Pemanfaatan Zeolit Alam Pahae Modifikasi sebagai Filter Uap Air pada Proses Elektrolisa
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada masa sekarang kecenderungan pemakaian bahan bakar sangat tinggi
sedangkan sumber bahan bakar minyak bumi yang di pakai saat ini semakin
menipis. Oleh karena itu, perlu adanya bahan alternatif yang dapat digunakan
sebagai pengganti minyak bumi (Dyah Tri Retno, dan Wasir Nuri, 2011). Salah
satu bentuk energi alternatif yang saat ini menjadi perhatian besar pada banyak
Negara, terutama di Negara maju adalah hidrogen. Hidrogen diproyeksikan oleh
banyak Negara akan menjadi bahan bakar masa depan yang lebih ramah
lingkungan dan lebih efisien (Sebastian, O., dan Sitorus, T.B., 2013). Gas
hidrogen hasil elektrolisis air dapat digunakan untuk bahan bakar tambahan
sehingga penggunaan bahan bakar fosil diharapkan dapat dikurangi.
Elektrolisis air adalah peristiwa penguraian senyawa air (H2O) menjadi
oksigen (O2) dan hidrogen gas (H2) dengan menggunakan arus listrik yang
melalui air tersebut. Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini
membentuk gelembung pada elektrode dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini
kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida
(H2O2) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen (Spiegel,
Colleen., 2008). Hasil dari elektrolisa air bukan hanya menghasilkan gas
hidrogen, namun juga menghasilkan uap air yang dapat mengganggu dalam
proses pembakaran kendaraan karena uap air akan mengambil panas di ruang
bakar, yang menyebabkan pembakaran tidak sempurna (Johan, A., 2012). Salah
satu upaya yang dilakukan untuk memaksimalkan hasil dari eletrolisa berupa gas
hidrogen dan oksigen adalah dengan membuat filter uap air.
Salah satu adsorben yang berpotensi sebagai filter uap air adalah zeolit.
Zeolit dapat digunakan sebagai adsorben, karena merupakan polimer anorganik
yang tersusun dari satuan berulang berupa tetrahedral SiO dan AlO4 (Kahar, A.,
2007). Di Indonesia, zeolit salah satu sumber daya alam yang banyak terdapat di
Provinsi Sumatera Utara, khususnya di daerah Kecamatan Pahae Kabupaten
Universitas Sumatera Utara
Tapanuli Utara. Di daerah ini banyak terdapat cadangan sumber zeolit alam Pahae
sekitar ± 6.000.000 ton yang kurang dimanfaatkan dengan baik (DisTam PopSu,
2004).
Pada umumnya zeolit alam masih mengandung pengotor-pengotor organik
dan anorganik yang menutupi porinya, sehingga untuk meningkatkan kemampuan
daya serap zeolit alam harus dilakukan aktivasi terlebih dahulu (Khairinal dan
Trisunaryanti, 2000). Zeolit alam yang telah diaktivasi dan dimodifikasi memiliki
pori-pori yang terbuka lebih banyak sehingga luas permukaan pori-pori bertambah
dan dapat dipergunakan sebagai adsorben (Wahono, S.K, dkk., 2010). Dalam
penelitian ini, zeolit alam diaktivasi (kimia dan fisika) dan zeolit dimodifikasi
dengan penambahan kulit kakao dan clay.
Kedua bahan tersebut dipilih karena kulit kakao merupakan produk
berlimpah dari perkebunan kakao di Indonesia yang merupakan limbah dari buah
kakao. Pemanfaatan limbah kulit buah kakao memiliki potensi besar untuk
produksi pektin. Struktur komponen pektin banyak mengandung gugus aktif,
sehingga pektin dapat digunakan sebagai salah satu sumber biosorben (Wong et
al., 2008), sedangkan clay (lempung) merupakan konstituen penting didalam
tanah yang berperan sebagai perangkap alami polutan-polutan yang mengalir
bersama air dipermukaan atau di dalam tanah melalui peristiwa adsorpsi atau
pertukaran ion. Keunggulan lempung sebagai adsorben ditunjang pula oleh sifatsifat yang dimilikinya antara lain luas permukaan spesifik yang tinggi, stabil
secara kimia dan mekanik, struktur permukaan yang bervariasi, kapasitas
pertukaran ion yang tinggi (Bhattacharyya and Gupta, 2006).
Penelitian mengenai pemanfaatan zeolit alam sebagai adsorben telah
banyak dilakukan meliputi penelitian Kurniasari, L (2010) proses pengeringan
dengan sistem adsorpsi terbukti mampu meningkatkan efisiensi energi serta
menghindari pemakaian suhu tinggi yang dapat menyebabkan kerusakan pada
produk.
Penelitian Suriawan, M.C.V dan Nindhia, T.G.T. (2010) menunjukkan
perubahan struktur mikro sebelum dan sesudah pengasaman dengan larutan
H2SO4 dengan konsentrasi yang berbeda-beda yaitu 2 %, 4%, 6%, 8%, 10%
2
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan timbulnya rongga atau porositas yang ditandai dengan timbulnya
fase terang dengan porositas terbesar pada konsentrasi H2SO4 6%, dimana makin
besar tingkat porositasnya, maka zeolit memiliki keaktifan yang semakin baik
untuk adsorpsi.
Penelitian Lasryza, A. dan Sawitri, D. (2012) Fly ash dengan ukuran butir
325 mesh hasil XRF sebelum aktivasi menunjukkan kandungan unsur Si 9,3% dan
Al 1,8% dan hasil karakterisasi XRD menunjukkan perubahan kandungan mineral
setelah aktivasi fisis tidak signifikan dibandingkan setelah aktivasi kimia. Setelah
dilakukan uji adsorpsi didapatkan bahwa adsorben yang paling optimum dalam
menyerap gas buang CO adalah adsorben yang telah diaktivasi fisis pada suhu
5400C dan diaktivasi kimia dengan NaOH, dengan perbandingan massa antara fly
ash : NaOH = 1 : 1,2 dan efisiensi penyerapan maksimum sebesar 19,78%.
Penelitian Yuliusman, dkk. (2010) aktivasi zeolit dengan larutan HF 2%
selama 10 menit mampu menurunkan kadar unsur K dari 7.13% menjadi 5,57%,
Ca 6,13% menjadi 4.23%, Fe 5.55% menjadi 4.61%, perendaman HCL 6 M
selama 30 menit pada suhu 900C mampu menurunkan kadar unsur K 5,57%
menjadi 2.42%, Ca 4,23% menjadi 2.43%, Fe 4.61% menjadi 3.69%. Sedangkan
proses kalsinasi pada temperatur 5000C tidak memberikan perubahan yang
signifikan. Dan hasil aktivasi mampu meningkatkan efesiensi adsorpsi dalam
mengadsorp gas CO dari 1,14 % menjadi 6,25 % dan ukuran partikel 50 µm
mempunyai daya serap lebih banyak dibandingkan partikel zeolit untuk ukuran
100 µm dan 150 µm.
Siagian, H. (2011) zeolit pahae yang berukuran 200 mesh diaktivasi secara
kimia dengan larutan HCL 2 M dan aktivasi fisika pada suhu 6000C selama 2 jam.
Zeolit pahae yang telah diaktivasi dicampur dengan arang aktif tongkol jagung.
Hasil pengujian menunjukkan penambahan arang aktif cenderung menghasilkan
porositas yang semakin tinggi dan daya adsorpsi terhadap kandungan parameter
pH air, Mn, F cenderung semakin besar. Sampel terbaik yang digunakan sebagai
bahan adsorpsi kandungan parameter kimia terdapat pada penambahan komposisi
zeolit dan arang aktif tongkol jagung 20:80 % dengan porositas 66,32%.
3
Universitas Sumatera Utara
Nasution, T.I., et al. (2015) zeolit Pahae dan zeolit Cikalong yang
berukuran 200 mesh dan 60 mesh diaktivasi secara kimia dengan larutan KOH
30% selama 3 jam dan diaktivasi fisika pada suhu 3000C selama 2 jam. Hasil
pengujian adsorpsi zeolit Pahae dalam bentuk serbuk (200 mesh dan 60 mesh)
memiliki daya adsorpsi uap air lebih baik daripada zeolit Cikalong ukuran (200
mesh dan 60 mesh). Zeolit Pahae ukuran 200 mesh memiliki daya adsorpsi uap air
tertinggi sebesar 3,569 volt.
Berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya, maka akan dilakukan
penelitian mengenai filter uap air pada kendaraan sepeda motor berbahan bakar
bioethanol + hidrogen hasil elektrolisa air dengan menggunakan zeolit alam Pahae
yang berasal dari Tapanuli Utara dan diproses dengan aktivasi fisika, clay dari
Desa Wonosari Lubuk Pakam Medan sebagai perekat, dan Kulit Kakao sebagai
filler yang berasal dari Desa Bangun Sari Baru, Tanjung Morawa Medan.
1.1 Rumusan Masalah
Dari latar belakang masalah yang telah diuraikan, maka rumusan masalah
dalam penelitian ini adalah
1. Bagaimana sifat fisis (porositas), dan sifat mekanik (kekerasan) dari filter
uap air ?
2. Bagaimana morfologi dan perbandingan rasio Si/Al dari filter uap air
berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum ?
3. Bagaimana daya adsorpsi dan uji life time dari filter uap air ?
1.2 Batasan Masalah
Untuk membatasi ruang lingkup yang jelas berdasarkan uraian yang telah
dikemukakan pada latar belakang di atas, maka penulis membatasi permasalahan
sebagai berikut :
1. Filter komposit dibuat dari bahan zeolit alam Pahae dari Tapanuli Utara,
clay dari Desa Wonosari, Lubuk Pakam Medan, dan kulit kakao dari Desa
Bangun Sari Baru, Tanjung Morawa Medan.
2. Ukuran serbuk zeolit alam Pahae, clay, dan kulit kakao adalah 200 mesh.
4
Universitas Sumatera Utara
3. Komposisi campuran zeolit alam Pahae : clay : kulit kakao adalah I.
100:0:0 ; II. 95:5:0 ; III. 95:0:5 ; IV. 90:5:5.
4. Suhu aktivasi dimulai dari 7000C, 8000C, dan 9000C.
5. Pengujian rasio Si/Al dari zeolit Pahae dilakukan pada sampel yang
memiliki nilai adsorpsi yang terbaik.
6. Pengujian yang dilakukan adalah analisis struktur morfologi-komposisi
kimia (SEM-EDX), sifat fisis (porositas), sifat mekanik (kekerasan), uji
adsorpsi uap air, dan uji life time.
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah
1. Untuk mengetahui sifat fisis (porositas), dan sifat mekanik (kekerasan)
dari filter uap air.
2. Untuk mengetahui morfologi dan perbandingan rasio Si/Al dari filter uap
air berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum.
3. Untuk mengetahui daya adsorpsi dan uji life time dari filter uap air.
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah
1. Memberikan informasi tentang sifat fisis (porositas), sifat mekanik
(kekerasan) dan daya adsorpsi dari filter uap air berbasis zeolit alam Pahae
dengan filler kulit kakao.
2. Memberikan informasi tentang morfologi dan perbandingan rasio Si/Al
dari filter uap air berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum.
3. Memanfaatkan sumber daya alam khususnya zeolit alam Pahae yang
berasal dari Tapanuli Utara.
4. Peningkatan nilai ekonomis filter uap air berbasis zeolit alam Pahae
sebagai filter gas hidrogen hasil elektrolisa.
5
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada masa sekarang kecenderungan pemakaian bahan bakar sangat tinggi
sedangkan sumber bahan bakar minyak bumi yang di pakai saat ini semakin
menipis. Oleh karena itu, perlu adanya bahan alternatif yang dapat digunakan
sebagai pengganti minyak bumi (Dyah Tri Retno, dan Wasir Nuri, 2011). Salah
satu bentuk energi alternatif yang saat ini menjadi perhatian besar pada banyak
Negara, terutama di Negara maju adalah hidrogen. Hidrogen diproyeksikan oleh
banyak Negara akan menjadi bahan bakar masa depan yang lebih ramah
lingkungan dan lebih efisien (Sebastian, O., dan Sitorus, T.B., 2013). Gas
hidrogen hasil elektrolisis air dapat digunakan untuk bahan bakar tambahan
sehingga penggunaan bahan bakar fosil diharapkan dapat dikurangi.
Elektrolisis air adalah peristiwa penguraian senyawa air (H2O) menjadi
oksigen (O2) dan hidrogen gas (H2) dengan menggunakan arus listrik yang
melalui air tersebut. Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini
membentuk gelembung pada elektrode dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini
kemudian dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen dan hidrogen peroksida
(H2O2) yang dapat digunakan sebagai bahan bakar kendaraan hidrogen (Spiegel,
Colleen., 2008). Hasil dari elektrolisa air bukan hanya menghasilkan gas
hidrogen, namun juga menghasilkan uap air yang dapat mengganggu dalam
proses pembakaran kendaraan karena uap air akan mengambil panas di ruang
bakar, yang menyebabkan pembakaran tidak sempurna (Johan, A., 2012). Salah
satu upaya yang dilakukan untuk memaksimalkan hasil dari eletrolisa berupa gas
hidrogen dan oksigen adalah dengan membuat filter uap air.
Salah satu adsorben yang berpotensi sebagai filter uap air adalah zeolit.
Zeolit dapat digunakan sebagai adsorben, karena merupakan polimer anorganik
yang tersusun dari satuan berulang berupa tetrahedral SiO dan AlO4 (Kahar, A.,
2007). Di Indonesia, zeolit salah satu sumber daya alam yang banyak terdapat di
Provinsi Sumatera Utara, khususnya di daerah Kecamatan Pahae Kabupaten
Universitas Sumatera Utara
Tapanuli Utara. Di daerah ini banyak terdapat cadangan sumber zeolit alam Pahae
sekitar ± 6.000.000 ton yang kurang dimanfaatkan dengan baik (DisTam PopSu,
2004).
Pada umumnya zeolit alam masih mengandung pengotor-pengotor organik
dan anorganik yang menutupi porinya, sehingga untuk meningkatkan kemampuan
daya serap zeolit alam harus dilakukan aktivasi terlebih dahulu (Khairinal dan
Trisunaryanti, 2000). Zeolit alam yang telah diaktivasi dan dimodifikasi memiliki
pori-pori yang terbuka lebih banyak sehingga luas permukaan pori-pori bertambah
dan dapat dipergunakan sebagai adsorben (Wahono, S.K, dkk., 2010). Dalam
penelitian ini, zeolit alam diaktivasi (kimia dan fisika) dan zeolit dimodifikasi
dengan penambahan kulit kakao dan clay.
Kedua bahan tersebut dipilih karena kulit kakao merupakan produk
berlimpah dari perkebunan kakao di Indonesia yang merupakan limbah dari buah
kakao. Pemanfaatan limbah kulit buah kakao memiliki potensi besar untuk
produksi pektin. Struktur komponen pektin banyak mengandung gugus aktif,
sehingga pektin dapat digunakan sebagai salah satu sumber biosorben (Wong et
al., 2008), sedangkan clay (lempung) merupakan konstituen penting didalam
tanah yang berperan sebagai perangkap alami polutan-polutan yang mengalir
bersama air dipermukaan atau di dalam tanah melalui peristiwa adsorpsi atau
pertukaran ion. Keunggulan lempung sebagai adsorben ditunjang pula oleh sifatsifat yang dimilikinya antara lain luas permukaan spesifik yang tinggi, stabil
secara kimia dan mekanik, struktur permukaan yang bervariasi, kapasitas
pertukaran ion yang tinggi (Bhattacharyya and Gupta, 2006).
Penelitian mengenai pemanfaatan zeolit alam sebagai adsorben telah
banyak dilakukan meliputi penelitian Kurniasari, L (2010) proses pengeringan
dengan sistem adsorpsi terbukti mampu meningkatkan efisiensi energi serta
menghindari pemakaian suhu tinggi yang dapat menyebabkan kerusakan pada
produk.
Penelitian Suriawan, M.C.V dan Nindhia, T.G.T. (2010) menunjukkan
perubahan struktur mikro sebelum dan sesudah pengasaman dengan larutan
H2SO4 dengan konsentrasi yang berbeda-beda yaitu 2 %, 4%, 6%, 8%, 10%
2
Universitas Sumatera Utara
menyebabkan timbulnya rongga atau porositas yang ditandai dengan timbulnya
fase terang dengan porositas terbesar pada konsentrasi H2SO4 6%, dimana makin
besar tingkat porositasnya, maka zeolit memiliki keaktifan yang semakin baik
untuk adsorpsi.
Penelitian Lasryza, A. dan Sawitri, D. (2012) Fly ash dengan ukuran butir
325 mesh hasil XRF sebelum aktivasi menunjukkan kandungan unsur Si 9,3% dan
Al 1,8% dan hasil karakterisasi XRD menunjukkan perubahan kandungan mineral
setelah aktivasi fisis tidak signifikan dibandingkan setelah aktivasi kimia. Setelah
dilakukan uji adsorpsi didapatkan bahwa adsorben yang paling optimum dalam
menyerap gas buang CO adalah adsorben yang telah diaktivasi fisis pada suhu
5400C dan diaktivasi kimia dengan NaOH, dengan perbandingan massa antara fly
ash : NaOH = 1 : 1,2 dan efisiensi penyerapan maksimum sebesar 19,78%.
Penelitian Yuliusman, dkk. (2010) aktivasi zeolit dengan larutan HF 2%
selama 10 menit mampu menurunkan kadar unsur K dari 7.13% menjadi 5,57%,
Ca 6,13% menjadi 4.23%, Fe 5.55% menjadi 4.61%, perendaman HCL 6 M
selama 30 menit pada suhu 900C mampu menurunkan kadar unsur K 5,57%
menjadi 2.42%, Ca 4,23% menjadi 2.43%, Fe 4.61% menjadi 3.69%. Sedangkan
proses kalsinasi pada temperatur 5000C tidak memberikan perubahan yang
signifikan. Dan hasil aktivasi mampu meningkatkan efesiensi adsorpsi dalam
mengadsorp gas CO dari 1,14 % menjadi 6,25 % dan ukuran partikel 50 µm
mempunyai daya serap lebih banyak dibandingkan partikel zeolit untuk ukuran
100 µm dan 150 µm.
Siagian, H. (2011) zeolit pahae yang berukuran 200 mesh diaktivasi secara
kimia dengan larutan HCL 2 M dan aktivasi fisika pada suhu 6000C selama 2 jam.
Zeolit pahae yang telah diaktivasi dicampur dengan arang aktif tongkol jagung.
Hasil pengujian menunjukkan penambahan arang aktif cenderung menghasilkan
porositas yang semakin tinggi dan daya adsorpsi terhadap kandungan parameter
pH air, Mn, F cenderung semakin besar. Sampel terbaik yang digunakan sebagai
bahan adsorpsi kandungan parameter kimia terdapat pada penambahan komposisi
zeolit dan arang aktif tongkol jagung 20:80 % dengan porositas 66,32%.
3
Universitas Sumatera Utara
Nasution, T.I., et al. (2015) zeolit Pahae dan zeolit Cikalong yang
berukuran 200 mesh dan 60 mesh diaktivasi secara kimia dengan larutan KOH
30% selama 3 jam dan diaktivasi fisika pada suhu 3000C selama 2 jam. Hasil
pengujian adsorpsi zeolit Pahae dalam bentuk serbuk (200 mesh dan 60 mesh)
memiliki daya adsorpsi uap air lebih baik daripada zeolit Cikalong ukuran (200
mesh dan 60 mesh). Zeolit Pahae ukuran 200 mesh memiliki daya adsorpsi uap air
tertinggi sebesar 3,569 volt.
Berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya, maka akan dilakukan
penelitian mengenai filter uap air pada kendaraan sepeda motor berbahan bakar
bioethanol + hidrogen hasil elektrolisa air dengan menggunakan zeolit alam Pahae
yang berasal dari Tapanuli Utara dan diproses dengan aktivasi fisika, clay dari
Desa Wonosari Lubuk Pakam Medan sebagai perekat, dan Kulit Kakao sebagai
filler yang berasal dari Desa Bangun Sari Baru, Tanjung Morawa Medan.
1.1 Rumusan Masalah
Dari latar belakang masalah yang telah diuraikan, maka rumusan masalah
dalam penelitian ini adalah
1. Bagaimana sifat fisis (porositas), dan sifat mekanik (kekerasan) dari filter
uap air ?
2. Bagaimana morfologi dan perbandingan rasio Si/Al dari filter uap air
berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum ?
3. Bagaimana daya adsorpsi dan uji life time dari filter uap air ?
1.2 Batasan Masalah
Untuk membatasi ruang lingkup yang jelas berdasarkan uraian yang telah
dikemukakan pada latar belakang di atas, maka penulis membatasi permasalahan
sebagai berikut :
1. Filter komposit dibuat dari bahan zeolit alam Pahae dari Tapanuli Utara,
clay dari Desa Wonosari, Lubuk Pakam Medan, dan kulit kakao dari Desa
Bangun Sari Baru, Tanjung Morawa Medan.
2. Ukuran serbuk zeolit alam Pahae, clay, dan kulit kakao adalah 200 mesh.
4
Universitas Sumatera Utara
3. Komposisi campuran zeolit alam Pahae : clay : kulit kakao adalah I.
100:0:0 ; II. 95:5:0 ; III. 95:0:5 ; IV. 90:5:5.
4. Suhu aktivasi dimulai dari 7000C, 8000C, dan 9000C.
5. Pengujian rasio Si/Al dari zeolit Pahae dilakukan pada sampel yang
memiliki nilai adsorpsi yang terbaik.
6. Pengujian yang dilakukan adalah analisis struktur morfologi-komposisi
kimia (SEM-EDX), sifat fisis (porositas), sifat mekanik (kekerasan), uji
adsorpsi uap air, dan uji life time.
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah
1. Untuk mengetahui sifat fisis (porositas), dan sifat mekanik (kekerasan)
dari filter uap air.
2. Untuk mengetahui morfologi dan perbandingan rasio Si/Al dari filter uap
air berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum.
3. Untuk mengetahui daya adsorpsi dan uji life time dari filter uap air.
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah
1. Memberikan informasi tentang sifat fisis (porositas), sifat mekanik
(kekerasan) dan daya adsorpsi dari filter uap air berbasis zeolit alam Pahae
dengan filler kulit kakao.
2. Memberikan informasi tentang morfologi dan perbandingan rasio Si/Al
dari filter uap air berbasis zeolit alam Pahae modifikasi yang optimum.
3. Memanfaatkan sumber daya alam khususnya zeolit alam Pahae yang
berasal dari Tapanuli Utara.
4. Peningkatan nilai ekonomis filter uap air berbasis zeolit alam Pahae
sebagai filter gas hidrogen hasil elektrolisa.
5
Universitas Sumatera Utara