BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Hidrogen Hidrogen (bahasa Latin: hydrogenium, dari bahasa Yunani: hydro: air, genes: membentuk) adalah unsur kimia pada tabel periodik yang memiliki simbol H dan nomor atom 1. Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen tidak berwarna, tidak berbau, bersifat non-logam, bervalensi tunggal, dan merupakan gas diatomik yang sangat mudah terbakar. Dengan massa atom 1,00794 amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia. Hidrogen juga adalah unsur paling melimpah dengan persentase kira-kira 75% dari total massa unsur alam semesta. Kebanyakan bintang dibentuk oleh hidrogen dalam keadaan plasma. Senyawa hidrogen relatif langka dan jarang dijumpai secara alami di bumi, dan biasanya dihasilkan secara industri dari berbagai senyawa hidrokarbon seperti metana. Hidrogen juga dapat dihasilkan dari air melalui proses elektrolisis, namun proses ini secara komersial lebih mahal daripada produksi hidrogen dari gas alam. Isotop hidrogen yang paling banyak dijumpai di alam adalah protium, yang inti atomnya hanya mempunyai proton tunggal dan tanpa neutron. Senyawa ionik hidrogen dapat bermuatan positif (kation) ataupun negatif (anion). Hidrogen dapat membentuk senyawa dengan kebanyakan unsur dan dapat dijumpai dalam air dan senyawa-senyawa organik. Hidrogen sangat penting dalam reaksi asam basa yang mana banyak reaksi ini melibatkan pertukaran proton antar molekul terlarut. Oleh karena hidrogen merupakan satu-satunya atom netral yang persamaan

Schrdingernya dapat diselesaikan secara analitik, kajian pada energetika dan ikatan atom hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam perkembangan mekanika kuantum. Kelarutan dan karakteristik hidrogen dengan berbagai macam logam merupakan subyek yang sangat penting dalam bidang metalurgi (karena perapuhan hidrogen dapat terjadi pada kebanyakan logam) dan dalam riset pengembangan cara yang aman untuk meyimpan hidrogen sebagai bahan bakar. Hidrogen sangatlah larut1

dalam berbagai senyawa yang terdiri dari logam tanah nadir dan logam transisi dan dapat dilarutkan dalam logam kristal maupun logam amorf. Kelarutan hidrogen dalam logam disebabkan oleh distorsi setempat ataupun ketidakmurnian dalam kekisi hablur logam. Hidrogen sebelumnya telah digunakan bertahun-tahun sebelum akhirnya dinyatakan sebagai unsur yang unik oleh Cavendish di tahun 1776. Unsur ini dinamakan hidrogen oleh Lavoiser. Elemen-elemen yan berat pada awalnya dibentuk dari ataom-atom hidrogen atu dari elemen-elemen yang mulanya terbuat dari atom-atom hidrogen (Mohsin, 2004). Hidrogen diperkirakan membentuk kmposisi dari atom-atom di alam semesta(sama dengan tiga perempat massa alam semesta). Unsur ini ditemukan di bintang-bintang dan memainkan peranan yang oentng dalam memberikan sumber energi jagat raya melelui reaksi proton-proton dan siklus karbon-nitrogen. Proses atom-atom hidrogen menjadi helium di matahari menghasilkan jumlah energi yang besar (Mohsin, 2004). Kegunaan hidrogen ataupun H2 antara lain (Admin, 2009) : 1. Untuk mengikat nitrogen dengan unsur lain dalam proses Haber (produksi amonia) dan untuk proses hidrogenasi lemak dan minyak. 2. Digunakan dalam jumlah yang banyak dalam produksi metanol didealkilasi hidrogen (hydrodealkylation), katalis hydrocracking dan sulfurisasi hidrogen. 3. Sebagai bahan bakar roet, hidrogen merupakan elemen yang asangat mudah terbakar dan sudah lama digunakan sebagai bahan bakar roket meskipun bisa digunakan sebagai bahan bakar kendaraan lainya seperti mobil, sepeda motor dan lain-lain. 4. Memproduksi asam hidroklorida 5. Mereduksi biji-biji besi 6. Sebagai gas pengisi balon 7. Sebagai bahan hidrogenasi, terutama dalam peningkatan kejenuhan dalam lemak tak jenuh dan minyal nababtidan dalam produksi metanol.

2

8. Digunakan sebagai pendingin motor pada generator pembangkit listrik karena ia mempunyai konduktivitas termal yang paling tinggi diantara semua jenis gas. 9. Untuk memproses bahan bakar fosil dan dalam produksi amonia. Gas hidrogen sangat mudah terbakar dan akan terbakar pada konsentrasi serendah 4 % H2 di udara bebas. Entalpi pembakaran hidrogen adalah -286 Kj/mol. Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia : 2H2(g) + O2(g)2 H2O(l) +572 kj (286 kj/mol) Ketika dicampurkan dengan oksigen dalam berbagai perbandingan, hidrogen meledak seketika disulut dengan api dan akan me;edak sendiri pada temperatur 560 0C. Lidah api yang dihasilkan pada pembakaran hidrogen-oksigen murni memencarkan gelombang ultraviolet dan hampir tidak terlihat dengan mata telanjang. Oleh karena itu, sangatlah sulit mendeteksi terjadinya kebocoran hidrogen secara visual.

2.1.1.

Hidrogen sebagai Sumber Energi Baru Saat ini hidrogen digunakan terutama dalam industri kimia, misal dalam

industri pupuk, kilang minyak, dan sebagainya. Akan tetapi, dalam waktu dekat hidrogen akan menjadi bahan bakar yang penting. Sejak krisis minyak pertama pada tahun 1970-an, telah banyak minat untuk mengembangkan bahan bakar alternatif. Penurunan dan kestabilan harga minyak setelah itu telah menurunkan minat dalam pengembangan bahan bakar alternatif. Hidrogen adalah bahan bakar terbarukan paling elektroaktif dan ramah lingkungan untuk semua jenis mesin dan fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), (Alkaline Fuel Cell, AFC), (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) dan (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Hidrogen dan oksigen di dalam fuel cell bereaksi secara elektrokimia menghasilkan energi listrik dan air. Hasil reaksi hanya air oleh karena itu fuel cell adalah alat pengubah tenaga yang tidak menghasilkan polutan (zero emission machine). Efesiensi FC jauh lebih tinggi dibandingkan dengan mesin konvensional karena tidak ada kerugian tenaga oleh gesekan. Efesiensi FC dapat dilihat dari perbandingan

3

energi bebas Gibs dan panas reaksi pembentukan air dari hidrogen dan oksigen seperti persamaan (1 dan 2) (Hernandez et al, 2009). H2 + O2 H2O.........................................................................1) = ...............................................................................................2)

H= 285,8 kj/mol , G = 273,1 kj/mol = Diamana adalah efesiensi, adalah energi bebas Gibs dan adalah panas reaksi pembentukan air. Sedangkan efesiensi mesin konvensional hanya 30%. Fuel cell dan bahan bakar hidrogen adalah dua komponen yang menjanjikan perubahan ke arah teknologi bersih namum untuk merealisasikan fuel cell sebagai teknologi yang ekonomis di masa yang akan datang masih menghadapi banyak tantangan. Tantangan yang paling utama di antaranya ketersediaan bahan bakar hidrogen, masa pakai (life time) dan harga. Hambatan penyediaan hidrogen berhubungan dengan keamanan penyimpanan dan distribusi. Sedangkan teknologi fuel cell masih mahal disebabkan harga platina yang selama ini digunakan sebagai katalis sangat mahal dan ketersediannya terbatas. Platina sampai saat ini masih digunakan sebagai anoda dan katoda fuel cell karena beberapa alasan: (i) aktivitas tinggi, (ii) stabilitas pada kondisi asam tinggi dan merupakan logam yang paling aktif diantara logam mulia yang lain seperti (Au, Ag, Pd,Ru). Kelemahan platina di samping mahal mudah terdeaktivasi oleh CO. 2.1.2. Pembuatan Gas Hidrogen Hidrogen dapat dibuat dari (air, biomasa dan bahan bakar fosil). Laporan hasil penelitian produksi hidrogen secara lengkap ditampilkan pada Tabel 1. Metode produksi hidrogen dari air meliputi proseselektrolisis (Zhang et al, 2010) disosiasi termal dengan bantuan katalis (Balachandran & Doris, 2007), auto elektrolisis (Kundu et al, 2010), alkalin (Wang et al, 2009), dan biopotolisis dengan bantuan mikroalga (Krtay, 2011). Hidrogen dari biomasa mendapatkan perhatian yang paling besar dibuktikan oleh jumlah publikasi seperti yang tertera pada Tabel 1. Metode produksi hidrogen dari biomasa meliputi metode biologi (Claassen et al, 2010) dan secara kimia (Krtay, 2011). Proses produksi hidrogen dari bahan bakar fosil meliputi proses oksidasi parsial minyak berat dibantu katalis, oksidasi parsial4

Napta, metana (Evdou et al, 2010), metanol (Eswaramoorthi et al, 2006), steam reforming metanol (Penkova et al, 2011) dan gasifikasi batu bara (Evdou et al, 2010).

5

Selain itu gas hidrogen juga dapat dihasilkan dari reaksi antara logam aluminium dengan senyawa-senyawa hidroksida-hidroksida alkali seperti NaOH, KOH dan lainya, dari reaksi tersebut terbentuk larutan tetrahidroksoaluminat dan menghasilkan uap yaitu gas hidrogen. 2Al +2NaOH +6 H2O 2[Al(OH)4] Na+ 3H2

2.1.3.

Metode Penyimpanan Hidrogen Salah satu isu kunci dalam teknologi hidrogen adalah penyimpanan hidrogen,

khususnya penyimpanan hidrogen di kendaraan ketika digunakan dalam kendaraan bertenaga fuel cell yang berbasis hidrogen (Holladay, 2009; Wu dkk., 2009). Penyimpanan hidrogen secara luas dikenali sebagai teknologi kritis yang memungkinkan bagi keberhasilan komersialisasi dan penerimaan pasar terhadap kendaraan bertenaga hidrogen (Jorda-Beneyto dkk., 2008). Berdasarkan data US Departement of Energy (DoE), persyaratan agar hidrogen dapat digunakan sebagai energi alternatif pengganti bahan bakar kendaraan secara komersial adalah memiliki berat jenis 2 kW/kg atau 1,5 kW/l, dioperasikan pada suhu -30 sampai 50C, proses pengisian (re-fuelling) kurang dari 5 menit dengan laju 1,5 kg hidrogen/menit dan hidrogen yang mampu direcovery sebesar 90% (Ross, 2006). Akhir-akhir ini, banyak usaha telah dilakukan yang mengarah kepada penyimpanan hidrogen dalam kompleks hidrida, nanotube karbon dan nongrafit dan kerangka organik logam (Escobar dkk., 2008; Jorda-Beneyto dkk., 2008). Karbon aktif juga dapat digunakan sebagai media penyimpan gas hidrogen karena sifatn yang dapat menyerap fasa gas walaupun kemampuannya tidak sebaik karbon nanotube yang telah didesign dengan baik agar mampu menyimpan gas hidrogen dalam kapasitas yang lebih banyak dibanding dengan karbon aktif. Karbon nanotube ditemukan pada tahun 1991 oleh ilmuan Jepang Sumio Iijima. Karbon nanotube merupakan molekul karbon berbentuk silinder dan termasuk ke dalam kelompok fullerene. Karbon nanotube yang ideal terbentuk dari sebuah

lembaran ikatan karbon seperti grafit yang dilengkungkan membentuk silinder

6

2.2. Bambu

Bambu adalah tanaman jenis rumput-rumputan dengan rongga dan ruas di batangnya. Bambu memiliki banyak tipe. Nama lain dari bambu adalah buluh, aur, dan eru. Di dunia ini bambu merupakan salah satu tanaman dengan pertumbuhan paling cepat. Karena memiliki sistem rhizoma-dependen unik, dalam sehari bambu dapat tumbuh sepanjang 60cm (24 Inchi) bahkan lebih, tergantung pada kondisi tanah dan klimatologi tempat ia ditanam.

Klasifikasi ilmiah Kerajaan: (tidak termasuk) (tidak termasuk) Ordo: Famili: Upafamili: Superbangsa: Bangsa: 2.3. Karbon Aktif

Plantae Monocots Commelinids Poales Poaceae Bambusoideae Bambusodae Bambuseae

Karbon aktif merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi (Chand dkk, 2005). Karbon aktif dapat berupa serbuk dan lempengan7

yang terbuat dari karbon amorph dengan karakteristik berdasarkan luas permukaan per unit volume (parker, 1993). Karbon aktif dapat mengabsorpsi gas maupun cairan, untuk mengabsorpsi fasa cair karbon yang digunakan umumnya memiliki daerah pori sekitar 3 nm atau lebih sedangkan untuk mengadsorbsi fasa gas memiliki diameter lebih kecil dari 3 nm (Kirk, 1983). Struktur karbon aktif terdiri dari atom karbon yang tersusun paralel dari lapisan heksagonal menyerupai struktur grafit, yang terbentuk pada orbital sp2. Setiap karbon berikatan dengan tiga karbon yang lain dengan ikatan , pada orbital pz terdiri dari satu elektron dari delokalisasi ikatan . Perbedaan ikatan pada permukaan lapisan dihubungkan oleh ikatan vanderwaals (Roque, 2007). Unsur utama bahan dasar pembuatan karbon aktif melalui metode steam gas ini harus mengandung beberapa hal, diantaranya yang paling penting adalah rendahnya kandungan zat volatil, kandungan unsur karbon tinggi, memiliki porositas kecil, dan memiliki kemampuan yang cukup untuk pengikisannya(Jankowska, et all, 1991). Karbon aktif digunakan sebagai molekul penyaring, pemurnian cairan dan gas, pemurnian dan penjernihan air, proses pembuatan makanan, katalis, penghilangan sulfur dan nitrogen pada industri, pemurnian emas, aktif karbon digunakan pada pabrik sukrosa, glukosa, maltosa, laktosa, minuman ringan, minyak, parafin, phosphor, plastik, gliserol, gelatin, pektin, kafein, kuinin, vitamin C, jus buah, bir dan perusahaan alkohol (Sen, 2005).

2.4. Proses Pembuatan Karbon Aktif Pembuatan karbon aktif dilakukan dengan proses dehidrasi, karbonisasi dan dilanjutkan dengan proses aktivasi material karbon yang biasanya barasal dari tumbuh-tumbuhan. Proses karbonisasi dilakukan dengan pembakaran darimaterial yang mengandung karbon dan dilakukan tanpa adanya kontak langsung dengan udara (Marsh, 2006). Proses karbonisasi juga dikenal dengan pirolisisyang didefinisikan sebagai suatu tahapan dimana material organik awal ditransformasikan menjadi sebuah material yang semuanya berbentuk karbon (Hugh, 1993). Proses karbonisasi dilanjutkan dengan proses aktivasi dimana proses ini akan mengubah produk atau material karbon menjadi adsorben. Adsorben mempunyai porositas yang tinggi dengan luas permukaan yang besar yaitu 500-1500m2/gr (Parker, 1993).8

2.4.1.

Karbonisasi Karbonisasi (pengarangan) adalah suatu proses pirolisis (pembakaran)

taksempurna dengan udara terbatas dari bahan yang mengandung karbon. Pada proses ini pembentukan struktur pori dimulai. Tujuan utama dalam proses ini adalah untuk menghasilkan butiran yang mempunyai daya serap dan struktur yang rapi. Dasar karbonisasi adalah pemanasan. Bahan dasar dipanaskan dengan temperatur yang bervariasi sampai 1300 C. Material organik didekomposisi dengan menyisakan karbon dan komponen volatil yang lain diuapkan (Jankowska,et all, 1991).

Pirolisis adalah penguraian bahan-bahan organik pada temperatur tinggi di bawah kondisi non oksidatif. Pendekatan utama dari pirolisis adalah pendaurulangan bahan-bahan yang dapat diuraikan secara termal untuk menghasilkan produk-produk yang bernilai. Pada prosesnya tidak memungkinkan memperoleh oksigen yang benarbenar bebas dari campuran udara lain, karena sejumlah oksigen terdapat dalam beberapa sistem pirolisis, menyebabkan terjadinya peristiwa oksidasi. Reaksi pirolisis dari selulosa ditampilkan berikut ini (Husni, 2008): (C6H10O5)n 6nC + 5n H2O Sifat-sifat dari hasil karbonisasi ini ditentukan oleh kondisi dari bahan dasarnya. Beberapa parameter yang biasa digunakan untuk menentukan kondisi karbonisasi yang sesuai yaitu temperatur akhir yang dicapai, waktu karbonisasi, laju peningkatan temperatur, medium dari proses karbonisasi (Jankowska, et all,1991). Temperatur akhir proses mempunyai pengaruh yang lebih besar

terhadapstruktur dari butiran. Pada temperatur tinggi akan terjadi berbagai macam reaksi dari bahan mentah, sesuai dengan sifat dari struktur kimianya. Reaktivitas dari hasil karbonisasi yang didapatkan setelah pirolisis pada temperatur 300 C lebih rendah dari temperatur 600 C dikarenakan penurunan jumlah karbonnya (Jankowska, et all, 1991). Jika temperatur yang dinaikkan dengan cepat, pembentukan sebagian besar zat volatil terjadi dalam waktu singkat dan hasilnya biasanya terbentuk pori yang berukuran lebih besar. Reaktivitas hasil karbonisasinya lebih besar dari pada hasil yang dipanaskan dengan laju lambat. Dekomposisi termal dari reaksi samping hasil9

pirolisis juga dipengaruhi oleh medium, jika gas dan uap yang dihasilkan selama pirolisis dipisahkan dengan cepat oleh gas netral maka akan didapatkan hasil karbonisasi yang kecil dengan reaktivitas yang besar (Jankowska, et all,1991).

2.5. Aktivasi Aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekulmolekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi (Sembiring, 2003). Produk dari karbonisasi tidak dapat diaplikasikan sebagai adsorben (karena struktur porosnya tidak berkembang) tanpa adanya tambahan aktivasi. Dasar metode aktivasi terdiri dari perawatan dengan gas pengoksidasi pada temperatur tinggi. Proses aktivasi menghasilkan karbon oksida yang tersebar dalam permukaan karbon karena adanya reaksi antara karbon dengan zat pengoksidasi (Kinoshita, 1988). Aktivasi karbon aktif dibagi menjadi dua macam yaitu aktifasi kimia dan aktifasi fisika. Pada roses aktifasi fisika membutuhkan suhu tinggi 600-900C. Kondisi operasi tersebut membutuhkan energi listrik yang diperlukan cukup besar. Oleh karena itu, aktifasi fisika tidak ekonomis khususnya untuk skala industri kecil. Sedangkan aktifasi kimia lebih ekonomis karena pada proses ini kondisi suhu dan tekanan operasinya relatif lebih rendah. Selain itu, efek penggunaan bahan kimia mampu meningkatkan jumlah pori-pori dalam produk. Yield karbon yang dihasilkan aktifasi kimia juga lebih tinggi daripada aktifasi fisika. Jenis bahan kimia yang dapat digunakan sebagai aktifator adalah hidroksida logam alkali garam-garam karbonat, klorida, sulfat, fosfat dari logam alkali tanah dan khususnya ZnCl2, asam-asam anorganik seperti H2SO4 dan H4PO4, dan uap air pada suhu tinggi. Unsur-unsur mineral dari persenyawaan kimia yang ditambahkan tersebut akan meresap ke dalam arang dan membuka permukaan yang semula tertutup oleh komponen kimia sehingga volume dan diameter pori bertambah besar (Michael, 1995). Pemilihan jenis aktivator akan berpengaruh terhadap kualitas karbon aktif. Beberapa jenis senyawa kimia yang sering digunakan dalam industri pembuatan karbon aktif adalah ZnCl2, KOH, dan H2SO4 (Sembiring, 2003; Yalin, 2000).

10

Masing-masing jenis aktifator akan memberikan efek/pengaruh yang berbeda-beda terhadap luas permukaan maupun volume pori-pori karbon aktif yang dihasilkan.

2.6. Karakterisasi Kabon Aktif Karakterisasi dari karbon aktif yang dihasilkan dilakukan dengan menguji daya serapnya terhadap gas hidrogen dan amoniak. Proses ini untuk mengetahui daya srap karbon aktif terhadap fasa gas dan untuk aplikasi penyimpanan hidrogen.

2.6.1.

Daya Adsopsi Karbon Aktif terhadap Gas Hidrogen dan Amoniak Adsorbsi gas hidrogen dan amoniak dilakukan terhadap karbon aktif dari

bahan dasar yang berbeda-beda perlu dilakukan untuk mengetahui daya serap dari tiap karbon aktif yang berbeda terhadap fasa gas hidrogen dan amonia. Seperti telah diuraikan bahwa karbon aktif selain dapat mengadsorbsi fasa cairan juga dapat mengadsorbsi fasa gas. Karbon aktif yang memiliki daya serap paling tinggi terhadap fasa gas hidrogen dan amoniak dapat dimanfaatkan lebih lanjut dalam media penyimpanan gas hidrogen yang diperuntukan untuk fuel cell dan sebagainya sebagai sumber energi. Adsorpsi gas hidrogen dalam material berpori seperti karbon merupakan teknik penyimpanan hidrogen bertekanan yang efektif dan sangat menjanjikan untuk diaplikasikan pada sistem penyimpanan hidrogen sebagai bahan bakar terutama pada kendaraan.

2.7. Adsorbsi Adsorbsi merupakan suatu fenomena yang berkaitan erat dengan permukaan dimana terlibat interaksi antara molekul-molekul cairan atau gas dengan molekul padatan. Interaksi ini terjadi karena adanya gaya tarik atom atau molekul yang menutupi permukaan tersebut. Kapasitas adsorpsi dari karbon aktif tergantung pada jenis pori dan jumlah permukaan yang mungkin dapat digunakan untuk mengadsorpsi (Manocha, 2003). Berdasarkan kekuatan dalam berinteraksi, adsorpsi dapat dibedakanmenjadi 2, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. Adsorpsi fisika terjadi bila gaya intermolekular lebih besar dari gaya tarik antar molekul atau gaya tarik menarik yang relatif lemah antara adsorbat dengan permukaan adsorben. Gaya ini disebut gaya van der waals sehingga adsorbat dapat bergerak dari satu bagian permukaan ke bagian11

permukaan lain dari adsorben. Gaya antar molekul adalah gaya tarik antara molekulmolekul fluida dengan permukaan padat, sedangkan gaya intermolekular adalah gaya tarik antar molekul-molekul fluida itu sendiri (Sudirjo, 2005). Adsorpsi kimia terjadi karena adanya pertukaran atau pemakaian bersama elektron antara molekul adsorbat dengan permukaan adsorben sehingga terjadi reaksi kimia. Ikatan yang terbentuk antara adsorbat dengan adsorben adalah ikatan kimia dan ikatan itu lebih kuat daripada adsorpsi fisika. Adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia dibedakan berdasarkan kriteria antara lain, dapat dilihatpada tabel 2.4 (Bansal,2005).

12