1

Abstrak—Air payau merupakan salah satu alternatif

sumber air baku di wilayah pesisir pantai maupun pulau-pulau

kecil. Salah satu metode pengolahan air payau yaitu elektrodialisis

(ED). ED adalah pemisahan ion-ion dalam larutan menggunakan

membran yang melibatkan ion exchenge membrane dan

dipengaruhi oleh arus listrik. Tujuan dari penelitian untuk

menganalisis desalinasi air payau dengan konsentrasi total

dissolved solid (TDS) tinggi menggunakan proses ED dengan

variasi tegangan dan jumlah kompartemen. Reaktor ED

dioperasikan selama 72 jam. dengan tegangan yang dipakai yaitu

6, 9 dan 12 V, sedangkan untuk jumlah kompartemen yaitu 5 dan 7

kompartemen. Luas membran efektif yaitu 100 cm2 setiap

kompartemen dengan luas elektroda masing-masing adalah 25 cm2.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa lamanya waktu kontak air

payau (TDS=2.000 mg/L) berpengaruh terhadap kualitas air

produk. Efisiensi removal pada 5 kompartemen dengan tegangan 6

V adalah TDS=61% dengan pH akhir 7.7. Sedangkan untuk 7

kompartemen tegangan optimum yang didapat adalah 6 V dengan

efisiensi removal TDS=92%, dengan pH akhir 8.0. Dilihat dari

kebutuhan energi untuk desalinasi air payau menggunkan proses

ED, reaktor dengan 7 kompartemen lebih efektif karena mampu

meremoval lebih baik dengan energi sebesar 139,68 kWh m‾³,

sedangkan pada 5 kompartemen lebih kecil yaitu 126, 72 kWh m‾³.

Kata Kunci— air payau, ED, kompartemen, tegangan, TDS

I. PENDAHULUAN

EBUTUHAN air bersih bagi masyarakat di Indonesia

masih sangat sulit. Sehingga diperlukan upaya

memenuhi kebutuhan air bersih menggunakan sumber

daya yang ada. Namun tidak semua daerah memiliki

sumberdaya yang baik. Apalagi wilayah pesisir pantai

maupun pulau–pulau kecil. Sumber daya air di daerah

tersebut merupakan sumber daya air yang memiliki kualitas

buruk karena air tanahnya asin atau payau [1]. Sumber air

payau yang biasa digunakan berasal dari air tanah yang

menjadi salin atau asin. Hal ini terjadi karena intrusi air laut

atau merupakan akuifer air payau alami. Air payau alami

memiliki range Total Dissolved Solid (TDS) yang cukup

tinggi yaitu 1.000 – 10.000 mg/L [2].

Saat ini pengolahan menggunakan membran menjadi

bahan penting bagi kehidupan, tidak hanya di industri namun

juga di kehidupan sehari-hari. Membran telah dikembangkan

untuk penggunaan reverse osmosis (RO), nano filtrasi,

microfiltrasi, evaporasi dan elektrodialisis [3]. Beberapa

keunggulan dari pengolahan menggunakan membran adalah

pada proses berbasis membran tidak terjadi perubahan fase

yang melibatkan banyak energi serta dapat beroperasi secara

kontinyu [4].

Salah satu teknologi untuk mengolah air payau

menjadi air tawar yang menggunakan membran adalah RO.

Pengolahan menggunakan RO paling efektif karena dalam

proses RO memanfaatkan membran reverse yang dapat

menurunkan kadar garam sekitar 88-95% [1]. RO

membutuhan energi yang tinggi, biaya investasi dan

operasional yang cukup besar sehingga kurang sesuai

dengan masyarakat pesisir yang rata-rata berpenghasilan

rendah. Teknologi yang hampir sama denga RO adalah

elektrodialisis (ED) karena menggunakan membran dalam

prosesnya [5].

ED adalah pemisahan menggunakan membran yang

melibatkan tranportasi ion dan dipengaruhi oleh medan

listrik. ED digunakan untuk desalinasi dalam memproduksi

air yang memiliki kadar garam, seperti sebagai produksi air

minum terutama dari air payau, air laut, air tanah dan limbah

industri ED dapat mengolah air payau ketika salinitas air

umpan tidak lebih dari 6 g/ L TDS [4]. Namun, menurut

rujukan [6] menyatakan bahwa desalinasi air dengan

konsentrasi TDS yang lebih tinggi yaitu 30 g/L berhasil

dilakukan melalui ED. Pada proses ED, kebutuhan energi

dan luas membran berpengaruh terhadap penurunan

konsentrasi air umpan [4]. Dalam beberapa penelitian

menyatakan bahwa pengolahan menggunakan ED

dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu tegangan, waktu,

konsentrasi elektrolit, jarak antar elektroda, luas permukaan

membran, elektroda dan volume yang akan diolah [6]-[7].

Penelitian tugas akhir ini akan melakukan analisis mengenai

kemampuan ED dalam meremoval air payau menjadi air

minum dengan variabel jumlah kompartemen dan tegangan.

Jumlah kompartemen yang digunakan yaitu 5 dan 7

kompartemen, sedangkan tegangan yang digunkan yaitu 6, 9,

dan 12 V. Pada penelitian ini melakukan analisis terhadap

parameter pH dan TDS. Dalam penelitian ini diharapkan

memenuhi kriteria air minum yang sesuai dengan Peraturan

Menteri Kesehatan No. 492 Tahun 2010.

II. URAIAN PENELITIAN

A. Susunan Reaktor ED

Susunan ED terdiri atas feed tank, bak penampung hasil

samping dan bak penampung larutan penyangga. Masing-

masing larutan dipompa ke daam reaktor menggunakan

pompa submersible (h= 0.5 m, Q=200 L/jam). Arus yang

digunakan merupakan arus DC yang dengan kapasitas 2 A

dengan tegangan optimum 12 V. Variasi tegangan yang

diguakan adalah 6 V, 9 V dan 12 V. Setiap pengambilan

Pengaruh tegangan dan jumlah kompartemen

pada desalinasi air payau menggunakan

elektrodialisis Zakiatul Mirfada, Alfan Purnomo dan Arseto Yekti Bagatyo

Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan

Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia

e-mail: alfan_p @enviro.its.ac.id

K

2

sampel dilakukan pengukuran tegangan total menggunakan

multimeter.

B. Jumlah kompartemen dan Membran

Reaktor yang digunakan terbuat dari akrilik dengan ukuran

dimensi luar 24 cm x 9 cm x 2 cm, sedangkan dimensi dalam

yaitu 20 cm x 5 cm x 2 cm. Reaktor didesain dengan sistem

tertutup dalam skala laboratorium. Reaktor yang digunakan

masing-masing berjumlah 5 kompartemen dan 7

kompartemen. Untuk ED 5 kompartemen terdiri atas 2

kompartmen elektroda (anoda dan katoda), 1 kompartemen

feed tank sebagai penyimpanan air umpan, 2 kompartemen

asam dan basa serta 2 plat disamping sebagai pengapit

reaktor (Gambar 1). Sedangkan untuk ED 7 kompartmen

terdiri atas 2 kompartemen elektroda, 2 kompartemen feed

tank, 2 kompartemen asam dan basa serta 2 plat di sebagai

pengapit reaktor yang berfungsi untuk mengantisipasi

kebocoran (Gambar 2). Untuk anoda menggunakan besi (Fe)

sedangkan katoda menggunakan tembaga (Cu) dengan luas

masing-masing 25 cm². Membran yang digunakan adalah

anion exchange membrane tipe AMI-7001 dan cation

exchange membrane tipe CMI-7000. Luas efektif tiap

membran adalah 100 cm ².

C. Bahan

Air baku yang diolah sebanyak 10 L dengan total dissolved

solid (TDS ) air payau 2.000 mg/L. Untuk mempertahankan

pH di kompartemen elektroda diberi larutan penyangga

K2HPO4 0,01 N pada pH 7, serta aquades pada

kompartemen asam dan basa dari hasil samping proses ED,

masing-masing larutan sebanyak 2 L.

D. Metode Analisis

Analisis parameter uji pada penelitian ini adalah TDS dan

pH, salinitas dan klorida. Analisis TDS menggunakan alat

pH-ion Lab tipe EC10 sedangkan analisis pH menggunkan

metode potensiometri menggunkan instrument pH meter

Eutech tipe

E. Kebutuhan Energi

Dalam proses elektrokimia kelayakan proses dievaluasi dari

persentase penurunan polutan, sedangkan dari segi ekonomi

kelayakan ditentukan oleh konsumsi energi spesifik.

Penurunan konsentrasi polutan selama proses elektrokimia

selama proses tersebut, dapat direpresentasikan dengan

waktu atau sebagai fungsi dari muatan listrik spesifik [8],

berikut persamaan yang dapat digunakan

………………………………………………(1)

Dimana, Q adalah konsumsi energi (kAh m‾³), J adalah

densitas arus (A m‾²), A adalah luas elekroda (m²), t adalah

waktu (s), dan v adalah volume air baku (L)

xV …………………………………….(2)

Dimana, W adalah konsumsi energi (kWh m‾³) dan Vadalah

tegangan (V)

DC

Supply

Anion Exchange

Membran (AEM) -

Cation Exchange

Membran (AEM) +

22

2428

Air Payau Buffer Aquades+Cl Aquades+Na

Talang Karet Ø 2,5 mm

Stainless Steel

Tembaga

+ -

Valve (Titik Sampling)

Buffer

Gambar 1. Konfigurasi alat elektrodialisis 5 kompartemen.

2

2

DC

Supply

Air Payau Buffer Aquades+Cl Aquades+NaAquades+NaCl

Talang Karet Ø 2,5 mm

28 24

Anion Exchange

Membran (AEM) -

Cation Exchange

Membran (AEM) +

Stainless Steel

Tembaga

Valve (Titik Sampling)

+ -

Buffer

Gambar 2. Konfigurasi alat elektrodialisis 7 kompartemen

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Pengaruh tegangan terhadap TDS

Analisis ini dilakukan untuk mengetahui persen removal

TDS yang telah melewati proses ED. Pada penelitian ini air

baku yang akan diolah memiliki TDS awal ± 2.000 mg/L

selama 72 jam. Dari Gambar 3 terlihat bahwa semakin lama

proses pengolahan maka persen removal juga semakin

meningkat. Selain itu perbedaan tegangan juga berpengaruh

terhadap kualitas air payau. Elektrodialisis dapat mengurangi

TDS yang tergantung pada muatan listrik dengan

mentransfer ion-ion dalam air payau melalui pertukaran ion

yang semipermiabel dengan memanfaatkan energi listrik [9].

Gambar 3.1 menunjukkan bahwa removal TDS dengan 6 V

dan 12 V mengalami peningkatan persen removal lebih

tinggi daripada tegangan 9 V. Namun persen removal TDS

pada tegangan 6 V dan 12 V dari masing-masing reaktor

tidak mengalami perbedaan yang cukup jauh, padahal

tegangan yang diberikan selisih 6 V. Hal ini terjadi karena

hambatan antara kedua reaktor berbeda, pada reaktor dengan

3

7 kompartemen memiliki hambatan lebih tinggi daripada 5

kompartemen. Hal ini sesuai dengan persamaan .

Jika luas penampang elektroda (A) konstan, semakin kecil

jarak elektroda (l) semakin kecil pula hambatan yang timbul

dalam larutan (R). Sesuai dengan hokum Ohm: , pada

tegangan konstan, jika semakin kecil hambatan yang timbul

dalam larutan maka arus juga semakin besar. Sehingga

tegangan total pada kedua reaktor tersebut berbeda. Dengan

tegangan yang berbeda, ternyata kemampuan reaktor dalam

mengolah air payau berada pada tegangan 6 V sebagai

tegangan optimum. Pada tegangan 9 V dan 12 V, banyak

energi yang terbuang dalam proses ED. Energi yang

terbuang menyebabkan proses oksidasi dan reduksi semakin

cepat. Hal tersebut dapat dilihat dari perubahan pH yang

semakin cepat di kompartemen elektroda, baik itu pH asam

maupun pH basa

Persen removal TDS pada penelitian ini antara 40%

sampai 90%. Angka ini sesuai dengan pernyatan [10], bahwa

persen removal TDS pada proses elektrodialisis antara 50%

sampai 99%. Dalam penelitian [6] melakukan pengolahan

menggunakan ED. Dengan konsentrasil 5.000 mg/L NaCl

mampu meremoval hingga 0,5 g/L sama dengan 90%.

Perlakuan tersebut dilakukan selama (70, 50 dan 27 menit

pada tegangan 9V, 12V dan 18V.

Gambar 3 Persen removal TDS dari variasi tegangan dan jumlah

kompartemen: (a) 7 Kompartemen (6V); (b) 7 kompartemen (12V); (c) 5

Kompartemen (6V); (d) 5 Kompartemen (12V); (e) 7 Kompartemen (9V);

(f) 5 Kompartemen (9V).

B. Pengaruh tegangan terhadap pH

Salah satu yang mempengaruhi proses ED adalah pH.

Analisis pH dilakukan untuk mengetahui ion Hidrogrn (H+)

pada air produksi. pH pada penelitian ini dipengaruhi oleh

lamanya proses ED terutama pada kompartemen air baku

dan kompartemen elektroda. Hasil analisis pH air produk

terdapat pada Gambar 4.

Proses yang terjadi pada peubahan pH adalah

oksidasi-reduksi (redoks) pada katoda dan anoda. Pada

proses ED terjadi pembentukan gas hydrogen (H2) pada

katoda. Kenaikan pH disebabkan oleh katoda yang

memproduksi ion hidroksi (OH-) secara berlebih. Proses

yang terjadi pada katoda akan terjadi reduksi, namun yang

mengalami reduksi hanyalah pelarutnya (air) yang akan

terbentuk gas H2 pada katoda [11]. Reaksi yang terjadi

adalah

2H2O+2e- → H2(g)+2OH

- ………………………..(3)

Pada katoda terjadi pengendapan logam pada katoda, yang

berwarna hitam pekat. Hal ini membuktikan bahwa proses

ED telah terjadi, selain itu juga terbentuk gelembung-

gelembung saat proses berlangsung.

Proses oksidasi pada anoda juga mempengaruhi

kondisi pH di kompartemen elektroda. Anoda besi terkorosi

dengan melepaskan elektron dari atom logam netral untuk

membentuk ion-ion yang bersangkutan. Ion-ion ini tetap

tinggal dalam larutan atau bereaksi membentuk hasil korosi

yang tidak larut. Saat penelitian berlangsung, terjadi

perubahan pada anoda besi yaitu berkurangnya ketebalan

dari anoda tersebut akibat korosi [11]. Selain itu

pembentukan gas O2 terlihat di anoda akibat oksidasi dari

pelarut (air). Reaksi yang terjadi pada anoda merupakan

reaksi oksidasi dengan reaksi

H2O → 2H+ + ½ O2 (g) + 2 ……………………........(4)

Karena kompartemen air baku berada di antara

kompartemen elektroda, maka perubahan pH di air baku

dipengaruhi oleh kedua kompartemen yang berisi larutan

asam dan basa dari hasil samping proses ED. Sehingga pada

kompartemen air baku memiliki pH dengan range 7.0-8.0.

Menurut Permenkes No.492 Tahun 2010 baku mutu untuk

pH yaitu 6.5-8. Dalam penelitian ini pH air produk masih

memenuhi baku mutu.

Gambar 4 Peningktan nilai pH dari variasi tegangan dan jumlah

kompartemen: (a) 5 Kompartemen (12V); (b) 5 Kompartemen (9V); (c) 7

Kompartemen (6V); (d) 7 Kompartemen (9V); (e) 5 Kompartemen (6V);

(f) 7 Kompartemen (12V).

C. Kebutuhan Energi

Hasil penelitian menunjukkan bahwa jumlah energi yang

dibutuhkan akan terus meningkat seiring lamanya proses

berlangsung, selain itu besar tegangan yang diberikan juga

berperngaruh terhadap tingginya kebutuhan energi. Hal

tersebut dapat dilihat pada Tabel 1 dan Tabel 2 yang terus

mengalami peningkatan. Pada waktu tertentu maka removal

konsentrasii NaCl akan mengalami garis yang stasioner

karena ion-ion dalam air baku telah teremoval hingga

mencapai 99% [6]. Pada penelitian ini tegangan yang

diberikan pada masin-masing reaktor sama yaitu 6, 9 dan 12

V. Namun dari hasil pengukuran total tegangan yang

dibutuhkan untuk proses ED, reaktor dengan 7 kompartemen

membutuhkan tegangan yang lebih tinggi daripada 5

kompartemen. Hal ini terjadi karena jarak elektroda pada 5

kompartemen lebih kecil daripada jarak elektroda untuk 7

kompartemen. Semakin besar jarak elektroda maka

hambatan pada proses tersebut semakain tinggi, sehingga

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)

(b) (c)

(d)

(e)

(f)

4

untuk menekan ion-ion tersebut dibutuhkan tegangan lebih

tinggi.

Persen removal terbesar pada 7 kompartemen (Tabel 1)

ditunjukkan pada tegangan 6 V yaitu sebesar 94% dan

energi yang dibutuhkan sebesar 139,68 kWh m‾³ pada 7

kompartemen. Persen removal pada 12 V sebesar 93% yang

hanya memiliki selisih 1% daripada 6 V. Sedangkan pada 5

kompartemen (Tabel 2) didapatkan persen removal sebesar

61% pada tegangan 6 V, pada 12 V persen removal sebesar

56%. Dari perbandingan tersebut didapatkan tegangan

optimum yaitu 6 V. Sedangkan jumlah kompartemen

optimum yaitu 7 kompartemen, karena volume yang diolah

lebih banyak daripada 5 kompartemen, meskipun energi

yang dibutuhkan lebih tinggi dengan selisih energi sebesar

27%. Konsumsi energi yang dibutuhkan adalah sebesar 380

kWh m‾³ sampai 900 kWhm‾³ dengan tegangan 60 V dan 80

V [12].

Tabel 1 Perbandingan persen removal TDS dengan kebutuhan energi pada

5 kompartemen

Waktu

6 V 9 V 12 V

6 V 9 V 12 V

0 0 0 0 0 0 0

12 15 9 6 20,88 32,424 41,04

24 24 12 22 40,32 65,424 80,64

48 41 21 37 82,56 125,76 160,32

72 61 39 56 126,72 194,4 241,92

(jam)

Kebutuhan Energi

(kWh m‾³)

Persen Removal TDS

(%)

Tabel 2 Perbandingan persen removal TDS dengan kebutuhan energi pada

5 kompartemen

Waktu

6 V 9 V 12 V

6V 9V 12V

0 0 0 0 0 0 0

12 10 13 14 23,28 34,32 40,56

24 34 19 37 47,04 65,76 82,56

48 72 29 72 92,16 133,44 162,24

72 92 51 91 139,68 204,48 243,36

(kWh m‾³)(jam)

Kebutuhan EnergiPersen Removal TDS

(%)

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan data hasil analisis disimpulkan bahwa

variasi tegangan berpengaruh terhadap persen removal

parameter uji yaitu TDS. Tegangan optimum dari penelitian

ini adalah 6 V dengan persen removal tertinggi daripada

tegangan 9 V dan 12 V. Persen removal TDS dari kedua

reaktor pada tegangan 6 V pada 5 kompartemen sebesar

61% dengan pH akhir 7.7. Sedangkan pada 7 Kompartemen

persen removal TDS sebesar 92% dengan pH akhir 8.0.

Variasi kompartemen sangat berpengaruh terhadap efisieni

removal dari parameter uji. Dari kedua reaktor yang paling

efektif adalah 7 kompartemen dengan persen removal lebih

tinggi daripada 5 kompartemen. Persen Removal tertinggi

pada 7 kompartemen yaitu 92% dengan energi yang

dibutuhkan 139,68 kWh m‾³.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis Z.M mengucapkan terima kasih kepada

Direktorat Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan

Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan

dukungan finansial melalui Beasiswa Bidik Misi tahun 2010-

2014” dan Dana Hibah Penelitian LPPM ITS

DAFTAR PUSTAKA

[1] Said, N. I. (2003). Aplikasi Teknologi Osmosis Balik

untuk Memenuhi Kebutuhan Air Minum di Kawasan

Pesisir Laut atau Pulau Terpencil. P3TL-BPPT , 15.

[2] Greenlee, L. F., Lawler, D. F., Freeman, B. D., dan

Moulin, P. (2009). Reverse Osmosis Desalination: Water

Sources, Technology and Today's Challenges. Water

Research (43), 2317.

[3] Kariduraganavar, M. Y., Nagarale, R. K., Kittur, A. A.,

& Kulkarni, S. S. (2006). Ion-Exchange Membrans:

Preparative Methods for Electrodialysis and Fuel

Applications. ScienceDirect (197), 226.

[4] Strathmann, H. (2010). Electrodialysis, a Mature

Technology with a Multitude of New Aplication.

Desalination (264).

[5] Eltawil, M. A. Zhao Z., Liqiang Y. (2009). A Review of

Renewable Energi Technologies Integrated with

Desalination Sistem. Elsevier : Renewable and

Sustainable Energi Review 13 (2009) 2245-2262.

[6] Banasiak, L. J., Kruttschnitt, T. W., dan Schafer, A. I.

(2007). Desalination using Elektrodyalisis as a Function

of Vage and Salt Consentration. Desalination (1-3).

[7] Fathurrahman dan Hendro Wahyono. 2000. Pembuatan

U (IV) dari U (VI) menggunkan teknik elektrodialisis:

Prosiding Ilmiah Bahan Bakar Nuklir V.

[8] Anglada, A., Urtiaga, A., dan Ortiz, I. 2009.

Contribution of electrochemical oxidation to waste-water

treatmen: fundamentals and reviem of application.

Emerging Technologies.

[9] Valero, F., Barcelo, A., dan Arbos, R. (2011).

Electrodyalisis Technology. Theory and Aplications.

Desalination, Trends and Technology.

[10] Lee, H. J., Hong, M. K., Han, S. D., Cho, S.H., &

Moon, S. J. (2008). Fouling of an anion exchange

membrane in the electrodialysis desalination process in

the presence of organik foulants. ScienceDirect: Journal

of Desalination: 238(60-69)

11] Stratmann, H., 2004. Asseement of Electrodyalisis water

desalination process cost. Institute of Chemical

Engineering, University of Stuttgart. German

[12]Ortiz, J. M., Exposito, S. E., Gallud, F., dan Aldaz, A.

2004. Brackish water desalination by electrodialysis:

batch resirculatin operating model. Journal of

Membrane. ScienceDirect: 252 (65-75)