0,37 m 3 CH 4

3. Pembuatan jembatan garam

Jembatan garam dibuat dengan menggunakan agar pro analis 15 gram Nair, 2013 dan ditambahkan dengan NaCl dengan konsentrasi tertentu. Pembuatan salt bridges dilakukan dengan menggunakan larutan NaCl 1M karena memiliki nilai produksi listrik yang tinggi dalam penelitian Kumar et al, 2012. Berikut ini perhitungan dalam preparasi NaCl 1 Molar dalam 250 ml: Diketahui Mr Na :23 dan Mr Cl : 35,45 jadi Mr NaCl = 58,45 Molar = � � � � � � 1000 � 1 M = � � � 58,45 � 1000 250 Massa NaCl adalah = 58,45 4 = 14,6125 � � Jadi dalam Preparasi Jembatan Garam NaCl 1 Molar dibutuhkan massa NaCl sebanyak 14,6125 gram. Adapun langkah pembuatan jembatan garam dapat dijelaskan di diagram alir di bawah ini: Pengambilan air 250 mL Menuangkan agar 15 g Penambahan NaCl 14,6125 g Pengadukan larutan kemudian dipanaskan dalam magnetic stirrer Proses pendinginan Pewadahan dalam pipa jembatan garam Mulai Selesai Gambar 3.6 Diagram Alir Proses Pembuatan Jembatan Garam

4. Persiapan elektroda karbon baterai

Elektroda dalam penelitian kali ini digunakan sebagai penangkap elektron hasil dari proses metabolisme bakteri yang ada di anode chamber. Pada penelitian ini digunakan elektroda graphite rod dari karbon batu baterai. Menurut Artadi dkk 2007, batang karbon dari batu baterai ini digunakan karena sifat mekanisnya seperti logam, ringan, mempunyai daya hantar listrik yang tinggi dan cocok untuk pertumbuhan mikroba. Kali ini digunakan elektroda sebagian menggunakan karbon baterai baru dan baterai bekas dikarenakan kemudahan dalam mengakses bahan baku dan relatif murah. Dalam preparasinya, elektroda direndam kedalam larutan HCl 1 M selama dua hari kemudian dibilas dengan menggunakan aquades. Setelah itu elektroda direndam kembali kedalam larutan NaOH 1 M selama dua hari kemudian dilakukan pembilasan dengan menggunakan aquades. Elektroda direndam dalam larutan aquades hingga saat akan digunakan kedalam kompartemen anoda dan katoda Septyana, 2014. Berikut ini diagram alir penjelasan langkah-langkah preparasi elektroda: Mempersiapkan elektroda Merendam elektroda dalam larutan HCl 1 M 1 hari Membilas elektroda dengan aquadest Merendam elektroda dalam larutan NaOH 1 M 1 hari Merendam elektroda dalam aquadest sampai akan dioperasikan Membilas elektroda dengan aquadest Mulai Selesai Gambar 3.7 Diagram Alir Proses Preparasi Elektroda

5. Persiapan media lekat GAC

Media lekat GAC digunakan untuk meningkatkan performa dalam menurunkan konsentrasi COD serta media perlekatan bakteri. Dalam preparasinya digunakan HCl dan NaOH 1 M yang diketahui dapat meningkatkan power density dan luas mikropori GAC Wang et al., 2013. Mula-mula GAC direndam dalam larutan HCl 1M selama dua hari, lalu dibilas dengan air. Selanjutnya GAC direndam dalam larutan NaOH 1 M selama dua hari, dan dibilas kembali menggunakan air. Setelah dibilas, GAC dijemur dibawah sinar matahari, dan siap untuk digunakan. Untuk lebih jelasnya langkah dalam preparasi GAC dapat dilihat pada diagram alir berikut: Merendam GAC dalam HCl 1 M selama 2 hari Membilas GAC dengan air Merendam GAC dalam NaOH 1 M selama 2 hari Membilas GAC dengan air Menjemur GAC sampai kering GAC siap digunakan Mulai Selesai Gambar 3.8 Diagram Alir Proses Preparasi GAC

6. Persiapan larutan elektolit KMnO

4 Dalam penelitian ini digunakan larutan elektrolit KMnO 4 dengan fungsi sebagai penerima donor proton dari cathode chamber. Dalam penelitian ini larutan KMnO 4 digunakan dengan konsentrasi 0,15 M Ardhianto, 2014. Preparasi KMNO 4 0,15 M dalam 600 ml: Diketahui MR KMNO 4 = 158 Molar = � � � � � � 1000 � 0,15 M = � � � 158 � 1000 600 Massa KMNO 4 adalah = 14,22 gram

7. Persiapan larutan penyangga

buffer Larutan penyangga, dapar atau buffer adalah larutan yang digunakan untuk mempertahankan nilai pH tertentu sesuai kebutuhan eksperimen agar tidak banyak berubah selama reaksi kimia berlangsung. Sifat yang khas dari larutan penyangga ini adalah pH-nya hanya berubah sedikit dengan pemberian sedikit asam kuat atau basa kuat. Untuk membuat larutan penyangga, mula-mula menyiapkan pH meter yang sudah dikalibrasi untuk meningkatkan akurasi pengukurannya. Setelah itu, pH air limbah diukur. Lalu diteteskan larutan penyangga asam HCl 5 M untuk menurunkan pH, ataupun basa NaOH 5 M untuk meningkatkan pH Jung, et al.,2011. Secara skematik langkah-langkah pembuatan larutan penyangga dapat dilihat pada gambar berikut ini: Menyiapkan pH meter yg sudah di kalibrasi Mengukur pH pada bak inlet limbah Meneteskan NaOH HCl 5 M pada air limbah Mengamati pH meter hingga mencapai pH yang diharapkan Mulai Selesai Gambar 3.9 Diagram Alir Proses Pembuatan Larutan Penyangga

8. Uji

Batch Adsorpsi Tujuan dari percobaan batch adalah untuk mengetahui karakteristik adsorbat dan adsorben yang dinyatakan dalam hubungan antara penurunan aadsorbat dan berat adsorben dalam suatu koefisien dari persamaan yang ada. Prosedur penelitian proses batch dilakukan seperti berikut Panduan Praktikum Satuan Proses ITS, 2002: 1. GAC ditimbang dengan variasi berat yang telah ditentukan yaitu sebanyak 0, 100, 150, dan 250 gram kedalam 4 buah wadah dengan volume kerja 600 mL. Membuat air limbah artifisial dengan konsentrasi tertentu, lalu diuji COD. 2. 600 ml air limbah artifisial masing-masing dimasukkan kedalam wadah yang telah berisi GAC. 3. Dilakukan proses pengadukan dengan jartest selama 60 menit dengan kecepatan konstan yakni 90 rpm. 4. Sampel didiamkan selama 15 menit, kemudian diuji konsentrasi COD. 5. Menganalisis nilai COD pada seluruh sampel.

3.6.2. Tahapan Pelaksanaan Penelitian dan Pengambilan Data

Tahapan penelitian ini dimulai dari proses pengembang biakan bakteri, tahap aklimatisasi, pengoperasian reaktor GAC-DCMFCs dan pengambilan data.

1. Seeding dan aklimatisasi

Pada tahap seeding dilakukan pengembangbiakan dan perlekatan mikroorganisme bakteri anaerob karena bakteri anaerob berperan penting dalam proses pengolahan biologis khususnya MFCs. Seeding dan aklimatisasi dilaksanakan secara bersamaan dengan sistem batch. Limbah yang digunakan merupakan limbah artifisial glukosa dan asam asetat Putri, 2012 yang dicampur dengan lumpur yang diambil dari perusahaan sedot WC Doraja, 2012 dengan rasio 13 limbah artifisial dan 23 limbah septik Septyana, 2013. Meskipun bakteri akan berkembangbiak secara alami, tetapi penambahan nutrien tetap diperlukan untuk menjaga kebutuhan makanan pada bakteri. Nutrien yang diberikan dengan perbandingan C: N: P yaitu 100: 5: 1 Gray, 2004. Berikut skema penelitian pada tahap seeding dan aklimatisasi: 3 hari Seeding dan Aklimatisasi COD 800 mgL + nutrisi COD 400 mgL + nutrisi COD 1200 mgL + nutrisi pH 7 pH 6 pH 8 Pengambilan data konsentrasi COD outlet, produksi listrik, dan pH pH 7 pH 6 pH 8 Pengambilan data konsentrasi COD outlet, produksi listrik, dan pH pH 7 pH 6 pH 8 Pengambilan data konsentrasi COD outlet, produksi listrik, dan pH Penambahan konsentrasi 50 Penambahan konsentrasi 100 Penurunan COD stasioner Mulai Penambahan 23 limbah septik 13 limbah artifisial 3 hari Selesai Gambar 3.10 Skema Penelitian Tahap Seeding dan Aklimatisasi Mula-mula reaktor dan GAC disiapkan untuk selanjutnya ditambahkan air limbah campuran artifisial dan lumpur septic tank. Sebagai nutrisi untuk bakteri, ditambahkan unsur C, N, P dengan rasio 100: 5: 1 Gray, 2004. Selama tahap ini berlangsung, dilakukan pengecekan pelekatan biofilm secara visual serta pengambilan sampel COD pada hari ke 0, 1, 3, 4, 5, 7, 9, 10, dan 13 hingga mengalami penurunan sebesar lebih dari 50 Septyana, 2014. Pada hari ke-4 dan ke-9 dilakukan penambahan konsentrasi masing-masing 50 dan 100 Himawan, 2012. Tujuan dari penambahan konsentrasi COD tersebut ialah untuk menghindari bakteri mengalami shock loading pada saat tahap running. Setelah penurunan COD telah mencapai stasioner, maka dapat dilanjutkan ke tahap selanjutnya yaitu running.

2. Pengoperasian Reaktor

Running Tahap running atau pengoperasian reaktor dimulai setelah tahap aklimatisasi menunjukkan COD removal secara stasioner. Berikut skema penelitian pada tahap running: Running COD 800 mgL + nutrisi COD 1200 mgL + nutrisi COD 400 mgL + nutrisi pH 7 pH 8 pH 6 pH 7 pH 8 pH 6 pH 7 pH 8 pH 6 Pengambilan data COD outlet, produksi listrik, pH,dan suhu Pengambilan data COD outlet, produksi listrik, pH,dan suhu Pengambilan data COD outlet, produksi listrik, pH,dan suhu Pengolahan Data Analisis Data Gambar 3.11 Skema Penelitian Tahap Running Kesembilan reaktor GAC-DCMFCs, dialiri oleh limbah artifisial dengan variasi konsentrasi COD 400, 800, dan 1200 mgL serta ditambahkan unsur C, N, P dengan rasio 100: 5: 1 sebagai nutrisi untuk bakteri Gray, 2004. Ketiga variasi COD tersebut di variasikan pula pH nya masing-masing 6, 7, dan 8 Behera and Ghangrekar, 2009: 5114. Untuk mempertahankan nilai pH, digunakan larutan penyangga asam HCl maupun basa NaOH 5 M Jung, et al.,2011. Selama tahap ini berlangsung, dilakukan pengambilan sampel COD, produksi listrik, pH, dan suhu Septyana, 2014. Seluruh sampel diuji di laboratorium Teknik Lingkungan, untuk selanjutnya dianalisis pengaruh konsentrasi COD dan pH terhadap kinerja GAC-DCMFC serta konsentrasi COD dan pH optimum yang akan dibahas dalam laporan tugas akhir.

3.6.3. Teknik Analisis Data

Data yang telah dikumpulkan kemudian dianalisis dan hasil analisis tersebut dimasukan kedalam bab 4. Tujuan analisis data ini adalah untuk menyusun dan menganalisis data yang sudah diperoleh dari penelitian. Adapun hal yang dianalisis adalah: 1. Pengaruh konsentasi COD dan pH terhadap kinerja GAC-DCMFCs. 2. Konsentrasi COD dan pH optimum terhadap kinerja GAC-DCMFCs. Hal diatas dapat dianalisis dengan mengetahui: a. Hasil pengukuran COD selama running b. Hasil pengukuran pH, suhu selama running c. Hasil pengukuran voltase, kuat arus, dan hambatan selama running

3.7. Diagram Alir Penelitian

Dalam sebuah penelitian, diperlukan pembuatan diagram alir penelitian untuk menjelaskan bagaimana jalannya penelitian dari awal sampai akhir pelaporan hasil penelitian. Berikut merupakan diagram alir penelitian ini: Mulai Studi Literatur Persiapan Penelitian 1. Persiapan Alat - Desain Reaktor - Pembuatan Reaktor 2. Persiapan Bahan - Bahan untuk seeding bakteri - Bahan untuk analisis lab. 3.. Persipan Limbah Buatan - Pembuatan limbah artifisial menggunakan asam asetat Seeding dan Aklimatisasi 1. Penurunan COD stasioner Pengoperasian Reaktor GAC-DCMFCs 1. Variabel Bebas - Konsentrasi COD awal - pH 2. Variabel Terikat - Kinerja GAC- DCMFCs Pengolahan dan Analisis Data Kesimpulan dan Saran Selesai Persiapan Pelaksanaan Analisis Data Gambar 3.12 Diagram Alir Metode Penelitian Sesuai dengan diagram alir penelitian diatas, dapat dijelaskan bahwa sebelum dilakukan penelitian, penulis terlebih dahulu melakukan studi literatur untuk menguatkan hipotesis dari latar belakang masalah yang teah diambil sebelumnya. Setelah didapatkan beberapa studi literatur yang mendukung, penulis melakukan uji pendahuluan yaitu uji karakteristik air limbah, dalam hal ini karena air limbah yang digunakan adalah air limbah artifisial maka uji karakteristik air limbah diganti dengan pembuatan air limbah artifisial dengan bahan asam asetat. Setelah pembuatan limbah artifisial, tahap selanjutnya adalah persiapan alat dan bahan reaktor MFCs. Preparasi ini terdiri dari desain reaktor, pembuatan jembatan garam, persiapan elektroda, persiapan penambahan nutrisi dengan rasio C:N:P adalah 100:5:1 Gray, 2004, dan bahan untuk tahap seeding. Tahap seeding dan aklimatisasi dilaksanakan selama 14 hari dengan menggunakan substrat limbah artifisial dengan variasi pH 6, 7, 8. Ketika penurunan COD sudah stasioner dilanjutkan ke tahap running yaitu selama 35 hari. Pada tahap running diambil data berupa COD dan produksi listrik yang dihasilkan. Setelah semua data hasil penelitian dikumpulkan, dilanjutkan analisis variasi konsentrasi COD dan pH terhadap kinerja reaktor GAC-DMFCs, serta pada pembahasan ditentukan berapa kondisi optimum dari konsentrasi COD dan dan pH pada saat kinerja reaktor pada keadaan optimal. Sehingga, pada tahap akhir dapat ditarik kesimpulan dari analisiis dan pembahasan yang telah dikerjakan sebelumnya sesuai dengan hasil percobaan. IV-1 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Uji Karakteristik Limbah Cair