ELEKTROKOAGULASI

APLIKASI ELEKTROKIMIA: ELEKTROKOAGULASI

Elektrokimia adalah suatu disiplin ilmu yang menggunakan elektronika (listrik) dan kimia sebagai basis ilmu. Ilmu ini diterapkan untuk memahami proses korosi logam, baterai, elektrolisis, dan fuel cell. Aplikasi metode elektrokimia untuk lingkungan dan laboratorium pada umumnya didasarkan pada proses elektrolisis, yakni terjadinya reaksi kimia dalam suatu sistem elektrokimia akibat pemberian arus listrik dari suatu sumber luar. Proses ini merupakan kebalikan dari proses Galvani, di mana reaksi kimia yang berlangsung dalam suatu sistem elektrokimia dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik, misalnya dalam sel bahan bakar (fuel-cell). Aplikasi lainnya dari metode elektrokimia selain pemurnian logam dan elektroplating adalah elektroanalitik, elektrokoagulasi, elektrokatalis, elektrodialisis dan elektrorefining. Pada artikel ini akan dibahas aplikasi elektrokimia secara khusus mengenai elektrokoagulasi.

Elektrokoagulasi merupakan proses yang dilewati oleh arus listrik pada air. Hal tersebut telah dibuktikan betapa efisiennya proses tersebut untuk menghilangkan kontaminan di dalam air. Elektrokoagulasi mempunyai efisiensi yang tinggi dalam penghilangan kontaminan dan biaya operasi yang rendah. Proses ini berdasarkan pada prinsip ilmu dimana adanya respon air yang mengandung kontaminan terhadap medan listrik melalui reaksi reduksi dan oksidasi dan dapat menghilangkan beberapa kation berat 99% serta dapat mengurangi mikroorganisme dalam air. Beberapa ion-ion lainnya dan koloid-koloid dapat dihilangkan.

Proses elektrokoagulasi merupakan gabungan dari proses elektrokimia dan proses flokulasi-koagulasi. Proses ini diduga dapat menjadi pilihan metode pengolahan limbah radioaktif dan limbah B3 cair fase air alternatif mendampingi metode-metode pengolahan yang lain yang telah dilaksanakan. Kelebihan proses elektrokoagulasi untuk mengolah limbah cair adalah pada proses ini tidak ada penambahan kimia. Proses elektrokoagulasi disusun meliputi proses equalisasi, elektrokimia, sedimentasi dan proses filtrasi.

Proses elektrokoagulasi meliputi beberapa tahap yaitu proses equalisasi, proses elektrokimia (flokulasi-koagulasi) dan proses sedimentasi. Proses equalisasi dimaksudkan untuk menyeragamkan limbah cair yang akan diolah terutama kondisi pH, pada tahap ini tidak terjadi reaksi kimia. Elektrokoagulasi seringkali dapat menetralisir muatan-muatan partikel dan ion, sehingga bisa mengendapkan kontaminan-kontaminan, menurunkan konsentrasi lebih rendah dari yang bisa dicapai dengan pengendapan kimiawi, dan dapat menggantikan dan/atau mengurangi penggunaan bahan-bahan kimia yang mahal (garam logam, polimer).  Meskipun mekanisme elektrokoagulasi mirip dengan koagulasi kimiawi dalam hal spesies kation yang berperan dalam netralisasi muatan-muatan permukaan, tetapi karakteristik flok yang dihasilkan oleh elektrokoagulasi berbeda secara dramatis dengan flok yang dihasilkan oleh koagulasi kimiawi. Flok dari elektrokoagulasi cenderung mengandung sedikit ikatan air, lebih stabil dan lebih mudah disaring. (Woytowich, 1993)

2.1  Reaksi Elektrokoagulasi

Sebuah arus yang dilewatkan ke elektroda logam maka akan mengoksidasi logam (M) tersebut menjadi logam kation (M⁺), sedangkan air akan mengalami reduksi menghasilkan gas hidrogen (H₂) dan ion hidroksi (OH). Persamaan reaksi elektrokoagulasi adalah sebagai berikut :

M                                       à        M⁺ + ne     :     Anoda ………………….. (1)

2 H₂O + 3e                        à        2OH^- + H₂ :     Katoda …………………. (2)

Kation menghidrolisis di dalam air membentuk sebuah hidroksi dengan spesies dominan yang tergantung pada kondisi pH larutan.

Kation bermuatan tinggi mendestabilisasi beberapa partikel koloid dengan membentuk polivalen polihidroksi komplek. Senyawa komplek ini mempunyai sisi yang mudah diadsorbsi, membentuk gumpalan (aggregates) dengan polutan. Pelepasan gas hidrogen akan membantu pencampuran dan pembentukan flok. Flok yang dihasilkan oleh gas hidrogen akan diflotasikan kepermukaan reaktor.

Sebuah reaktor elektrokoagulasi adalah sel elektrokimia dimana anoda korban (biasanya menggunakan aluminium atau besi) digunakan sebagai agen akoagulan (Matteson et al). Secara simultan, gas-gas elektrolit dihasilkan (hidrogen pada katoda).

2.2. Skema Alat dan bahan

Beberapa material elektroda dapat dibuat dari aluminium, besi, stainless steel dan platina. Pada penelitian ini anoda yang digunakan adalah aluminium. Persamaan (3) menjelaskan pelarutan anode seng :

Al³⁺ + 3^e− ↔ Al ................................................................................. (3)

Secara simultan, reaksi katodik biasanya terjadi perubahan hidrogen. Reaksi ini terjadi pada katoda dan tergantung pada pH netral atau alkali, hidrogen diproduksi melalui persamaan (4) :

2H₂O+ 2e⁻ → OH⁻ +H₂ .................................................................... (4)

ketika dalam kondisi asam, persamaan (5) dapat menjelaskan dengan baik perubahan hidrogen pada katoda.

2H⁺ +2e⁻ → H₂ ................................................................................. (5)

Gambar 1. Ilustrasi reaksi elektrokoagulasi

Gambar 2.  Skema reaktor elektrokoagulasi

Ada beberapa macam interaksi spesies dalam larutan pada proses elektrokoagulasi, yaitu :

1. Migrasi ke elektroda yang bermuatan berlawanan (electrophoresis) dan penggabungan (aggregation) untuk membentuk senyawa netral.
2. Kation  atau  ion hidroksi (OH^-) membentuk endapan dengan polutan.
3. Logam kation berinteraksi dengan OH membentuk hidroksi, yang mempunyai sisi yang mengadsorbsi polutan (bridge coagulation)
4. Hidroksi membentuk struktur besar dan membersihkan polutan (sweep coagulation)
5. Oksidasi polutan sehingga mengurangi toxicitinya
6. Penghilangan melalui elektroflotasi dan adhesi gelembung udara.

2.3. Mekanisme Proses elektrokoagulasi

Pada proses elektrokimia akan terjadi pelepasan Al³⁺ dari plat elektrode (anoda) sehingga membentuk flok Al(OH)₃ yang mampu mengikat kontaminan dan partikel-partikel dalam limbah. Reaksi yang terjadi pada proses ini adalah

Gambar 3. Proses Elektrokoagulasi

Apabila dalam suatu elektrolit ditempatkan dua elektroda dan dialiri arus listrik searah, maka akan terjadi peristiwa elektrokimia yaitu gejala dekomposisi elektrolit, dimana ion positif (kation) bergerak ke katoda dan menerima elektron yang direduksi dan ion negatif (anion) bergerak ke anoda dan menyerahkan elektron yang dioksidasi. Katoda Ion H⁺ dari suatu asam akan direduksi menjadi gas hidogen yang akan bebas sebagai gelembung-gelembung gas.

Koagulasi dan flokulasi adalah metode tradisional pada pengolahan air limbah. Pada proses ini bahan koagulan seperti alum atau feri klorida dan bahan aditif lain seperti polielektrolit ditambahkan dengan dosis tertentu untuk menghasilkan persenyawaan yang berpartikel besar sehingga mudah dipisahkan secara fisika. Ini merupakan proses dengan tahap yang banyak sehingga memerlukan area lahan yang luas dan ketersediaan bahan kimia secara terus menerus (continous). Sebuah metode yang lebih efisien dan murah untuk mengolah air limbah dengan jenis polutan yang bervariatif serta meminimisasi bahan aditif adalah diperlukan dalam managemen keberlanjutan air. Elektrokoagulasi adalah metode pengolahan yang mampu menjawab permasalahan tersebut.

Gambar 4.  Sebelum dan sesudah proses elektrokoagulasi

2.4 Faktor yang mempengaruhi elektrokoagulasi

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi proses elektrokoagulasi ini antara lain :

a.       Kuat arus

Pengolahan limbah nikel dengan rapat arus 40, 50, 60, dan 70 mA/cm² menghasilkan penurunan kontaminan nikel sebesar 95% dan Cu sebesar 98% pada rapat arus 70 mA/cm². Ini dikarenakan rapat arus merupakan elektron yang berpindah setiap satuan luas. Sehingga semakin besar rapat arus maka elektron yang berpindah maka semakin besar, hal ini akan menyebabkan pembentukan koagulan yang terbentuk akan semakin banyak. Menurut Koparal and Ogutveren (2002) umumnya rapat arus yang digunakan pada interval 10 – 150 A/m². Perbedaan kuantitas rapat arus yangdigunakan tergantung pada perbedaan kondisi aplikasi (Rachmanita, 2010)

b.       Jenis Elektrode

Pada penelitian yang dilakukan ada 3 elektrode yang digunakan yaitu Fe, Zn, serta Al. Setiap jenis elektrode ini memberikan pengaruh yang berbeda-beda. Hasil terbaik pada penelitian ini di dapat pada logam Al dengan penurunan TSS sebesar 95,3%, sedangkan untu Fe terjadi penurunan sebesar 94,39% dan Zn sebesar 91,96%. Penggunaan jenis elektrode ini dipengaruhi kereaktifan logam serta pembentukan koagulan untuk mengikat kotoran yang ada.

c.       Waktu

Percobaan elektrokoagulasi dengan variasi waktu 10, 15, 20, 25. dan 30 menit. Dalam elektrokoagulasi semakin lama waktu proses maka penurunan parameter pencemaran akan semakin baik. Ini juga sesuai hukum faraday yang menyatakan semakin lama waktu proses

maka akan semakin banyak koagulan yang terbentuk. Semakin banyak koagulan yang terbentuk maka semakin baik penurunan parameter pencemaran.

d.      Jarak

Pada penelitiannya menggunakan variasi jarak 0,5 ,1,5 dan 2,5 cm. Hasil dari penelitian tersebut menunjukan bahwa jaraak 0,5 cm memberikan hasil terbaik untuk penuruan parameter TSS sebesar 81,73%. Jarak memepengaruhi hambatan listrik yang terbentuk,semakin besar jarak maka semakin besar hambatan listrik yang terbentuk. (Evy, 2011

DAFTAR PUSTAKA

Hendriarianti, Evy. 2011.pengaruh jenis elektroda dan jarak antar elektroda dalam penurunan cod dan tss limbah cair Laundry menggunakan elektrokoagulasi konfigurasi Monopolar aliran kontinyu. Institut Teknologi Nasional, Malang.

Koparal, A. S. dan Ogutveren, U. B. 2002. Removal of nitrate from water By electroreduction and electrocoagulation.Journal of Hazardous Materials, B89,83-94

Metteson, Michael J. 1995. Electrocoagulation and Separation of Aqueous Suspensions of Ultrafine Particles, Colloids and Surface A Physicochemical and Engineering Aspects. The University of Sydney.New South Wales.

Peter, H. Geoffrey, B and Mitchell, C. 2006. Electrocoagulation As a Wastewater Treatment, Departement of Chemical Engeneering. The University Of Sydney. New South Wales.

Prayogo, Aditya dan Putra, Teddy Adythia Bhaskara. 2014. Studi Awal  Pengolahan Limbah Minyak Kelapa Sawit PT. Smart Tbk Menggunakan  Elektrokoagulasi. Malang: Politeknik Negeri Malang.

Rachmanita, 2012, studi penurunan konsentrasi nikel dan tembaga pada limbah cair elektroplating dengan metode elektrokoagulasi, Program Studi Teknik Lingkungan, UNDIP, Semarang.

Rahayuningwulan, Diana. 2010. Daur Ulang Air Limbah Industri Pelapisan Logam dengan Metoda Kimia-Fisika. Pusat penelitian kimia. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.

Renk, R. R. 1989. Treatment of hazardous wastewater by electrocoagulation. In: 3rd Annual Conference Proceedings (1989). Colorado Hazardous Waste Management Society.

Woytowich D.L.; Dalrymple C. W.; Britton M. G.; 1993. Electrocoagulation (CURE) Treatment of Ship Bilgewater for the U. S. Cost Guard in Alaska. Marine Tech0ogy Society Journal, Vol. 27. 1p. 62, Spring 1993.