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

(a)

(b)

8

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