Upload
dwi-puspitasari
View
24
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
semikonduktor
Citation preview
BAB 2 KAJIAN PUSTAKA
2.1. Capacitive Deionization (CDI) dan Perkembangannya
Capacitive deionization (CDI) adalah sebuah metode deionisasi air dengan
menggunakan perbedaan potensial listrik pada kedua batang elektrodanya.
Metode ini sudah dikembangkan sejak tahun 1960. Mekanisme kerja dari metode
ini adalah dengan cara mengalirkan air laut melewati elektroda bermuatan, sesuai
prinsip kapasitor yang menyerap ion secara elektrostatis pada permukaan
elektroda bermuatan [1]. Beda potensial yang digunakan untuk mendapatkan
kinerja yang optimum pada proses desalinasi menggunakan CDI adalah 0,8 V –
1,6 V [7]. Grafik penyerapan garam pada beda potensial 0,8 V-1,6 V dalam
penelitian yang dilakukan oleh Linda Zou dkk, dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Penelitian itu menggunakan prinsip CDI dengan aliran horizontal ( flow by mode )
dengan ukuran elektroda karbon aktif 70 mm (lebar) × 140 mm (panjang) × 0,3
mm (tebal) dan memiliki luas permukaan spesifik 999 m2/g [7].
Gambar 2.1 Penyerapan garam pada beda potensial 0,8-1,6V [7].
Pada Gambar 2.1 dapat dilihat penurunan konduktivitas air laut serta grafik
penyerapan garam pada beda potensial 0,8-1,6V. Dari Gambar 2.1. dapat dilihat
secara keseluruhan penyerapan garam yang ditandai dengan penurunan
konduktivitas. Pada Gambar 2.1. dapat diketahui bahwa penyerapan garam terjadi
1
sampai rentang waktu 60 menit, selanjutnya elektroda akan mengalami
kejenuhan. Selanjutnya konduktivitas akan mengalami kenaikan lagi karena ion-
ion yang terserap oleh elektroda karbon aktif akan kembali ke air garam tadi. Hal
itu terjadi karena Nanopori yang ada pada elektroda karbon aktif tidak dapat lagi
menyerap ion-ion, bila terus dipaksakan maka ion-ion yang sudah terserap
sebelumnya akan keluar dari pori-pori yang dimiliki oleh elektroda karbon aktif.
Gambar 2.1 adalah hasil pengukuran pada sistem CDI dengan konsep aliran
horizontal (flow by mode). Pengukuran konduktivitas dilakukan pada elektroda
karbon aktif yang digunakan.
Kapasitas pengurangan kadar garam pada sel CDI dapat dilihat pada
Persamaan 2.1. [4], serta efisiensi pengurangan kadar garam dapat dilihat pada
Persamaan 2.2. [8] .
Kapasitas penyerapan garam ( m g. g−1 ) = M w ×∫(C i−Co)∅ dt
M e
(2.1) [4]
Effisien pengurangan kadar garam = (C i−Co)
C i
% (2.2) [8]
Dimana Mw adalah massa molekul NaCl yaitu sebesar 58,443 mg/mmol. C i
dan Co adalah konsentrasi awal (konsentrasi air laut) dan konsentrasi setelah
mengalami proses desalinasi (mM), ø debit larutan NaCl (ml/min) dan Me adalah
jumlah massa kedua elektroda yang digunakan (g).
Dalam proses CDI salah satu material yang baik untuk digunakan sebagai
elektroda adalah karbon aktif. Karbon aktif bersifat konduktif, porositasnya
tinggi, dan memiliki sifat penyerapan yang baik serta harga terjangkau. Berikut
ini adalah Tabel perkembangan CDI dimulai pada tahun 2003 hingga tahun 2012
yang dibuat oleh Porada S., dkk.
2
Tabel 1. Perkembangan teknologi CDI [9].
No. TahunPerkembangan di Bidang
Material Teknik Teori
1. 2003 Electrodes with addition
of TiO2
2. 2005 Application of MWCNs
3. 2006 Application of CNTs -
CNFs
Membrane
Capacitive
Deionization
(MCDI)
4. 2008 Application of OMC
5. 2009 Application of grapheme
based electrodes
Theory of
MCDI
6. 2010 Water softening
applications
Modern
Porous
electrodes
theory
7. 2011 Efficiency increase by
surface treated electrodes
8. 2012 - Study on the effect of
micropores
- Selective removal of
nitrate
- Wired shape
electrodes
- Constan
current
operation of
CDI and
MCDI
Time
dependant
ion
selectivity
3
2.1.1. Prinsip Dasar Capacitive Deionization (CDI)
Prinsip kerjanya adalah jika air dengan kandungan garam dialirkan
diantara sepasang elektroda yang diberikan beda potensial tertentu maka elektroda
akan mengikat ion-ion yang berlawanan pada air tersebut. Elektroda negatif akan
menarik ion bermuatan positif (kation) seperti Natrium (Na), sedangkan elektroda
positif akan menarik ion negatif (anion) seperti klorida (Cl). Selanjutnya air yang
sudah dialirkan akan memiliki kandungan garam yang berkurang [10].
Berdasarkan operasionalnya proses desalinasi menggunakan CDI dibagi
menjadi dua bagian yaitu beda potensial tetap (Constant Voltage) dan Arus tetap
(Constant Current) [8]. Keunggulan penggunaan CDI pada arus tetap
dibandingkan dengan beda potensial tetap adalah laju pengurangan kadar
garamnya selalu konstan tiap satuan waktu [11].
2.1.2. Konstruksi Capacitive Deionization (CDI)
Konstruksi pada capacitive deionization dapat menentukan efektivitas
proses desaliniasi air laut menggunakan elektroda berbahan dasar karbon aktif.
Adapun kontruksi sel CDI yang lebih rinci dapat dilihat pada Gambar 2.2.
4
Gambar 2.2 Kontruksi CDI
Keterangan
1) Stainless steel dengan panjang 5 cm, lebar 5 mm dan tebal 2 mm
2) Karbon aktif dengan panjang 4 cm, lebar 4 mm dan tebal 1 mm
3) Membran resin kation
4) Membran resin anion
5) Aliran fluida
Pada penelitian ini nilai kapasitansi kapasitor yang dihitung memiliki sedikit
perbedaan dengan kapasitansi secara umumnya. Persamaan kapasitansi secara
umum dapat dilihat pada Persamaan 2.3. Dengan asumsi jarak antar ion d ≈ 1 nm,
permitivitas udara ε o≈ 8,85 × 10−12 Fm
, nilai konstanta dielektrik air laut k ≈ 10,
dan luas penampang spesifik elektroda karbon aktif A ≈ 800m2
g.
C=k ε0 A
d (2.3)
Berdasarkan Persamaan 2.3. nilai kapasitansi Sel CDI yang dibuat, diharapkan
memiliki kapasitansi mendekati 573,8 F/g.
5
2.1.3 Material Penyusun
1. Elektroda
Pemilihan material elektroda merupakan faktor yang penting dalam
menentukan performa capacitive deionisation. Berikut adalah beberapa faktor
penting yang harus dimiliki oleh material elektroda [12,13].
a. Luas permukaan spesifik yang tinggi yaitu 400-1000 m2/g
b. Konduktivitas listrik yang besar untuk mengurangi kehilangan daya
akibat resistansi internal yang besar.
c. Stabil pada temperatur tinggi yang mencapai 1000 derajat Celcius.
d. Distribusi ukuran pori yang besar yaitu meliputi mikropori (˂ 2 nm) dan
mesopori (2- 50 nm).
e. Struktur pori yang saling berhubungan sehingga dapat diakses oleh ion-
ion elektrolit.
f. Tidak korosif.
g. Murah.
2. Plat stainless steel sebagai current collector
Current collector adalah sebuah bahan yang digunakan sebagai penerima arus
dari karbon aktif. Plat stainless steel memiliki kelebihan yaitu tahan karat,
tahan terhadap perubahan suhu, mudah difabrikasi dan kuat. Karena sifat
tersebut maka stainless steel dipilih sebagai current collector.
3. Membran kation dan anion
Membran kation dan anion dibuat menggunakan resin kation dan anion.
Membran tersebut digunakan sebagai pembatas antara elektroda menghindari
hubungan singkat antar elektrodanya (short). Selain itu membran ini juga
berfungsi pengikat ion-ion sehingga membantu efektivitas desain sel CDI
dalam proses desalinasi air laut menjadi air tawar.
6
2.2. Transfer Ion pada CDI
Mekanisme kerja dari CDI adalah jika air dengan kandung garam dialirkan
diantara elektroda dengan beda potensial tertentu maka elektroda akan mengikat
ion-ion yang berlawanan pada air tersebut. Elektroda negatif akan menarik ion
bermuatan positif (kation) seperti kalsium (Ca), magnesium (Mg) dan Natrium
(Na), sedangkan elektroda positif akan menarik ion negatif (anion) seperti klorida
(Cl) dan nitrat (NO3). Selanjutnya air yang sudah dialirkan pada sistem akan
berkurang kandungan garamnya [1]. Skema sel CDI yang digunakan dapat dilihat
pada Gambar 2.3. Proses pengikatan ion positif dan negatif oleh elektroda-
elektroda karbon aktif yang dialiri beda potensial listrik dapat dilihat pada
Gambar 2.4.a serta proses yang terjadi saat beda potensial yang tadi dihentikan
dapat dilihat pada Gambar 2.4.b.
Gambar 2.3 Skema sel CDI
7
Gambar 2.4
(a) Proses pengisian muatan, (b) Proses Pengosongan muatan.
Air laut yang masuk ke dalam sel CDI yang belum diberikan beda potensial
akan bisa dilihat pada Gambar 2.3. Pada Gambar 2.3 dapat terlihat bahwa ion-ion
yang terkandung pada air laut masih tidak teratur dan saling mengikat satu sama
lain. Sedangkan pada Gambar 2.4.a dapat dilihat bahwa ion-ion yang terkandung
dalam air laut sudah diikat oleh elektroda karbon aktif yang diberikan beda
potensial. Proses pengikatan ion-ion dalam air laut terjadi pada saat air laut
dimasukkan ke dalam sel CDI yang telah diberikan beda potensial pada kedua
elektroda yang terbuat dari karbon aktif. Selanjutnya ion-ion tersebut akan diserap
oleh pori-pori yang terletak pada semua permukaan elektroda karbon aktifnya.
Untuk menjaga agar penyerapan ion-ion itu optimal maka elektroda karbon aktif
itu perlu dilapisi dengan suatu membran. Membran yang dipakai dalam percobaan
ini adalah resin kation dan anion.
Secara umum proses penyerapan ion yang terjadi pada sel CDI dapat
dipandang sebagai proses pengisian kapasitor. Skema pengisian kapasitor secara
umum dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Skema pengisian kapasitor
9
Misalkan beda potensial yang diberikan adalah Vo . Ketika saklar ditutup
maka rangkaian pada Gambar 2.5 menjadi rangkaian tertutup. Hubungan antara
beda potensial yang diberikan dengan beda potensial kapasitor dan beda potensial
pada hambatan mengikuti hukum Kirchoff tentang jumlah beda potensial pada
rangkaian tertutup sama dengan nol.
∑V =0
V o=V C+V R (2.4)
Dimana
V c=qC
V R=IR
Sehingga
V o=IR+ qC
(2.5)
Lakukan diferensial terhadap waktu pada ruas kiri dan ruas kanan, Persamaan
(2.6)
dV o
dt=dI
dtR+ 1
Cdqdt
(2.6)
Mengingat Vo konstan maka dV o
dt=0 dan berdasarkan definisi,
dqdt
=I . Dengan
demikian Persamaan (2.6) dapat ditulis
0=dIdt
R+ 1C
I
10
atau
dII
=−1RC
dt (2.7)
Pada saat t = 0 arus yang mengalir memiliki nilai maksimum, Io. Lakukan
integral di ruas kanan dari t = 0 sampai t sembarang dan di ruas kiri dari I o sampai
I sembarang. Maka
∫I o
IdII
=−1RC
∫0
t
dt
lnII o
=−1RC
t
atau
I=I o e−tRC (2.8)
Berdasarkan Persamaan 2.4, beda potensial antara dua ujung kapasitor memenuhi
V c=V o−IR
V c=V o−( I o e−tRC ) R=V o−V o e
−tRC
V c=V o(1−e−tRC ) (2.9)
Dengan Q= CV maka Persamaan 2.9 akan menjadi
Qc=Q o(1−e
−tRC ) (2.10)
I c=I o(1−e
−tRC ) (2.11)
11
Grafik pengisian kapasitor hubungan beda potensial dan waktu dapat dilihat pada
Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Grafik pengisian kapasitor
Dari gambar 2.6 dapat dilihat bahwa semakin lama waktu maka beda
potensial yang terdapat akan semakin besar. Perlu diperhatikan, pada proses
pengisian tidak mungkin beda potensial yang ada pada kapasitor sama dengan
beda potensial yang diberikan (Vo).
Proses pengosongan muatan pada sel CDI sama seperti proses pegosongan
kapasitor pada umumnya. Skema pengosongan kapasitor pada umumnya dapat
dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Skema pengosongan kapasitor
Anggap suatu saat arus yang mengalir adalah I. Setelah selang waktu Δt
terjadi perubahan muatan kapasitor sebesar
12
∆ q=−I ∆ t (2.12)
Tanda minus menunjukan bahwa muatan kapasitor berkurang (akibat
pengosongan ). Dengan menggunakan hukum I= V/R serta hubungan antara
muatan dan beda potensial kapasitor V=q/C maka dapat ditulis
∆ q=−( qRC )∆ t (2.13)
Jika Δt diambil menuju nol (Δt 0) maka dapat diganti Δq dq dan Δt dt.
Dengan demikian, Persamaan 2.12 menjadi
dq=−( qRC )dt (2.14)
Misalkan pada saat t = 0 muatan kapasitor adalah Qo dan saat t sembarang muatan
kapasitor adalah Q. Lakukan integral waktu dari 0 sampai t dan integral muatan
dari Qo sampai Q.
∫Qo
Qdqq
=−1RC
∫0
t
dt
lnQQo
=−1RC
t
Q=Q o e−tRC (2.15)
I=I o e−tRC (2.16)
Dengan menggunakana hubungan Q = VC maka beda potensial antara dua ujung
kapasitor berubah menurut hubungan
VC=V o C e−tRC
V=V o e−tRC (2.17)
13
Garfik pengosongan kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.8, beda potensial
terhadap waktu.
Gambar 2.8 Grafik pengosongan kapasitor
Karena sel CDI yang diterapkan dalam penelitian ini mengikuti prinsip kapasitor
plat sejajar, maka beda potensial yang dihasilkan antara dua plat itu dapat ditulis
∆ V =−σdk εo
(2.18)
Potensial listrik di sekitar muatan titik yang ditempatkan dalam medium dengan
konstanta dielektrik k adalah
V= 14πk εo
Qr (2.19)
2.3. Polarisasi
Polarisasi adalah sebuah proses pengkutuban muatan-muatan yang
dipengaruhi oleh medan listrik. Proses pelorisasi pada kapasitor terjadi seperti
dibawah ini. Gambar dua plat sejajar tanpa bahan dielektrik dan dengan dielektrik
dapat dilihat pada Gambar 2.9.
14
(a) Tanpa dielektrik (b) Dengan dielektrik
Gambar 2.9
Pada Gambar 2.9.a, jika dua plat sejajar tanpa bahan dielektrik kuat medan
listriknya adalah
Eo=σεo
(2.20)
Jika dua plat sejajar disisipkan bahan dielektrik, Gambar 2.9.b. Akibat
adanya medan listrik E maka terjadi polarisasi pada bahan sehingga secara efektif
pada permukaan bahan yang berdekatan dengan elektroda terbentuk muatan
positif dan muatan negatif. Permukaan yang berdekatan dengan elektroda positif
akan bermuatan negatif dan permukaan yang berdekatan dengan elektroda negatif
akan bermuatan positif. Medan listrik yang terjadi pada plat sejajar yang
disisipkan bahan dielektrik adalah
E=Eo
1+ χ=
Eo
k (2.21)
dengan χ adalah susseptibilitas listrik bahan, k adalah konstanta dielektrik bahan.
Dapat dilihat bahwa medan listrik pada bahan dielektrik sama dengan kuat medan
listrik tanpa bahan dielektrik dibagi konsanta dielektrik bahan. Hubungan medan
listrik dengan beda potensial antar dua plat sejajar adalah
V=Ed (2.22)
15
dengan V adalah beda potensial antar dua plat, E adalah medan listrik dan d
adalah jarak antar plat. Dari Persamaan 2.18 dapat dilihat bahwa mengecilnya
kuat medan listrik diantara dua plat sejajar menyebabkan berkurangnya beda
potensial antar dua plat tersebut.
Proses terbentuknya muatan-muatan pada permukaan dua plat sejajar karena
adanya medan lisrik disebut dengan proses polarisasi. Hal ini terjadi karena reaksi
gaya Culomb. Hubungan gaya Culomb dengan medan listrik dapat dilihat pada
Persamaan 2.23.
F=qE (2.23)
Dari Persamaan 2.23 dapat dilihat bahwa arah gaya Culomb tergantung dengan
jenis muatan yang diberikan.
Momen dipole (p) merupakan suatu besaran vektor yang dari negatif menuju
positif. Momen dipole dapat dicari dengan Persamaan 2.24.
p=Qd (2.24)
dengan p dalah momen dipole, q adalah selisih muatan dan d adalah jarak antara
muatan positif dengan muatan negatif.
16
Hubungan momen dipole dengan medan listrik dapat dilihat pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Hubungan medan listrik dengan momen dipole
Dari Gambar 2.10 dapat dilihat bahwa momen dipole dan medan listrik akan
membentuk suatu sudut, asumsikan sudut itu adalah ϴ. Hubungan τ , p dan E
dapat dilihat pada Persamaan 2.25.
τ=p× E (2.25)
Hubungan τ dengan energi dapat dilihat pada Persamaan 2.26.
U=−p E cos θ (2.26)
17
2.4. Konsumsi Energi pada CDI
Pada proses desalinasi ada beberapa jenis metode yang sering digunakan,
antara lain adalah multistage flash (MSF), membran elektrodialisis (MED),
reverse osmosis (RO), elektrodialisis (ED) serta capacitive deionization (CDI).
Dari table 2 dapat dilihat bahwa metode capacitive deionization (CDI) adalah
sebuah metode desalinasi yang lebih hemat energi dibandingkan dengan
multistage flash (MSF), membran elektrodialisis (MED), reverse osmosis (RO),
elektrodialisis (ED) .
Tabel 2. Konsumsi energi pada masing-masing metode [4]
Metode Konsumsi energi(kWh/m3)
MSF 10-58
MED 6-58
RO 2-6
ED 0.4-8.7
CDI 0.1-2.03
Perbandingan konsumsi energi pada masing-masing metode yang
digunakan pada proses desalinasi seperti pada Tabel 2 ditulis oleh Faisal A.
Almarzooqi, dkk. Selain itu, Salah satu bukti dari penggunaan CDI memiliki
konsumsi energi yang rendah telah dibuktikan oleh Ju-Young Lee, dkk. Ju-Young
Lee dan kawan-kawan adalah kelompok pertama yang menggunakan sistem
MCDI pada tahun 2006 pada pengolahan air limbah pembangkit listrik,
menunjukan pengurangan natrium dan klorida 19% lebih besar dari pada CDI,
serta pengurangan garamnya akan maksimal sebesar 92% pada tingkat konsumsi
energi 1,96 kWh/m3 [4].
18
Konsumsi energi (kj/mol) merupakan perbandingan jumlah energi listrik
yang diberikan dengan jumlah ion-ion yang dihilangkan. Perbandingan itu dapat
dilihat secara lebih rinci pada Persamaan 2.27 [8].
Konsumsi energi ¿∫V c I dt
2×∫(C i−Co)∅ dt(2.27)
Dimana Vc beda potensial yang diberikan kepada elektroda, I adalah arus
yang dihasilkan oleh elektroda. Ci dan Co adalah konsentrasi larutan sebelum dan
sesudah mengalami proses desalinasi serta ϕ adalah kecepatan aliran fluida.
Angka 2 adalah konstanta yang digunakan untuk mencangkup ion positif dan
negatif pada larutan garam.
19
2.5. Arduino Uno
Arduino Uno adalah salah satu mikrokontroler arduino yang memiliki
ukuran yang relatif kecil, sehingga sangat cocok digunakan dalam sistem yang
sederhana. Arduino Uno ini akan digunakan pada sistem feed water, arduino ini
bertugas sebagai mikrokontroler pengontrol kecepatan fluida yang akan menuju
gasket dalam sel CDI. Arduino Uno akan digunakan untuk mengatur gerak motor
servo yang nantinya akan terhubung dengan penekan selang infus, pengaturan
gerak servo dilakukan dengan cara mengatur PWM ( Pulse Width Modulation)
yang diberikan mikrokontroler (Arduino Uno). Arduino Uno merupakan
mikrokontroler berbasis Atmega328. Arduino jenis ini memiliki 14 pin I/O,
dengan jumlah pin untuk output PWM sebanyak 6 pin dan jumlah pin untuk input
analog sebanyak 8 pin. Arduino Nano dapat dilihat pada Gambar 2.10
Gambar 2.10 Arduinon Nano [15]
Mikrokontroler jenis ini memiliki konektor berupa MiniUSB
( menggunakan chip FTDI sebagai konverter USB to serial). Pemograman
20
Arduino Nano mengunakan Arduino Software berbasiskan bahasa C yang telah
dilengkapi dengan library yang kompatibel dengan desain hardware Arduino.
2.4.1 Konfigurasi pin Arduino Nano
Arduino Nano memiliki 16 pin yang semuanya pinnya tidak
tergabung dalam port-port tertentu. Konfigurasi pin arduino dapat dilihat
pada Gambar 2.6.
Gambar 2.11 Pin Arduino Nano [15]
Kegunaan masing-masing pin yang terdapat pada Arduino Nano secara
lebih rinci dapat dilihat pada Tabel dibawah ini.
Tabel 3. Konfigurasi Pin Arduino Nano[15]
No. Nama Tipe Fungsi
21
1-2, 3-16 D0-D13 I/O Digital input/output 0-13
3, 28 RESET Input Reset
4, 29 GND PWR Supply ground
17 3V3 Output +3.3 V output
18 AREF Input ADC reference
19-26 A7-A0 Input Analog input 0-7
27 +5V Output atau
input
+5V output
30 VIN PWR Supply Volrtage
2.6. H-bridge Driver Motor
H-bridge Driver motor adalah salah satu jenis driver motor DC. Driver
motor yang digunakan dalam penelitian ini adalah jenis L298N ( Gambar
2.12). Driver motor ini digunakan untuk mengatur kerja pompa motor dc
yang digunakan. Pulsa PWM yang dikeluarkan oleh mikrokontroler
Arduino akan diubah menjadi tegangan, nantinya tegangan itu akan
menentukan seberapa cepat putaran motor dc. Cepat tidaknya putaran motor
dc akan menentukan kuat-lemahnya sedotan pompa.
22
Gambar 2.12. Driver motor L298N
2.7. Mini pump Diaphragm
Mini pump diaphragm adalah salah satu jenis pompa diaprahma
menggunakan motor DC. Pompa seperti ini biasanya digunakan dalam
industri kesehatan dan farmasi. Pengaturan kecepatan pompanya tergantung
pada nilai tegangan yang diberikan kepada motor Dcnya.
23