Pembuatan dan Pengujian Membrane Capacitive Deionization Menggunakan Material Karbon Aktif Tempurung Kelapa Sebagai Pemurni Kesadahan

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON
AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI
KESADAHAN
TESIS

Oleh

CAHYANI MONALISTA HAREFA
137026004 / FIS

PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

1
Universitas Sumatera Utara

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE

DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON
AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI
KESADAHAN

TESIS

Oleh

CAHYANI MONALISTA HAREFA
137026004 / FIS

PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

2
Universitas Sumatera Utara

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON
AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI
KESADAHAN

TESIS

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
dalam Program Studi Magister Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana
Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara

Oleh
CAHYANI MONALISTA HAREFA
137026004 / FIS

PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016

3
Universitas Sumatera Utara

PENGESAHAN TESIS

Judul Tesis

Nama Mahasiswa
Nomor Induk Mahasiswa
Program Studi
Fakultas

: PEMBUATAN DAN PENGUJIAN
MEMBRANE CAPACITIVE DEIONIZATION
MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON
AKTIF TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI
PEMURNI KESADAHAN
: Cahyani Monalista Harefa
: 137026004

: Magister Ilmu Fisika
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara

Menyetujui
Komisi Pembimbing

Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc
NIP. 196002031986011001

Saharman Gea, Ph.D
NIP. 196811101999031001

Ketua

Anggota

Ketua Program Studi,

D e k a n,

Dr. Kerista Sebayang, MS
NIP. 195806231986011001

Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc
NIP. 195507061981021002

4
Universitas Sumatera Utara

PERNYATAAN ORISINALITAS

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON AKTIF
TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI KESADAHAN

TESIS

Dengan ini saya nyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil
kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan

sumbernya dengan benar.

Medan, 23 Nopember 2016

Cahyani Monalista Harefa
NIM. 137026004

5
Universitas Sumatera Utara

PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN
AKADEMIS

Sebagai sivitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan
di bawah ini:
Nama
NIM
Program Studi
Jenis Karya Ilmiah

: Cahyani Monalista Harefa
: 137026004
: Magister Ilmu Fisika
: Tesis

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive
Royalty Free Right) atas Tesis saya yang berjudul:

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON AKTIF
TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI KESADAHAN

Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti NonEksklusif ini, Universitas Sumatera Utara berhak menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasikan
Tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantumkan nama saya
sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.

Medan, 23 Nopember 2016

Cahyani Monalista Harefa
NIM. 137026004

6
Universitas Sumatera Utara

Telah diuji pada
Tanggal : 22 Nopember 2016

PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua

: Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc

Anggota

: 1. Saharman Gea, Ph.D
2. Prof. Eddy Marlianto, M.Sc., Ph.D

3. Dr. Kerista Sebayang, MS
4. Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc

7
Universitas Sumatera Utara

RIWAYAT HIDUP

DATA PRIBADI
Nama lengkap berikut gelar : Cahyani Monalista, S.Pd, M.Si
Tempat dan Tanggal Lahir

: Gunungsitoli, 11 Agustus 1980

Alamat Rumah

: Jl. Jamin Ginting No. 325 Dusun IV Desa Hulu
Pancur Batu, Deli Serdang, Sumatera Utara

HP

: +62852 9722 1085

e-mail

: cahyani.monalista@gmail.com

Instansi Tempat Bekerja

: SMA Negeri 1 Lahewa

Alamat Kantor

: Jl. Arah Onozalukhu Desa Afia Kecamatan
Lahewa Kabupaten Nias Utara Sumatera Utara

DATA PENDIDIKAN
SD

: SD Negeri No. 074038 Tohia Gunungsitoli

Tamat : 1992

SMP

: SMP Negeri 1 Gunungsitoli

Tamat : 1995

SMA

: SMU Negeri 1 Gunungsitoli

Tamat : 1998

Strata-1

: Prodi. Pendidikan Fisika, FMIPA UNIMED

Tamat : 2003

Strata-2

: Prodi. Magister Fisika, FMIPA USU

Tamat : 2016

8
Universitas Sumatera Utara

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Pengasih atas segala berkat dan
anugerah-Nya sehingga penulisan tesis yang berjudul Studi Tentang Pembuatan
dan Pengujian Membrane Capacitive Deionization serta Pemanfaatannya pada
Pengurangan Kesadahan Air dapat diselesaikan.
Dukungan, motivasi, perhatian dan bantuan dari berbagai pihak telah
diberikan selama menyelesaikan penulisan tesis ini. Oleh karena itu, dengan
penuh kerendahan hati disampaikan terimakasih kepada :
1. Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. Runtung Sitepu SH,
M. Hum atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan untuk mengikuti dan
menyelesaikan pendidikan Program Magister Ilmu Fisika Universitas
Sumatera Utara.
2. Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Kerista
Sebayang, MS atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister
pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.
3. Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika, Bapak Prof. Dr. Nasruddin
Noer, M.Eng.Sc dan Sekretaris Program Studi Magister Ilmu Fisika Dr.
Anwar Sembiring, MS serta seluruh staf pengajar pada Program Studi
Magister Ilmu Fisika FMIPA Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera
Utara.
4. Ketua Komisi Pembimbing, Bapak Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc yang
telah meluangkan waktu dan pikiran secara maksimal dalam membimbing
dan mengarahkan dalam menyelesaikan tesis ini.
5. Anggota Komisi Pembimbing, Bapak Saharman Gea, Ph.D yang telah
meluangkan waktu dan pikiran yang sangat berharga dalam membimbing
dan mengarahkan dalam menyelesaikan tesis ini.
6. Bapak Prof. Eddy Marlianto, M.Sc., Ph.D, Bapak Dr. Kerista Sebayang,
MS dan Bapak Prof. Dr. Nasruddin Noer, M.Eng.Sc yang telah bersedia
menjadi Dewan Penguji dan Penilai Tesis sekaligus memberikan masukan,
koreksi dan arahan untuk menjadikan tesis ini lebih baik lagi.

9
Universitas Sumatera Utara

7. Ibunda tercinta Rohanny Hulu dan Ibunda mertua Asnidarty atas segala
dukungan, motivasi dan doa yang tiada hentinya.
8. Suami tercinta Ronald Salomon Sembiring Pandia, putra dan putri
kebanggaan, Samuel Ahzarel Sembiring Pandia dan Josephine Ivana
Sembiring Pandia yang telah setia mendampingi dengan memberikan
dukungan dan pengorbanan yang tidak ternilai sehingga tesis ini dapat
terselesaikan.
9. Kakanda Hariyani Nirmalasari Harefa sekeluarga, kakanda Jenny Asni
April Yanthi Harefa sekeluarga, kakanda Rika Bertha Suryani Harefa dan
adinda Yusuf Sejahtera sekeluarga yang telah turut mendukung dan
memotivasi.
10. Kakanda Nelly Niasta Sembiring sekeluarga yang memberikan dorongan
untuk mengikuti dan menyelesaikan perkuliahan.
11. Rekan-rekan guru SMA Negeri 1 Lahewa yang telah memberi dukungan.
12. Teman-teman kuliah angkatan 2013: Imelda Hia, Devy Siregar, Ariati
Nababan, Indri Dayana, Ainun Lubis, Fynnisa Zebua, K’ Juna, B’ Rudi
Hulu, Taufik Hia, Ozy Gea, Chandra Zendrato, Golberd Sinaga dan Aster
Marbun yang saling mendukung satu dengan yang lain.
Tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu kritik dan saran
yang membangun diharapkan untuk perbaikan selanjutnya.
Akhir kata, semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi pengembangan ilmu
pengetahuan dan menjadi suatu karya yang memberi dampak positif dalam
penggunaannya.

Cahyani Monalista Harefa

10
Universitas Sumatera Utara

PEMBUATAN DAN PENGUJIAN MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION MENGGUNAKAN MATERIAL KARBON AKTIF
TEMPURUNG KELAPA SEBAGAI PEMURNI KESADAHAN

ABSTRAK

Karbon aktif tempurung kelapa dapat digunakan sebagai bahan pembuatan
elektroda untuk diaplikasikan pada pengolahan air khususnya pada pengurangan
kesadahan. Salah satu metode pengolahan air yang menggunakan elektroda adalah
sistem Membrane Capacitive Deionization (MCDI). Pembuatan elektroda
membutuhkan pengikat sehingga dapat membentuk lembaran elektroda siap
pakai. Pada penelitian ini dilakukan proses pembuatan elektroda karbon aktif
menggunakan 25 g serbuk karbon aktif tempurung kelapa dan pengikat PVA
dalam bentuk hidrogel dengan variasi volume 50 ml, 75 ml, 100 ml, 125 ml, dan
150 ml. Hidrogel PVA yang dibuat melalui proses beku leleh (freezing thawing)
selama 4 siklus, dimana untuk 1 siklus memerlukan waktu 24 jam untuk proses
beku dan 24 jam untuk proses leleh. Elektroda karbon diaplikasikan pada
pengolahan air umpan dengan tingkat kesadahan 910 mg/l (CaCO3). Pengujian
elektroda karbon pada sistem MCDI dilakukan dengan variasi laju alir 60
ml/menit dan 120 ml/menit dan variasi pemberian tegangan listrik 0,8 V dan 1 V.
Dari hasil penelitian diperoleh bahwa elektroda karbon aktif tempurung kelapa
dengan pengikat PVA sebanyak 50 ml memiliki kapasitansi spesifik 0,401422 F/g
dan merupakan elektroda karbon aktif dengan volume yang optimum dalam
pengurangan tingkat kesadahan. Elektroda karbon aktif dengan pengikat PVA 50
ml bekerja optimum pada laju alir 60 ml/menit dengan pengurangan tingkat
kesadahan 61,54%. Pada pemberian tegangan listrik 1 V, pengurangan tingkat
kesadahan optimum 57,14%. Pengurangan tingkat kesadahan yang diperoleh
memenuhi persyaratan kualitas air bersih menurut Peraturan Menteri Kesehatan
R.I No:416/MENKES/PER/IX/1990.
Kata kunci: karbon aktif, tempurung kelapa, hidrogel PVA, kesadahan,
Membrane Capacitive Deionization

11
Universitas Sumatera Utara

MANUFACTURING AND TESTING MEMBRANE CAPACITIVE
DEIONIZATION USING ACTIVATED CARBON COCONUT SHELL
MATERIAL FOR HARDNESS PURIFIES

ABSTRACT

Coconut shell activated carbon can be used as materials for the electrodes to be
applied in water treatment especially for the reduction of hardness. One method
of water treatment using electrode is Membrane Capacitive Deionization (MCDI)
system. Manufacture of electrodes requires a binder to be a electrode sheet. In
this research, the process of making an activated carbon electrode using 25 g of
coconut shell activated carbon powder and a PVA binder in the form of hydrogel
with a variation of volume of 50 ml, 75 ml, 100 ml, 125 ml and 150 ml. PVA
hydrogels are made with process freezing thawing for 4 cycles, where for one
cycle takes 24 hours to freezing process and 24 hours for the thawing process.
Carbon electrodes were applied for the processing of feed water with hardness
levels of 910 mg/l (CaCO3). The testing of carbon electrodes in MCDI system was
done by varying the flow rate of 60 ml/min and 120 ml/min and a variation of the
power supply voltage of 0.8 V and 1 V. The result showed that the coconut shell
activated carbon electrodes with 50 ml of PVA binder has specific capacitance of
0.401422 F/g and it is an optimum volume for the reduction of hardness.
Activated carbon electrode with 50 ml PVA binder work optimally at 60 ml/min
flow rate with a hardness reduction reached 61.54%. At application electrical
voltage 1 V, the reduction of hardness optimum reached 57.14%. Reduction of
obtained hardness meet the requirements of water quality according to Regulation
of Health Ministry of the Republic of The Indonesia No:
416/Menkes/Per/IX/1990.
Keywords: activated carbon, coconut shell, PVA hydrogel, hardness, Membrane
Capacitive Deionization.

12
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR
ABSTRAK
ABSTACT
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN

i
iv
v
vi
viii
ix
x

BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
1.2. Perumusan Masalah
1.3. Batasan Masalah
1.4. Tujuan Penelitian
1.5. Manfaat Penelitian

1
1
6
7
8
8

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Karbon Aktif
2.1.1. Jenis-jenis Karbon Aktif
2.1.2. Proses Pembuatan Karbon Aktif
2.1.3. Kualitas Karbon Aktif
2.1.4. Karbon Aktif Tempurung Kelapa
2.1.5. Aplikasi Karbon Aktif Sebagai Elektroda
2.2. Polyvinyl Alcohol
2.2.1. Hidrogel PVA
2.2.2. Proses Beku Leleh
2.3. Capacitive Deionization
2.3.1. Material Elektroda CDI
2.3.2. Tegangan Listrik yang Diaplikasikan
2.3.3. Laju Alir Larutan
2.3.4. Konsentrasi Ion di Dalam Larutan Umpan
2.3.5. Lama Pengolahan Larutan Umpan
2.3.6. Suhu
2.3.7. Jarak Plat Elektroda
2.3.8. Jumlah Sel Elektroda
2.4. Membran
2.4.1. Klasifikasi Membran
2.4.2. Klasifikasi Proses Berbasis Membran
2.5. Membrane Capacitive Deionization
2.6. Air
2.6.1. Pengertian Air
2.6.2. Air Bersih
2.6.3. Air Sadah
2.7. Karakterisasi Elektroda

9
9
9
10
12
13
14
14
15
15
16
18
19
19
19
20
20
20
20
20
21
22
23
24
24
24
26
28

13
Universitas Sumatera Utara

2.7.1. Scanning Electron Microscope
2.7.2. Cyclic Voltammetry
2.7.3. Electrochemical Impedance Spectroscopy
BAB 3 METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian
3.2. Peralatan dan Bahan
3.2.1. Peralatan
3.2.2. Bahan
3.3. Prosedur Penelitian
3.3.1. Proses Pembuatan Elektroda Karbon
3.3.2. Proses Pengujian Sistem MCDI
3.4. Karakterisasi
3.4.1. Karakterisasi Elektroda Karbon
3.4.2. Pengujian Sistem MCDI
3.5. Diagram Alir Penelitian
3.5.1. Pembuatan Elektroda Karbon
3.5.2. Pengujian Sistem MCDI

28
29
32
36
36
37
37
39
40
40
42
43
43
43
44
44
45

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
46
4.1. Data dan Hasil Pengujian Sifat Elektrokimia Elektroda Karbon 46
4.1.1. Data dan Hasil Pengujian Menggunakan CV
46
4.1.2. Data dan Hasil Pengujian Menggunakan EIS
53
4.2. Data dan Hasil Pengujian Morfologi Permukaan Elektroda Karbon
dengan Menggunakan SEM
57
4.3. Data dan Hasil Pengujian Sistem MCDI
64
4.3.1. Variasi Laju Alir
64
4.3.2. Variasi Tegangan Listrik
67
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
5.2. Saran

70
70
71

DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR LAMPIRAN

72
75

14
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Nama

Judul

Halaman

2.1

Persyaratan karbon aktif Standar Nasional Indonesia
(SNI) 06-3730-1995

12

2.2

Persyaratan kualitas air bersih

25

2.3

Klasifikasi tingkat kesadahan

28

3.1

Komposisi bahan elektroda yang akan dibuat

41

4.1

Kapasitansi spesifik elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan variasi volume pengikat PVA

52

4.2

Hasil pengujian sistem MCDI dengan variasi laju alir

65

4.3

Hasil pengujian sistem MCDI dengan variasi tegangan
listrik

68

15
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Gambar

Judul

Halaman

1.1

Prinsip kerja CDI dan MCDI

2

2.1

Jenis membran berdasarkan struktur dan prinsip
pemisahan

22

2.2

Diagram sel Voltametri

30

2.3

Voltammogram sinyal gelombang elektroda berupa
respon arus yang diukur sebagai fungsi potensial

31

2.4

Perbedaan fasa antara stimulus potensial dan respons
arus

32

2.5

Impedansi (Z) diplot sebagai vektor planar dalam
koordinat kartesius

33

3.1

Skema perangkat 1 (satu) sel MCDI

42

3.2

Diagram alir pembuatan elektroda karbon

41

3.3

Diagram alir sistem MCDI dengan variasi laju alir

44

Diagram alir sistem MCDI dengan variasi tegangan
3.4

45
listrik

4.1

Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung
kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 50 ml

47

4.2

Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung
kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 75 ml

48

4.3

Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung
kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 100 ml

49

4.4

Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung
kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 125 ml

50

4.5

Kurva voltamogram elektroda karbon tempurung
kelapa dengan volume PVA sebagai pengikat 150 ml

51

16
Universitas Sumatera Utara

4.6

Hambatan pengisian elektroda karbon aktif sebagai
fungsi frekuensi

54

4.7

Kapasitansi elektroda karbon aktif sebagai fungsi
frekuensi yang diperoleh dari data impedansi

55

4.8

Kapasitansi elektroda karbon aktif sebagai fungsi
frekuensi yang diperoleh dari data impedansi
(perbesaran)

56

4.9

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan
perbesaran 250x

58

4.10

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan
perbesaran 500x

58

4.11

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan
perbesaran 1000x

59

4.12

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan
perbesaran 2000x

60

4.13

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 50 ml dengan
perbesaran 4000x

60

4.14

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 150 ml dengan
perbesaran 500x

61

4.15

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 150 ml dengan
perbesaran 1000x

62

4.16

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 150 ml dengan
perbesaran 2000x

63

4.17

Foto SEM sampel elektroda karbon aktif tempurung
kelapa dengan volume pengikat PVA 150 ml dengan
perbesaran 4000x

63

17
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran
1
2
3
4
5
6

Judul
Dokumentasi Penelitian
Spesifikasi Teknis Membran Penukar Kation CMI-7000S
Spesifikasi Teknis Membran Penukar Anion AMI-7001S
Kurva Voltamogram
Data frekuensi, impedansi, pergeseran sudut fasa dan waktu
untuk elektroda dengan pengikat PVA 50 ml
Data frekuensi, impedansi, pergeseran sudut fasa dan waktu
untuk elektroda dengan pengikat PVA 150 ml

18
Universitas Sumatera Utara