Naskah Disertasi Ekki_Kurniawan (revisi25012022)

KAJIAN PROSES ELEKTROLISIS AIR MINUM DAN RANCANGAN INSTRUMEN DENGAN SUMBER ENERGI SURYA UNTUK PRODUKSI AIR ALKALI DAN AIR ASAM STUDIES ON ELECTROLYSIS PROCESS OF DRINKING WATER AND DESIGN OF THE INSTRUMENT WITH SOLAR ENERGY SOURCE FOR THE PRODUCTION OF ALKALINE AND ACIDIC WATERS Oleh: Ekki Kurniawan 140130160004 DISERTASI Untuk memenuhi salah satu syarat ujian Guna memperoleh gelar Doktor Program Pendidikan Doktor Program Studi Ilmu Kimia Bidang Kajian Utama Ilmu Kimia Analitik UNIVERSITAS PADJADJARAN FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM DEPARTEMEN KIMIA PROGRAM STUDI DOKTOR ILMU KIMIA BANDUNG 2022

LEMBAR PENGESAHAN KAJIAN PROSES ELEKTROLISIS AIR MINUM DAN RANCANGAN INSTRUMEN DENGAN SUMBER ENERGI SURYA UNTUK PRODUKSI AIR ALKALI DAN AIR ASAM STUDIES ON ELECTROLYSIS PROCESS OF DRINKING WATER AND DESIGN OF THE INSTRUMENT WITH SOLAR ENERGY SOURCE FOR THE PRODUCTION OF ALKALINE AND ACIDIC WATERS Oleh: Ekki Kurniawan 140130160004 DISERTASI Untuk memenuhi salah satu syarat ujian guna memperoleh gelar Doktor dalam Ilmu Kimia Telah disetujui oleh Tim Promotor pada tanggal seperti tertera di bawah ini Bandung, Januari 2022 Prof. Dr. Husein H. Bahti NIP. 19480419 197310 1 001 Ketua Tim Promotor Dr. Anni Anggraeni, M.Si. Prof. Dr. Iman Rahayu, M.Si. NIP. 19580317 198601 2 002 NIP. 19690208 199412 1 001 Anggota Tim Promotor Anggota Tim Promotor i

PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa: 1. Karya tulis saya - disertasi ini - adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan gelar akademik doktor, baik di Universitas Padjadjaran maupun di perguruan tinggi lainnya. 2. Karya tulis ini murni berisi gagasan, rumusan, dan hasil dari penelitian saya sendiri, tanpa bantuan pihak lain, kecuali arahan Tim Promotor. 3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama pengarang dan dicantumkan dalam daftar pustaka. 4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya, dan apabila dikemudian hari terdapat penyimpangan dan ketidak-benaran dalam pernyataan ini, maka saya bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar yang telah diperoleh karena karya tulis ini, serta sanksi akademik lainnya, sesuai dengan norma yang berlaku di perguruan tinggi ini. Bandung, Januari 2022 Yang membuat pernyataan, Ekki Kurniawan 140130160004 ii

ABSTRAK Air alkali, yaitu air yang bersifat basa dengan pH > 7, contohnya yang dikenal sebagai Kangen Water, telah digunakan oleh masyarakat sebagai air minum yang berkhasiat. Sementara itu air asam, dengan pH < 7, bermanfaat sebagai obat luar. Walaupun kedua jenis air tersebut telah lama diketahui dapat diproduksi dari air mineral dengan menggunakan mesin elektrolisis, namun sejauh ini mekanisme proses elektrolisisnya yang rinci belum dilaporkan dalam literatur. Jadi tujuan pertama penelitian adalah untuk mempelajari mekanisme rinci pembentukan air alkali dan air asam pada elektrolisis air minum yang bermineral. Dari aspek peralatan elektrolisis, air alkali dan air asam telah diproduksi dengan menggunakan mesin elektrolisis tipe batch atau tipe kontinu. Kedua jenis alat tersebut memiliki kelemahan. Alat tipe kontinu mahal karena menggunakan bahan elektrode platina yang dilapisi titanium. Alat tipe batch lebih murah, tetapi menggunakan membran yang luas areanya kecil sehingga prosesnya lambat. Masalah lainnya adalah bahwa proses elektrolisis menggunakan kedua jenis alat tersebut memerlukan energi yang besar, sehingga biaya operasionalnya mahal. Atas dasar alasan-alasan tersebut maka penelitian ini juga bertujuan merancang bangun instrumen elektrolisis untuk memproduksi air alkali dan air asam yang hemat energi, cepat, dan lebih murah. Dalam penelitian ini, peralatan elektrolisis telah dirancang atau dibuat dari bahan elektrode yang terbuat dari bahan yang lebih murah yaitu stainless steel dan karbon grafit. Lubang membran telah diperbanyak dengan tujuan untuk mempercepat proses elektrolisis. Sebagai sumber energi telah digunakan energi surya. Eksperimen elektrolisis telah dilakukan dengan menggunakan alat hasil rancangan, dengan sampel air minum yang diambil dari PDAM Kota Bandung. Hasil analisis kimia menunjukkan bahwa sampel-sampel air minum tersebut mengandung ion-ion Na+, K+, Ca2+, dan Mg2+, serta anion-anion Cl-, NO3-. SO42-, dan CO32-/HCO3-;dalam konsentrasi tertentu. Berdasarkan hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa pembentukan air alkali di katode lebih disebabkan oleh ion-ion logam alkali (Na+dan K+), dari pada oleh ion-ion logam alkali tanah (Ca2+ dan Mg2+). Pembentukan air asam di anode lebih disebabkan oleh anion bermuatan -1 (Cl- dan NO3-) dari pada yang bermuatan -2 (SO42-, CO32-). Lebih lanjut, disimpulkan bahwa alat elektrolisis yang dirancang bangun pada kapasitas 1400 mL dalam waktu 60 menit, energi rata-rata 0,002 kwh dengan harga sekitar Rp 2,8 ,- bekerja efektif, cepat, dan tidak mahal seperti yang diharapkan. Kata kunci: Air minum, alat elektrolisis, energi surya, air alkali, air asam, Kangen Water iii

ABSTRACT Alkaline water is base water with a pH > 7, for example known as kangen water, has been sold in the market and is used by the public as nutritious drinking water. Meanwhile, acidic water, which is acidic water with a pH < 7, is beneficial for health as an external medicine and has also been sold in the market. Although these two types of water have long been known to be produced using electrolysis machines, so far, the detailed mechanism of the electrolysis process has not been reported in the literature. The first objective of the study is to examine the electrolysis of drinking water by determining the mechanism involved in the formation of alkaline and acidic water. From the aspect of electrolysis equipment, so far alkaline water and acidic water have been produced using batch type or continuous type electrolysis machines. Both types of tools have weaknesses. Continuous-type devices are expensive because they use titanium-coated platinum electrodes. Batch-type tools are cheaper, but the membrane area is small so the process rate is slow. Another problem is that these tools require a lot of energy, so they are expensive. The second objective of this research is to design an electrolysis instrument to produce alkaline water and acid water that is energy efficient, fast, and inexpensive. Electrolysis experiments have been carried out using drinking water samples taken from PDAM Bandung municipality, which after analysis contains Na+, K+, Ca2+, and Mg2+ ions, as well as Cl-, NO3-. SO42-, and CO32-/HCO3- each in a certain concentration. Based on the results of the evaluation of the data on changes in the type and concentration of anions present in the cathode before and after the electrolysis process, it can be concluded that the formation of alkaline water at the cathode was caused more by alkali metal ions ( Na+ and K+), rather than by ions. Alkaline earth metal ions (Ca2+, and Mg2+). Furthermore, the formation of acidic water at the anode was caused more by the type and concentration of charged anions -1 (Cl- and NO3-) than by anions charged -2 (SO42- and CO32-/HCO3-). Electrolysis equipment has been designed/manufactured from electrodes made of stainless steel and carbon graphite. The hole area of the membrane has been increased with the aim of accelerating the electrolysis process. As an energy source, solar energy has been used, based on measurements and data processing, Furthermore, it was concluded that the electrolysis device designed for the production of alkaline water and acid water at a capacity of 1400 mL in 60 minutes, with an average energy of 0.002 kwh with a cost of around Rp. 2.8,- works effectively, quickly, and inexpensively as previously expected. Keywords: Drinking water, electrolysis instrument, solar energy, alkaline water, acidic water, Kangen Water. iv

KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum warahmatullahi wabarakaatuh, Alhamdulillahirabbil alamin, Allahuma sholi alaa Muhammad Wa ala aali Muhammad. Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, Tuhan Yang Maha Esa (YME) yang telah memberikan anugerah dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan naskah disertasi ini, yang berjudul: KAJIAN PROSES ELEKTROLISIS AIR MINUM DAN RANCANGAN INSTRUMEN DENGAN SUMBER ENERGI SURYA UNTUK PRODUKSI AIR ALKALI DAN AIR ASAM Penulis menyampaikan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan naskah disertasi ini, khususnya kepada: 1. Prof. Dr. Husein H. Bahti, selaku ketua Tim promotor, Dr. Anni Anggraeni, M. Si dan Prof. Dr. Iman Rahayu, M. Si sebagai anggota Tim Promotor. 2. Prof. Dr. Risdiana, M.Sc., Prof. Dr. Yeni Wahyuni Hartati, M.Si., dan Dr. Edy Wibowo, M.Si. sebagai anggota Tim Penguji/Penelaah, serta Prof. Dr. Sudradjat, MS. sebagai representasi Guru Besar penguji. 3. Prof. Dr. Tati Herlina sebagai Kaprodi Program Pascasarjana Ilmu Kimia, dan Prof.. Dr. Ukun M.S. Soedjanaatmadja, MS. (Kaprodi Program Pascasarjana periode sebelumnya), Dr.Rustaman, MS. sebagai Dosen Wali, Prof. Dr. Roekmi’ati, Prof. Dr. Unang Supratman, Dr. Shalih, Dr. Yusuf, dan dosen Departemen Kimia Unpad lainnya, atas ilmunya yang telah diberikan kepada penulis. v

4. Para alumnus Program Doktor Ilmu Kimia, Departemen Kimia Unpad; Dr. Herman, Dr. Nurdeni, Dr. Senadi, Dr. Wahyu, Dr Angga. Dr. Nunung dan lain-lain, yang sudah membantu kami sehingga bisa lancar dalam proses menuntut ilmu di Prodi S3 Ilmu Kimia Unpad. 5. Seluruh teman Program Doktor angkatan 2016, yaitu Bu Korry, Bu Dewi, Bu Elin, Pa Deden, Pa Rickson, dan Pa Hokcu. Semangatnya luar biasa dahsyat. 6. Dekan (Dr. Bambang), dan para Wakil Dekan (Dr. Koredianto dan Dr. Mamat) di Fakultas Teknik Elektro, Kaprodi Teknik Elektro(Dr. Fiky), dan Ketua KK (Dr.Zaki), serta rekan-rekan dosen di Prodi Teknik Elektro, Telkom University. 7. Keluarga orang tua dan mertua, istri dan anak-anak, kakak-kakak dan adik saya yang tidak lelah-lelahnya mendo’akan dan membantu saya dari awal dalam penulisan disertasi ini sehingga saya bisa menyelesaikannya pada waktunya. Semoga Allah S.W.T. membalas semua kebaikannya. Akhirnya penulis berharap disertasi ini dapat bermanfaat bagi pengembangkan ilmu pengetahuan kimia khususnya dalam bidang kajian ilmu Kimia Analitik, serta dapat membantu mencerdaskan kehidupan bangsa untuk mencapai kemakmuran dan kemajuan. Bandung, Januari 2022 Ekki Kurniawan (140130160004) vi

DAFTAR ISI Halaman LEMBAR PENGESAHAN....................................................................... i PERNYATAAN.......................................................................................... ii ABSTRAK.................................................................................................. iii ABSTRACT................................................................................................. iv KATA PENGANTAR................................................................................ v DAFTAR ISI............................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR.................................................................................. ix DAFTAR TABEL...................................................................................... xii DAFTAR ISTILAH SINGKATAN DAN LAMBANG.......................... xiv BAB I PENDAHULUAN....................................................................... 1 1.1 Latar Belakang............................................................................ 1 1.2 Identifikasi/Rumusan Masalah................................................... 4 1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian................................................... 4 1.4 Manfaat Penelitian...................................................................... 5 BAB II KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA PEMIKIRAN, DAN 6 HIPOTESIS................................................................................. 6 6 2.1 Kajian Pustaka………………………………………………... 10 2.1.1 Air Alkali dan Air Asam.............................................. 13 2.1.2 Standar Air Minum………………………………........ 16 2.1.3 Air Mineral………….................................................... 19 2.1.4 Elektrolisis Air,Air Minum dan Air Mineral………… 23 2.1.5 Hukum Elektrolisis Faraday dan Efisiensi Arus…..…. 35 2.1.6 Persamaan Nernst dan Diagram Pourbaix……………. 27 2.1.7 Diagram Piper…………………………….................. 32 2.1.8 Penelitian Daya Modul Sel Surya (MSS)……………. 39 40 2.1.9 Teori Regresi............................................................... 48 2.1.10 Paten Peralatan Elektrolisis Air Mineral.................... 51 2.1.11 Ringkasan Penelitian Elektrolisis Air ....................... 52 52 2.2 Kerangka Pemikiran………………………………….............. 53 2.3 Hipotesis……………………………………………………… 53 54 BAB III BAHAN DAN METODE PENELITIAN……………………. 3.1 Bahan dan alat………………………………………………... 3.1.1 Bahan…………………………………………………... 3.1.2 Alat…………………………………………………….. 3.1.3 Tempat Penelitian…………………………………….... vii

3.2 Metode Penelitian……………………………………………. 54 3.2.1 Pengukuran dan Pengambilan Data…………………….. 57 3.2.2 Penggunaan Perangkat Lunak Aplikasi Chem3D........... 59 3.2.3 Analisis Regresi ……………..……………….……....... 60 63 3.3 Metode Pengujian Parameter Kimia ....................................... 66 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………….... 66 4.1 Mekanisme Pembentukan Air Asam dan Air Alkali ……… 72 4.2 Hasil Pengujian Beberapa Parameter Kimia……….............. 75 4.3 Pembuatan Diagram Piper .................................................... 78 4.4 Hasil Pengukuran Variasi Tegangan dan TDS...................... 87 4.5 Perhitungan Energi Elektrolisis ........................................... 88 4.6 Hasil Pengukuran Waktu Nyata ............................................ 99 4.7 Hasil Analisis Statistik Regresi …………………………….. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.................................................. 103 5.1 Kesimpulan................................................................................ 103 5.2 Saran.......................................................................................... 104 DAFTAR PUSTAKA................................................................................ 105 LAMPIRAN............................................................................................... 111 DALIL-DALIL........................................................................................... 115 RIWAYAT HIDUP.................................................................................... 117 viii

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Proses elektrolisis air mineral menghasilkan gas 18 oksigen dan air asam di sisi anode serta gas hidrogen Gambar 2.2 dan air alkali di sisi katode (Henry & Chambron, 25 Gambar 2.3 2013). 26 Diagram Pourbaix untuk elektrolisis air keadaan Gambar 2.4 standar; ada empat bagian yang beririsan dengan 28 Gambar 2.5 daerah anode, katode, asam, dan basa. 29 Gambar 2.6 Diagram piper komposisi ion-ion utama dalam air 30 Gambar 2.7 Kation A: dominan kalsium; B: Tidak ada tipe 33 dominan;C: dominan magnesium; D: dominan Gambar 2.8 natrium-kalium; Anion dapat dibagi menjadi daerah E: 40 Gambar 2.9 dominan bikarbonat; F: dominan sulfat; G: dominan 41 Gambar 2.10 klorida; H : tidak ada yang dominan. 42 Gambar 2.11 Kumpulan sel surya membentuk modul dan panel 43 Gambar 2.12 (Rachmi A et al, 2020). 47 Gambar 2.13 Sistem elektrolisis air dengan catu daya dari modul sel 49 surya(El-Sayed et al, 2017). Gambar 3.1 Grafik arus elektrolisis terhadap waktu setempat, pada 53 pukul 11 pagi arus maksimum sebesar 0,35 A (El- Sayed et al,2017). Grafik persamaan garis prediksi sampel Y’ = + x, dengan pendekatan OLS diperoleh SST = Sum Square Total, SSR = Sum Square Regression; SSE = Sum Square Error (Anthony Hayter, 2012). Peralatan elektrolisis portabel paten China (Zhang, 2014). Metode dan peralatan untuk produksi air yang sudah dielektrolisis (Takao Inoue, 2004). Proses pembuatan air minum alkali tipe kontinu (Sawada et al,2005). Peralatan sistem instrumentasi pembuatan air alkali dan air asam dengan mikrokontroler arduino dan LCD (Setyadi et al,2018). Hasil analisis aplikasi Vosviewer, memetakan data riset pada aplikasi Publish or Perish dan Mendeley. Diagram kerangka pemikiran operasional, variabel bebas: tegangan dan kandungan ion, variabel terikat; arus dan efisiensinya, variabel kontrol dimensi alatnya tetap, luas dan bahan membran, dimensi elektrode dan lain-lain. MSS dengan spesifikasi 18 & 50 Wp dan baterai 12V- ix

Gambar 3.2 70Ah, merupakan bagian dari sumber catu daya 55 Gambar 3.3 elektrolisis dalam penelitian. 56 Gambar 3.4 a. Perancangan Peralatan PWI b. Bahan elektrode, dan 58 Gambar 3.5 membran, c. Implementasi wadah untuk sisi katode 60 Gambar 3.6 dan anode. 62 Gambar 3.7 Skema percobaan dan pengukuran elektrolisis air 63 Gambar 3.8 minum yang mengandung mineral menggunakan 67 energi dari matahari. Gambar 4.1 Percobaan dan pengukuran elektrolisis untuk 67 menghasilkan air asam dan air alkali dengan sumber Gambar 4.2 energi matahari. 72 Gambar 4.3 Kotak dialog Gamess yang disediakan dari menu 67 perhitungan pada properti Gaussian Chem3D Gambar 4.4 Kotak dialog analisis data regresi pada aplikasi Excel. 77 Gambar 4.5 Contoh tampilan hasil keluaran dari analisis data 78 melalui regresi dengan perangkat Excel. Bagan alir penelitian penentuan parameter fisika dan kimia a. Pengukuran dan perhitungan parameter kimia dan fisika b. Analisis sampel air minum PDAM sebelum dan sesudah elektrolisis dengan metode APHA. Diagram pourbaix terbalik (DPT) untuk elektrolisis air, persamaan garis a, pH= 7 memisahkan daerah asam dengan basa, b. pH= -16,9 memisahkan fasa air dengan gas H2 E ; c. E=0 memisahkan antara katode dengan anode dengan membran ; pH = -16,9E - 20,8 pH= -16,9 memisahkan fasa air dengan fas gas O2. Mekanisme pembentukan air asam dan air alkali yang dipisahkan oleh membran. Grafik perubahan energi Gibbs yang mungkin terbentuk dari hasil elektrolisis air mineral a. pembentukan air asam(HCl , HNO3 , H2SO4 , H2CO3 ) dan b. pembentukan air basa basa (NaOH, KOH, Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 ). Diagram piper sebelum elektrolisis daerah kation B, tidak ada ion yang dominan, daerah anion ada di daerah E, ion bikarbonat dominan, kombinasinya ion alkali tanah melebihi ion alkali dan asam lemah melebihi asam kuat. Diagram piper sesudah elektrolisis di sisi anode dan katode daerah kation B, tidak ada ion yang dominan, daerah anion ada di daerah E, ion bikarbonat dominan, kombinasinya ion alkali tanah melebihi x

Gambar 4.6 ion alkali dan asam lemah melebihi asam kuat. 79 Gambar 4.7 Grafik hasil pengukuran tegangan dan arus elektrolisis pada air mineral jenis 1 (TDS =124), dan jenis 2. 80 Gambar 4.8 (TDS =150). 81 Gambar 4.9 Grafik arus elektrolisis terhadap nilai TDS: 82 Gambar 4.10 a. koneksi langsung tegangan rata-rata 19,2V; 83 b. koneksi ke baterai tegangan rata-rata 10,6V; Gambar 4.11 c. koneksi dengan konverter tegangan rata-rata 61,7V; 90 Gambar 4.12 Grafik pH terhadap tegangan pada elektrolisis air 92 Gambar 4.13 minum dengan TDS =124 ppm, a. di bagian katode 95 Gambar 4.14 b. di bagian anode. 96 Gambar 4.15 Grafik pH terhadap tegangan pada elektrolisis air 97 Gambar 4.16 minum dengan TDS =150 ppm, a. di bagian katode 99 Gambar 4.17 b. di bagian anode. 101 Gambar 4.18 Grafik pH asam dan pH basa hasil elektrolisis 103 terhadap nilai TDS: a. koneksi langsung tegangan rata-rata 19,2V; b. koneksi ke baterai tegangan rata-rata 10,6V; c. koneksi dengan konverter tegangan rata-rata 61,7V. Grafik pH terhadap waktu elektrolisis dalam pembentukan air alkali. Grafik pH terhadap waktu elektrolisis dalam pembentukan air asam. Grafik peningkatan dan penurunan arus elektrolisis terhadap waktu untuk air minum a.Jenis 1, b. Jenis 2 dan c. Jenis 3. Grafik arus terhadap waktu elektrolisis untuk jenis air 1,2,dan 3 yang berbeda kandungan ion. Rangkaian pengganti alat dan proses elektrolisis air minum bermineral. Grafik pH terhadap waktu elektrolisis untuk larutan NaCl, KNO3, MgCl2, dan CaCl2. Grafik hubungan arus elektrolisis terhadap TDS dan tegangan dalam tiga dimensi. Grafik tegangan (potential) dan TDS terhadap efisiensi arus elektrolisis pembentukan asam dan basa EA-A dan EA-B. xi

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Nilai perubahan energi bebas pembentukan asam dan 11 Tabel 2.2 basa (Brady et al, 2012). 14 Tabel 2.3 Beberapa standar kualitas air minum untuk pH dan 24 Tabel 2.4 kandungan parameter kimia dalam satuan mg/L 28 Tabel 2.5 (Sulaiman et al, 2011). 31 Tabel 2.6 Nilai gradien Nernst (GN) dan nilai 1/GN pada 44 Tabel 2.7 Temperatur 25-50 °C untuk elektrode yang ideal 45 Tabel 4.1 (Ashton & Geary, 2011). 70 Tabel 4.2 Data temperatur, tingkat penerangan, tegangan, arus dan 73 Tabel 4.3 daya MSS 10 Wp pada pukul 6.00 pagi hingga pukul 73 16.00 sore. (Subandi et al, 2014). Tabel 4.4 Energi ionisasi (kJ/mol) dan keelektronegatifan unsur 74 Tabel 4.5 C, Au, Pt, Ag, Fe, Al, Zn, dan Cu (Brady et al, 2012). 76 Tabel 4.6 Bibliometrik yang berkaitan dengan penelitian air alkali 79 Tabel 4.7 dan air asam dengan sumber Google Scholar, tahun 84 Tabel 4.8 pencarian 2015-2021. 84 Ringkasan beberapa jurnal, prosiding, dan paten yang berkaitan dengan elektrolisis air dan sumber energi matahari. Hasil pengukuran dan perhitungan tegangan, arus, daya, dan energi dengan sumber energi surya. Hasil analisis kualitatif beberapa parameter kimia sebelum dan sesudah elektrolisis di sisi anode dan katode dengan satuan mg/L. Hasil analisis perubahan jumlah ion pada keadaan awal sebelum dan setelah elektrolisis di sisi anode dan katode, disertai persentase pertambahan ion setelah elektrolisis, tanda negatif (-) berarti pengurangan. Jenis reaksi reduksi dan oksidasi yang mungkin terjadi di sisi anode dan katode. Hasil perhitungan persentase jumlah ion keadaan awal sebelum dan setelah elektrolisis untuk pembuatan diagram Piper. Data hasil percobaan elektrolisis menggunakan PWI dengan MSS, B: Baterai, D: Direct, K: Konverter. Data arus dan efisiensinya pada percobaan elektrolisis menggunakan PWI dengan langsung dari MSS (D) tanpa menggunakan baterai dan Konverter. Data arus dan efisiensinya pada percobaan elektrolisis menggunakan PWI dengan MSS tersambung baterai tanpa konverter (B). xii

Tabel 4.9 Data arus dan efisiensinya pada percobaan elektrolisis 85 menggunakan PWI dengan MSS terhubung konverter Tabel 4.10 (K). 86 Tabel 4.11 Pengelompokan data berdasarkan TDS, tegangan, Arus, 87 Tabel 4.12 dan efisiensi arus. 89 Tabel 4.13 Hasil pengukuran dan perhitungan tegangan, arus, daya, 92 Tabel 4.14 dan energi dengan sumber energi surya. 92 Tabel 4.15 Hasil pengukuran arus, suhu, TDS dan pH pada 94 Tabel 4.16 pembuatan air alkali dari air minum tipe 1. 94 Hasil pengukuran arus, suhu, TDS dan pH pada Tabel 4.17 pembuatan air alkali dari air minum tipe 2. 98 Tabel 4.18 Hasil pengukuran arus, suhu, TDS dan pH pada 99 pembuatan air asam dari air minum tipe 1. Tabel 4.19 Hasil pengukuran arus, suhu, TDS dan pH pada 100 pembuatan air asam dari air minum tipe 2. Hasil pengukuran arus elektrolisis pada waktu nyata untuk jenis air 1, 2, dan 3 dengan TDS 63, 111, dan 203 ppm. Hasil pengukuran TDS dan pH awal dan akhir setelah elektrolisisis pada air asam dan air basa. Hasil pengukuran pH di sisi katode untuk larutan NaCl, KNO3, MgCl2 ,dan CaCl2 dengan TDS 226,126,164,dan 532 ppm. Hasil analisis data dengan menggunakan regresi pada tingkat kepercayaan 95%. xiii

DAFTAR ISTILAH, SINGKATAN DAN LAMBANG DAFTAR ISTILAH Air Asam : Air yang memiliki nilai pH<7. Air alkali : Air yang banyak mengandung ion-ion alkali atau Antiseptik alkali tanah, seperti ion natrium,kalium, magnesium Disinfektan dan kalsium, pH>7. : Pembasmi kuman yang menempel pada bagian yang hidup. : Pembasmi kuman yang menempel pada benda mati. Elektrode : Lempeng logam, campuran logam,karbon atau konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam misalnya elektrolit, dari sebuah sirkuit, terdiri dari anode dan katode. Instrumen : Alat untuk menentukan nilai dari suatu besaran yang diukur. Konverter : Alat elektronika yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan listrik. Rectifier : Alat elektronika daya yang dapat mengubah tegangan AC menjadi DC. Inverter : Alat elektronika daya yang dapat mengubah tegangan DC menjadi AC. Modul sel surya : Kumpulan dari sel-sel photovoltaik yang tersambung secara serial dan atau paralel, kumpulan modul sel surya disebut panel sel surya, gabungan panel membentuk array. Monocrystalline : Jenis bahan panel surya yang dibuat dari single silicon crystal. DAFTAR SINGKATAN A : Ampere. AAS : Atomic Absorption Spectroscopy. Ah : Ampere Hour. APHA : American Public Health Association. AVO meter : Ampere Volt Ohm meter. ATP : Adenosine Three Phosphate. DC : Direct Current. DNA : Deoxyribo Nucleic Acid. DPT : Diagram Pourbaix Terbalik. xiv

EA-A : Efisiensi Arus-Asam. EBTKE : Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi. EA-B FMDV Efisiensi Arus-Basa. GW : Foot-And-Mouth Disease Virus. IBWA : GigaWatt KWh : International Bottled Water Association. mV : KiloWatt hour MW : Millivolt nm : MegaWatt NKRI : Nanometer pH : Negara Kesatuan Republik Indonesia. PDAM : potential Hydronium PLTS : Perusahaan Daerah Air Minum. PWI : Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Ir : Portable Mineral Water Ionizer. SASO : Intensitas radiasi STP : Saudi Arabian Standard Organization. WHO : Standard of Temperature and Pressure. SOW : World Health Organization. TCID : Super-Oxidized Water. TDS : Tissue Culture Infective Dose. ORP : Total Dissolved Solid. ppm : Oxidation Reduction Potential. GDA : Part per million. RGB-LED : Gula Darah Acak. GaAsP : Red Green Blue Light Emitting Diode. SiC : Gallium Arsenide Phosphide. AlGaP : Silicon Carbide. LDH : Aluminum Gallium Phosphide. : Laktat Dehidrogenase. DAFTAR LAMBANG R : Konstanta gas, 8.31 ( volt-coulomb) / (mol-K) atau 8.31447 J · K-1 · mol-1. e- : Muatan elektron 1,6 x 19-19 coulomb. e : Bobot ekivalen zat (berat molekul dibagi bilangan oksidasi atau elektron valensi). i : Satuan arus (ampere). t : Satuan waktu (sekon) xv

F : Faraday = 96500 Coulomb/ mol. E : Tegangan sel dalam keadaan tidak standar ( volt). Eo : Tegangan sel dalam keadaan standar ( volt). ΔGo : Perubahan energi bebas gibbs standar (Kkal mol−1 ). ΔG : Perubahan energi bebas gibbs tidak standar (Kkal mol−1 ). ΔU : Perubahan Energi dalam(Kkal mol−1 ). S : Entropi (Kkal mol−1 K−1). p : Tekanan. V : Volume. m/M : Perbandingan massa yang dihasilkan dan massa yang dihitung berdasarkan pengukuran arus atau efisiensi arus. m : Mol yang terukur dihasilkan karena arus elektrolisis. M : Mol hasil perhitungan karena arus elektrolisis. n : Jumlah mol elektron yang dipertukarkan dalam reaksi elektrokimia (mol). Q : Muatan (coulomb). T : Temperatur (K). w : Massa hasil elektrolisis (gram). xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sejak tahun 2014 masyarakat Indonesia telah banyak yang mengkonsumsi air alkali atau yang dikenal dengan Kangen Water. Minuman ini dibuat dengan mesin elektrolisis Enagic yang diimpor dari Jepang. Mesin itu juga menghasilkan air asam sebagai produk sampingan. Air alkali yang memenuhi persyaratan dapat diminum, dan diyakini berkhasiat untuk kesehatan tubuh, sedangkan air asam dapat digunakan sebagai obat luar (Amin & Kamel, 2008). Di pasaran telah tersedia berbagai merk alat elektrolisis tipe kontinu, namun harga relatif mahal berkisar antara Rp 10.000.000 - Rp 85.000.000, masih belum terjangkau oleh masyarakat luas di Indonesia. Mahalnya alat karena elektrodenya terbuat dari bahan platina yang dilapisi titanium. Mesin itu menggunakan pompa air DC 12V 2A,dengan daya untuk mengoperasikannya berkisar 100-200 watt. Ada alat tipe batch yang relatif murah, harganya sekitar Rp. 150.000 – 500.000. Alat ini tetapi masih banyak kekurangan, diantaranya proses elektrolisisnya yang lama. Lambatnya proses ini karena area membran yang sempit, sehingga arus elektrolisisnya kecil. Daya yang digunakan berkisar antara 5-10 Watt. Waktu yang diperlukan untuk proses elektrolisis 6 – 12 jam, dengan demikian energi yang dipakai sebesar 0,030-0,12 kWh. 1

2 Energi sebesar 0,12 kWh, tersebut di atas sebetulnya hanya memerlukan modul sel surya dengan luas 0,3 m2 atau kira-kira berukuran 50 cm x 60 cm selama satu jam. Berdasarkan data dari Ditjen Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (EBTKE) bahwa intensitas radiasi rata rata di Indonesia 4,8 kWh/m2/hari (Maritje, H. 2016 & Rozi et al,2020). Jika cahaya matahari tertangkap selama 12 jam, maka intensitas radiasi 0,4 Kwh/m2/jam. Masalah lainnya adalah komposisi kandungan air (air alkali dan air asam) hasil elektrolisis dari instrumen elektrolisis jenis kontinu maupun batch belum diteliti komposisi kimianya. Ita & Dian (2019) melakukan analisis sampel air minum sebelum dielektrolisis yang ternyata mengandung garam-garam alkali. Setelah elektrolisis, air alkali yang dihasilkan juga memenuhi persyaratan untuk diminum, akan tetapi peneliti-peneliti tersebut tidak menjelaskan komposisi ion-ion utama (major) sebelum dan sesudah proses elektrolisis. Teori tentang mekanisme proses elektrolisis yang terjadi dalam pembentukan air alkali dan air asam belum diterangkan dalam literatur-literatur. Isana (2010), hanya menjelaskan proses elektrolisis air yang menghasilkan gas hidrogen dan oksigen, berlangsung sangat lambat, sehingga elektrolisis air perlu dimodifikasi dengan penambahan zat terlarut yang bersifat ionik, atau dengan modifikasi elektrode yang digunakan atau dengan cara lain. Henry & Chambron (2013) menjelaskan bahwa elektrolisis air mineral menghasilkan gas hidrogen

3 (H2) dan ion hidroksida OH- di katode, serta gas oksigen (O2) dan proton H+ di anode melalui reaksi reduksi dan oksidasi dengan persamaan reaksi sbb: 2 H2O(ℓ) + 2e-  H2(g) + 2OH−(aq) 2 H2O(ℓ)  O2(g) + 4H+(aq) + 4e- Tegangan listrik yang diberikan menyebabkan elektron mengalir dari katode ke anode. Saat elektron mengalir air alkali terbentuk di sisi katode karena adanya ion hidroksida, OH-, dan kation mineral (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). Di bagian anode terbentuk air asam karena adanya anion mineral (HCO3-, Cl-, HSO4, NO3- ) dan proton H+. Pengaruh mana yang lebih dominan dalam pembentukan air alkali dan air asam, apakah pengaruh tegangan atau kandungan mineral dalam air, belum dijelaskan oleh kedua peneliti tersebut. Dalam mempelajari pengaruh tegangan dan kandungan mineral dalam pembentukan air alkali dan air asam dalam proses elektrolisis mineral, telah dikembangkan Diagram Pourbaix, Diagram Pourbaix Terbalik (DPT), dan Diagram Piper. Diagram Pourbaix adalah diagram antara tegangan (E) terhadap pH menggambarkan stabilitas elektrokimia air dengan tiga unsur penting, yaitu: hidrogen, oksigen dan electron. Dalam Diagram Pourbaix E merepresentasikan tegangan standar reduksi-oksidasi, sedangkan pH mewakili aktivitas ion hidrogen (Huang & H-H, 2016). Diagram Pourbaix terbalik (DPT), merupakan kebalikan dari Diagram Pourbaix, yaitu pH sebagai fungsi dari tegangan, pH (E). DPT lebih

4 sesuai, karena tegangan listrik yang menyebabkan perubahan pH pada reaksi elektrolisis. Diagram Piper belum dielaborasi untuk menjelaskan perubahan ion-ion dalam pembentukan air alkali dan air asam. Diagram piper dibuat untuk mengetahui persentase komposisi anion dan kation utama (major) dalam air mineral. Salah satu penelitian tentang penggunaan Diagram Piper memperlihatkan karakteristik kimia air tanah di daerah Cibiru-Cileunyi yang memiliki komposisi Ca: HCO3, Ca. Mg: HCO3, Mg: HCO3 (Kholqi et al, 2018). 1.2 Identifikasi/Rumusan Masalah Beberapa masalah telah dirumuskan sebagai berikut: 1. Bagaimana mekanisme proses yang terjadi dalam elektrolisis air minum untuk pembentukan dan produksi air alkali dan air asam. 2. Bagaimana merancang bangun instrumen elektrolisis untuk produksi air alkali dan air asam, yang praktis, cepat, murah, menggunakan sumber energi matahari. 1.3 Maksud dan Tujuan Penelitian Penelitian ini bermaksud mengkaji proses elektrolisis air minum dan merancang instrumen elektrolisis yang menggunakan sumber energi surya, untuk memproduksi air alkali dan air asam. Adapun tujuannya adalah sbb: 1. Menganalisis mekanisme proses atau reaksi-reaksi yang terjadi selama elektrolisis air minum dalam pembentukan air alkali dan air asam,

5 2. Merancang bangun instrumen elektrolisis untuk memproduksi air alkali dan air asam yang hemat energi, cepat, dan murah. 1.4 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah untuk mengembangkan ilmu kimia, khususnya bidang elektrokimia, baik dari aspek teoritik maupun praktis, yang hasilnya berupa produk yang sangat bermanfaat untuk memenuhi kebutuhan atau meningkatkan kesejahteraan masyarakat. Kebaruan (Novelty) Kebaruan hasil penelitian disertasi ini ada dua hal yaitu pada aspek teori ilmu kimia dan rancang bangun alat. Dari sisi teori adalah penjelasan rinci mengenai mekanisme proses atau reaksi-reaksi yang terjadi pada pembentukan air alkali dan air asam dalam proses elektrolisis air minum. Sebagai tambahan, adalah konsep Diagram Pourbaix Terbalik (DPT), yaitu diagram pH sebagai fungsi dari tegangan listrik, membantu menjelaskan mekanisme proses pembentukan proton H+ dan ion hidronium OH- dalam proses elektrolisis. Dari sisi peralatan dihasilkan suatu rancangan dan prototype instrument elektrolisis dengan sistem catu daya sederhana (sudah dipatenkan) , penggunaan gabungan elektrode karbon (grafit) dan baja tahan karat (stainless steel) serta peningkatan luas membran.

BAB II KAJIAN PUSTAKA, KERANGKA PEMIKIRAN DAN HIPOTESIS 2.1 Kajian Pustaka 2.1.1 Air Alkali dan Air Asam Air alkali, yaitu air yang bersifat basa dengan pH > 7, contohnya yang dikenal sebagai Kangen Water, telah digunakan oleh masyarakat sebagai air minum yang berkhasiat. Sementara itu air asam, dengan pH < 7, bermanfaat sebagai obat luar. Walaupun kedua jenis air tersebut telah lama diketahui dapat diproduksi dari air mineral dengan menggunakan mesin elektrolisis. Alkali berasal dari kata Arab, yang berarti garam ion alkali atau zat alkali yang mengandung unsur logam alkali atau alkali tanah. Air alkali yang memenuhi persyaratan dapat diminum, dan diyakini berkhasiat untuk kesehatan tubuh, sedangkan air asam dapat digunakan sebagai obat luar (Amin & Kamel, 2008).Penelitian lebih lanjut tentang manfaat alkali dan air asam telah dilakukan para ahli medis. Shirahata (2012) telah menjelaskan bahwa elektrolisis air mineral dapat menghasilkan air alkali yang dapat memiliki pencegahan terhadap penyakit seperti stroke, diabetes, kanker, dan lain-lain. Air alkali yang dihasilkan dari katode mesin elektrolisis dapat memberikan manfaat yang baik bagi tubuh, yaitu meningkatkan kadar natrium serum dalam darah manusia (Alfian et al, 2017). Terapi air alkali dengan pH 9,5 dapat menurunkan kadar Laktat Dehidrogenase (LDH) pada penderita kanker kelenjar 6

7 getah bening. Pemberian terapi non farmakologis dilakukan selama kurun waktu dua bulan. Setiap responden mengkonsumsi air alkali sebanyak 1,5 liter/hari (Darsini et al, 2017). Konsumsi air alkali dengan kombinasi pH 9,5 dan 11,5 selama kurun waktu 14 hari efektif untuk menurunkan Gula Darah Acak (GDA) pada penderita diabetes mellitus tipe 2 (Siswantoro et al, 2018). Air alkali dapat membantu menyembuhkan berbagai jenis penyakit dengan cara yang mudah dan murah (Setyadi et al, 2018). Konsumsi air alkali meningkatkan keseimbangan asam-basa dan dapat menghindari dehidrasi. Konsumsi air alkali secara teratur merupakan faktor gizi yang berharga yang mempengaruhi keseimbangan asam-basa dan status hidrasi pada orang dewasa sehat yang aktif (Chycki J et al, 2017). Air asam hasil oksidasi elektrolisis air mineral disebut juga Super-Oxidized Water (SOW). SOW mengandung campuran senyawa pengoksidasi berupa asam terutama HOCl dengan pH 5,0 - 6,5 dan nilai ORP > 950 mV. SOW dapat menjadi antiseptik atau disinfektan yang dapat membunuh mikroorganisme dalam beberapa menit setelah terpapar (Munesh KG, et al. 2017). Untuk mempertahankan larutan HOCl tetap stabil, memaksimalkan aktivitas antimikroba, dan meminimalkan produk samping yang tidak diinginkan, maka pH harus dijaga pada 3,5 hingga 5 (Wang L et al, 2007). Air asam hasil oksidasi disebut 'Super-teroksidasi' dapat digunakan untuk menghambat pertumbuhan virus, jamur, dan bakteri berbahaya dalam luka. Air super teroksidasi dapat diproduksi dengan elektrolisis menguraikan

8 natrium klorida melalui membran semi-permeabel dan menghasilkan ion oksiklorin (Fereshteh et al, 2016). Air asam hasil elektrolisis dengan pH 2.6−5.8, diuji sebagai disinfektan terhadap virus penyakit kaki dan mulut atau foot-and- mouth disease virus (FMDV). Pada pH 2,6 titer virus menurun secara in vitro dengan nilai > 4,0 log satuan Tissue Culture Infective Dose (TCID50/mL), setelah dua menit virus dicampur dengan SOW pada pengenceran 1:10. Efek virucidal yang kuat dari air asam tersebut tergantung pada tingkat klorin dalam larutan (Vuong N et al, 2017). Selain dapat membunuh virus, HOCl dapat membunuh sel bakteri. Mekanisme tindakan aksi HOCl terhadap sel bakteri adalah sebagai berikut; HOCl yang tidak bermuatan dengan mudah menembus dinding sel dan menghambat sintesis Deoxyribonucleic Acid (DNA), sintesis/oksidasi protein dan enzim yang mengandung tiol, dan menahan pertumbuhan bakteri dengan menekan replikasi DNA dan menghambat sintesis dinding sel. HOCl juga mempengaruhi metabolisme sel melalui penurunan produksi Adenosine-Triphosphate (ATP) (Kiamco M M, et al, 2019). Air asam hasil elektrolisis, yang mengandung HCl dan HOCl sebagai zat aktif, telah diteliti sebagai disinfektan yang efektif. Larutan 0,15% NaCl dapat dielektrolisis menghasilkan air alkali (pH 11,9) dengan sonikasi, dan air asam (pH 2,7) tanpa sonikasi, berguna juga untuk disinfeksi perangkat klinis, karena air hasil elektrolisis lembut untuk pasien, peralatan dan ramah lingkungan (Yuichiro N et al, 2016).

9 Air asam hasil oksidasi elektrolisis air mineral disebut juga Super-Oxidized Water (SOW). SOW mengandung campuran senyawa pengoksidasi berupa asam terutama HOCl dengan pH 5,0 - 6,5 dan nilai ORP > 950 mV. SOW dapat menjadi antiseptik atau disinfektan yang dapat membunuh mikroorganisme dalam beberapa menit setelah terpapar (Munesh K G, et.al. 2017). Untuk mempertahankan larutan HOCl tetap stabil, memaksimalkan aktivitas antimikroba, dan meminimalkan produk samping yang tidak diinginkan, maka pH harus dijaga pada 3,5 hingga 5 (Wang L et al, 2007). Air asam hasil oksidasi disebut 'Super-teroksidasi' dapat digunakan untuk menghambat pertumbuhan virus, jamur, dan bakteri berbahaya dalam luka. Air super teroksidasi dapat diproduksi dengan elektrolisis menguraikan natrium klorida melalui membran semi-permeabel dan menghasilkan ion oksiklorin (Fereshteh et al2016). Air asam hasil elektrolisis dengan pH 2.6−5.8, diuji sebagai disinfektan terhadap virus penyakit kaki dan mulut atau foot-and- mouth disease virus (FMDV). Pada pH 2,6 titer virus menurun secara in vitro dengan nilai > 4,0 log satuan Tissue Culture Infective Dose (TCID50/mL), setelah dua menit virus dicampur dengan SOW pada pengenceran 1:10. Efek virucidal yang kuat dari air asam tersebut tergantung pada tingkat klorin dalam larutan (Vuong N et al, 2017). Selain dapat membunuh virus, HOCl dapat membunuh sel bakteri. Mekanisme tindakan aksi HOCl terhadap sel bakteri adalah sebagai berikut; HOCl yang tidak

10 bermuatan dengan mudah menembus dinding sel dan menghambat sintesis Deoxyribonucleic Acid (DNA), sintesis/oksidasi protein dan enzim yang mengandung tiol, dan menahan pertumbuhan bakteri dengan menekan replikasi DNA dan menghambat sintesis dinding sel. HOCl juga mempengaruhi metabolisme sel melalui penurunan produksi Adenosine-Triphosphate (ATP) (Kiamco M M, et al, 2019). Air asam hasil elektrolisis, yang mengandung HCl dan HOCl sebagai zat aktif, telah diteliti sebagai disinfektan yang efektif. Larutan 0,15% NaCl dapat dielektrolisis menghasilkan air alkali (pH 11,9) dengan sonikasi, dan air asam (pH 2,7) tanpa sonikasi, berguna juga untuk disinfeksi perangkat klinis, karena air hasil elektrolisis lembut untuk pasien, peralatan dan ramah lingkungan (Yuichiro N et al,2016). 2.1.2 Standar Air Minum Air minum standar adalah air yang memenuhi syarat-syarat kesehatan dan langsung dapat diminum. Air minum yang berkualitas harus memenuhi persyaratan fisika, kimia, dan biologi. Syarat fisika diantaranya adalah: jernih, rasa tawar, tidak berbau, suhunya normal, dan tidak banyak mengandung zat padatan. Syarat kimianya antara lain: pH, Padatan Terlarut Total (Total Dissolved Solid: TDS), dan kesadahan. Syarat sifat biologisnya yang utama adalah tidak mengandung bakteri Escherichia Coli. Beberapa sifat standar untuk kualitas air minum dapat dilihat pada Tabel 2.1. Kadar keasaman air minum dinyatakan dengan pH [- log(H+)] yang merupakan salah satu parameter kualitas air yang

11 paling penting. Nilai pH berkisar antara 0 – 14. Nilai pH yang lebih kecil dari 7,0 menyatakan bahwa air tersebut bersifat asam, sedangkan nilai pH di atas 7,0 menyatakan bahwa air bersifat basa. Standar SASO (1994) dan WHO (2006) untuk pH air minum adalah 6,5- 9,5 sedangkan standar IBWA (2008) dan Kemenkes RI (2010) adalah 6,5 - 8,5. Tabel 2.1 Nilai beberapa parameter kualitas air minum yang ditetapkan sebagai standar air minum oleh beberapa institusi internasional dan oleh Pemerintah Republik Indonesia (Sulaiman et al, 2011). No Parameter SASO WHO IBWA Kemenkes (1994) RI (2010) (2006) (2008) 1 pH 6,5-8,5 6,5-9,5 6,5-8,5 6,5-8,5 2 TDS 100-700 1000 500 500 3 Kesadahan 300 500 - 500 4 Kalsium 75 - -- 5 Magnesium 30 - - - 6 Natrium - - - 200 7 Klorida 250 250 250 250 8 Sulfat 250 - 250 250 9 Nitrat 45 50 44 50 Keterangan:: 1.TDS : Total Dissolved Solid:adalah Padatan Terlarut Total. 2. SASO: Saudi Arabian Standard Organization. 3. WHO : Saudi Arabian Standard Organization 4. IBWA : International Bottled Water Association. 5. Kemenkes RI.: Kementerian Kesehatan Republik Indonesia. Standar maksimum TDS yang ditetapkan WHO (2006) sebesar 1000 mg/L, sedangkan standard Kemenkes RI (2010) maksimum TDS 500 mg/L. TDS merupakan salah satu parameter penting dari air mineral atau air minum. Nilai TDS berbanding lurus dengan nilai daya hantar listrik. Tingginya nilai daya hantar listrik suatu air minum mengindikasikan tingginya TDS yang dikandung oleh air minum tersebut. Setiap air tanah memiliki nilai TDS masing-masing,

12 yang berbeda satu dari yang lainnya, tergantung kepada konsentrasi ion-ion terlarut di dalamnya (Tantowi et al, 2016). Nilai TDS tergantung kepada kandungan ion garam mineral, yang dapat membentuk air alkali dan air asam dalam proses elektrolisis. TDS merupakan jumlah ion-ion alkali/alkali tanah (Na+, K+, Ca2+ , Mg2+), ion –ion asam (Cl-, NO3- , SO42-, F-) yang terdapat dalam air. Nilai TDS dapat didekati dengan persamaan (2.1) (P. Mageshkumar & G. Vennila, 2020): TDS = 0,6 Alkalinitas + Na+ + K+ + Ca2+ + Mg2+ + Cl-+ NO3- + SO42-+ F- (2.1) Alkalinitas adalah sifat kebasaan dari air karena keberadaan ion asam bikarbonat, karbonat, dan ion hidroksida (Alkalinitas = [HCO3−] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+] ) Semua standar mensyaratkan banyaknya nitrat maksimum adalah berkisar antara 45-50 mg/L. Standar SASO, IBWA, dan RI mensyaratkan banyaknya maksimum klorida dan sulfat masing-masing sebanyak 250 mg/L. WHO hanya mensyaratkan kandungan maksimum klorida sebanyak 250 mg/L tetapi tidak mensyaratkan kandungan sulfat dalam air minum. SASO menetapkan syarat maksimum kalsium sebesar 75 mg/L, dan maksimum magnesium sebesar 30 mg/L, sedangkan WHO, IBWA, dan Kemenkes RI tidak mensyaratkan kandungan kedua unsur logam alkali tanah tersebut dalam air minum. Kemenkes RI menetapkan kandungan unsur logam alkali natrium dalam air minum maksimum

13 200 mg/L, sedangkan SASO, IBWA, dan WHO tidak menetapkan syarat tentang kandungan unsur tersebut dalam air minum. 2.13 Air Mineral Unsur-unsur logam alkali dan alkali tanah yang melimpah di kerak bumi adalah natrium, kalium, magnesium, dan kalsium dengan kelimpahan massa masing-masing 2,5%, 2,0%, 2,4%, dan 4,2% (Haxel et al, 2005). Unsur-unsur ini mudah bereaksi dengan unsur lain dan ditemukan di alam dalam mineral sebagai NaCl, KCl, KNO3, CaCO3, KCl-MgCl2.6H2O, MgSO4.7H2O, dan lain-lain. Air yang mengandung senyawa-senyawa mineral tersebut di atas disebut air mineral, yang dengan teknologi elektrolisis dapat dikonversi menjadi air asam dan air alkali. Air asam adalah air yang memiliki pH< 7, sedangkan air basa atau air alkali memiliki pH >7. Jenis senyawa asam dan basa yang mungkin terbentuk adalah HNO3 , HCl, H2CO3, H2SO4, KOH,NaOH, Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 . Tabel 2.2 menunjukkan nilai perubahan energi bebas pembentukan asam dan basa yang mungkin terbentuk dari ion-ion utama dalam air mineral seperti asam nitrat, asam klorida, asam karbonat, dan asam sulfat. Sedangkan basanya berupa kalium hidroksida, natrium hidroksida, magnesium hidroksida, dan kalsium hidroksida. Energi ini disebut juga energi bebas Gibbs. Energi bebas Gibbs suatu senyawa adalah perubahan energi yang diperlukan dalam pembentukan suatu zat dari unsur penyusunnya dalam keadaan standar (bentuk paling stabil dari zat pada

14 tekanan 1 bar dan temperatur 298 K. Energi ini juga tergantung pada potensial dan jumlah elektron yang bermigrasi. Tabel 2.2 Nilai perubahan energi bebas pembentukan asam dan basa (Brady et al, 2012). Senyawa asam ΔG °(Kkal/mol) Senyawa basa ΔG °(Kkal/mol) -19,2 -90,9 HNO3(l) -31,5 KOH(s) -91,7 HCl(aq) -149,5 NaOH(s) -200,2 H2CO3(aq) -178,7 Mg(OH)2(s) -215,3 H2SO4(aq) Ca(OH)2(s) Pembentukan dapat berlangsung spontan karena nilai energi bebasnya negatif, berdasarkan nilai energinya HCl dan HNO3 lebih mudah terbentuk dari pada H2SO4 dan H2CO3 . HCl dan HNO3 bervalensi satu sedangkan H2SO4 dan H2CO3. bervalensi dua, H2SO4 dan H2CO3 memiliki dua tetapan disosiasi, Ka . H2SO4 ⇌ H+ + HSO4− (Ka1 = 1×103 ) HSO4− ⇌ H+ + SO42 (Ka2 = 1,3 ×10−2 ) H2CO3 ⇌ H+ + HCO3− (Ka1 = 4,2 × 10−7) HCO3− ⇌ H+ + CO32− (Ka2 = 4,8 × 10−11 ) Derajat keasaman suatu larutan asam atau basa dari suatu larutan dapat dihitung dari besarnya nilai pH atau pOH larutan tersebut. Derajat keasamaan larutan bergantung pada jumlah konsentrasi ion H+ dalam larutan. Semakin besar konsentrasi ion H+ maka pH semakin kecil sehingga makin asam larutan tersebut. Dengan menggunakan harga Ka dimungkinkan menghitung konsentrasi ion H +

15 (aq) dalam larutan. paling banyak berasal dari Ka1 (bandingkan harga Ka1 dengan Ka2). Jadi perhitungan pH asam poliprotik harga tetapan keasaman yang digunakan adalah Ka1. Demikian pula konsentrasi ion OH- (aq) dalam larutan basa lemah dapat dihitung dengan menggunakan harga Kb. Karena [H+ ] Larutan basa seperti NaOH dan KOH, lebih mudah terbentuk dari pada larutan basa Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 . Ca(OH)2 dan Mg(OH)2 memiliki kelarutan tertentu, Konstanta hasil kali kelarutan (Ksp) adalah hasil kali konsentrasi ion-ion dalam larutan jenuh, dipangkatkan masing-masing koefisien reaksinya. Kriteria yang menentukan apakah ion-ion dalam larutan akan bergabung membentuk endapan, adalah dengan membandingkan hasil kali ion-ion penyusun(Q) dengan Ksp. Hal ini menghasilkan pernyataan sebagai berikut : Pengendapan terjadi jika Q > Ksp; Pengendapan tidak terjadi jika Q < Ksp Larutan menjadi jenuh jika Q = Ksp. Ca(OH)2 dan Mg(OH)2 dapat menjadi larutan jenuh, ketika proses reaksi terjadi dengan laju reaksi yang sama sehingga terjadi reaksi kesetimbangan. Pada saat terjadi kesetimbangan dalam air, senyawa Ca(OH)2 dan Mg(OH)2 yang larut dalam air sangat kecil maka konsentrasi dianggap tetap. Kalsium Hidroksida Ca(OH)2 (s) ⇄ Ca2+ (aq) + 2 OH – (aq) ; Ksp = 5,5 x 10 –6 Magnesium Hidroksida. Mg(OH)2 (s) ⇄ Mg2+ (aq) + 2 OH – (aq) ; Ksp = 1,8 x 10 –11 Ksp untuk untuk kedua jenis basa tersebut dapat ditulis dengan rumus Ksp =4s3

16 s= kelarutannya (M). Nilai s untuk Ca(OH)2 adalah 1,1 x 10-2 M, besar pH yang disebabkan oleh larutan Ca(OH)2 adalah 12,04 ( pOH = 1,95 ; [OH-]=2,2 x 10-4 M; [Ca 2+-]=1,1 x 10-2 M). Nilai s untuk Mg(OH)2 adalah 1,65 x 10-4 M, sehingga besar pH yang disebabkan oleh larutan Mg(OH)2 adalah 10,53 ( pOH = 3,48 ; [Mg 2+-] =1,65 x 10-4 M). 2.1.4. Elektrolisis Air, Air Minum, dan Air Mineral Proses dan reaksi-reaksi yang terjadi dalam elektrolisis air mineral dapat dijelaskan sebagai berikut: a. Ada dua elektrode pada instrumen elektrolisis yaitu katode yang mendapat tegangan negatif, dan anode yang mendapatkan tegangan positif. b. Terjadi aliran elektron dari sumber tegangan ke katode, kemudian kedalam elektrolit di daerah katode, menghasilkan elektron yang lalu dikirim ke anode. Elektron dari anode kemudian mengalir lagi menuju sumber tegangan. c. Pada katode, terjadi dua reaksi reduksi, yang pertama yaitu reduksi dua mol ion hidrogen (H+) oleh dua elektron (2e-) membentuk satu mol gas hidrogen (H2), pada keadaan standar dengan besar Eo = 0,00 volt. 2 H+ (aq) + 2e-  H2 (g) Eo = 0,00 volt reaksi reduksi yang kedua dua mol air (H2O(l)) oleh elektron (2e-) membentuk satu mol gas H2 dan dua mol ion hidroksida OH-, dengan tegangan Eo = -0,83 volt (Diogo et al, 2013). 2H2O (l) + 2e -  H2(g) + 2OH- (aq) Eo = -0,83 volt

17 d. Pada anode juga terjadi dua reaksi yaitu, yang pertama adalah ion OH- membentuk gas oksigen (O2), dan molekul H2O(l) , dengan tegangan Eo = + 0,40 volt. Eo = + 0,40 volt 4OH- (aq)  O2(g) + 2H2O (l) + 4e- Dan reaksi yang kedua adalah reaksi dua mol air terurai menjadi gas oksigen, melepaskan 4 ion H+ dengan tegangan Eo + 1,23 volt, serta mengalirkan elektron ke sumber tegangan. 2H2O(l)  O2(g) + 4H+ (aq) + 4e- Eo = + 1,23 volt e. Ion OH- akan bergabung dengan ion-ion basa mineral termasuk Ca2+, Mg2+, Na+, K+, membentuk air alkali, yaitu yang mengandung NaOH, KOH, Ca(OH)2, atau Mg(OH)2. f. Sementara itu, ion-ion asam, termasuk Cl-, SO42-, NO3- , CO32- akan berkumpul pada kutub positif (anode), dan bergabung dengan ion H-, membentuk air asam, yaitu air yang mengandung HCl, H2SO42-, HNO3- , atau H2CO3. Sementara itu ion H+ dan OH- tersisa bereaksi satu dengan lainnya membentuk molekul air. Proses pembentukan air asam (acidic) dan air alkali (seperti Kangen Water) yang melibatkan ion-ion utama dapat dilihat pada Gambar 2.1.

18 Gambar 2.1 Proses elektrolisis air mineral menghasilkan gas oksigen dan air asam di sisi anode serta gas hidrogen dan air alkali di sisi katode (Henry & Chambron, 2013). Jenis asam lainnya yang mungkin terbentuk dari elektrolisis air mineral adalah asam hipoklorit (HOCl). Persamaan reaksi berikut menunjukkan proses pembentukan asam hipoklorit pada sisi anode. Adanya tambahan NaCl dalam air bertegangan menghasilkan asam klorida (HCl) dan juga HOCl. Berikut beberapa reaksi kimia yang dapat menghasilkan HOCl: Cl- + H2O  HOCl + H+ + 2e- Cl- + OH-  HOCl + 2e- Cl2(g) + 2 H2O  2 HClO(aq) + 2H+ + 2 e− Atom Cl mengalami perubahan bilangan oksidasi dari -1 menjadi 0, artinya Cl mengalami oksidasi dan berperan sebagai reduktor. Atom H mengalami perubahan bilangan oksidasi dari +1 menjadi 0, artinya H+ mengalami reduksi dan berperan sebagai oksidator. Maka zat yang berperan sebagai oksidator pada reaksi 2 NaCl + 2 H₂O → H₂ + Cl₂ + 2 NaOH adalah atom hidrogen.

19 Variasi tegangan listrik elektrolisis cukup berpengaruh terhadap nilai pH. Secara keseluruhan perubahan nilai pH yang terjadi bersifat fluktuatif namun cenderung menurun (Ruslan et al, 2017). Pengaruh variasi tegangan terhadap beberapa parameter air, termasuk TDS, semakin tinggi tegangan yang digunakan pada proses elektrolisis maka kondisi akhir air limbah laundry semakin baik atau mendekati syarat baku mutu air limbah (Laeli N, et al, 2014). Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada elektrolisis air mineral dengan sumber energi matahari, dalam rentang TDS dari nol hingga 2000 ppm, semakin tinggi TDS memberikan produksi gas hidrogen dan oksigen yang lebih baik, dan ketika nilai TDS sama dengan nol tidak menghasilkan produksi sama sekali (S. Abdallah et al, 2013). Air yang dielektrolisis harus memiliki kandungan mineral/TDS minimal sekitar 50 mg/L, dalam ruangan yang terdiri dari anode dan katode yang dipisahkan oleh diafragma/membran semi permeabel (Henry & Chambron, 2013). 2.1.5 Hukum Elektrolisis Faraday dan Efisiensi Arus Hukum Faraday menyatakan bahwa jumlah mol unsur atau molekul yang dihasilkan pada suatu elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah muatan (Q) atau arus listrik (I) yang mengalir dalam waktu tertentu (t). Secara matematis dapat dituliskan dengan persamaan (2.2) (Jumiati et al,2013). Q = I.t (2.2)

20 Dalam reaksi elektrolisis di katode dan anode terjadi reaksi reduksi dan oksidasi dengan persamaan reaksi: L+ + n e- → L dan L → L+ + n e- Untuk menghasilkan atau menguraikan satu mol L diperlukan sejumlah n mol elektron yang sama dengan jumlah muatan (Q) dibagi bilangan faraday (F). Rumusnya dapat ditulis dengan persamaan (2.3) n e- = Q / F (2.3) Jumlah mol zat berbanding lurus dengan jumlah mol e, berbanding lurus dengan perkalian arus dikali waktu i.t. Akan tetapi tidak semua arus tersebut arus tersebut menghasil massa zat sesuai reaksi, selalu ada efisiensi yang lebih kecil dari 100%. Berdasarkan hukum ke-2 elektrolisis faraday, dalam suatu sel elektrolisis terdapat hubungan kuantitatif antara jumlah muatan listrik yang digunakan dengan jumlah reaktan maupun hasil reaksi, oleh Faraday dirumuskan seperti tertulis pada persamaan (2.4): w=eit/F (2.4) dengan w= jumlah gram zat hasil reaksi elektrolisis e= bobot ekivalen zat (berat molekul dibagi bilangan oksidasi atau elektron valensi, jumlah arus listrik i yang digunakan dalam ampere, dan waktu elektrolisis t yang dinyatakan dalam satuan detik. Efisiensi arus dari proses elektrolitik adalah persentase jumlah total listrik yang dikonsumsi, yang digunakan secara efektif untuk reaksi elektrolitik yang

21 diinginkan. Keefektifan reaksi reduksi dan oksidasi, ditandai dengan efisiensi arus elektrolisis. Efisiensi arus ini dapat juga didefinisikan sebagai perbandingan antara massa yang terjadi hasil pengukuran, dengan massa hasil perhitungan secara akibat arus elektrolisis. Massa sebanding dengan jumlah mol yang terbentuk dikalikan dengan berat molekul. Jadi efisiensi arus dapat juga dihitung dari jumlah mol yang terbentuk dari pengukuran, dibagi dengan jumlah perhitungan mol yang seharusnya terbentuk berdasarkan data arus yang terjadi. Dalam bentuk yang lebih sederhana efisiensi arus elektrolisis dapat dinyatakan pada persamaan (2.5): Efisiensi arus = m/M (2.5) m = besar mol hasil percobaan dihitung berdasarkan pengukuran pH, M = besar mol hasil perhitungan karena arus yang terukur. Langkah langkah perhitungan efisiensi pembentukan asam di anode dan basa di katode adalah sebagai berikut. Setelah dilakukan pengukuran arus dan lama/waktu elektrolisis, maka dihitung jumlah muatan, kemudian dihitung jumlah mol dengan cara membagi dengan bilangan faraday (F). Perbandingan jumlah mol elektron dapat dilihat dari persamaan reaksi, tambahan mol H+ sama dengan tambahan mol OH- sama adalah setengah dari tambahan mol elektron. Dari tambahan atau pengurangan pH, kita dapat menghitung jumlah tambahan mol H+ dan OH- , perbandingan tambahan mol H+ (m) dengan tambahan jumlah mol elektron (M) adalah efisiensi pembentukan asam di anode. Dalam hal ini mol yang terbentuk atau terukur dihitung dari perubahan pH yang terjadi.

22 Beberapa penelitian sebelumnya berkaitan dengan efisiensi arus sebagai berikut: Indah Riwayati (2010) mengkaji pengaruh pH, konsentrasi ion Cl-, dan densitas arus terhadap proses elektrolisis ammonia. Pada penelitian ini digunakan air limbah sintetis dengan kandungan amonia 100 ppm yang dielektrolisis dalam modul elektrolisis dengan elektroda Pt/SS. Hasil percobaan menunjukkan bahwa semakin tinggi pH, reaksi lebih cepat dan efisiensi arus semakin tinggi. Efisiensi Faraday tertinggi sebesar 78,4% dicapai pada kondisi pH 12,5, densitas arus 15mA/cm2 dan konsentrasi NaCl 300 ppm. Rentang efisiensi arus pembentukan ozon dari elektrolisis air (3H2O → O3+ 6 H+ + 6e− , E0= 1.511 V) adalah 0,7 - 7%, sangat tergantung pada pengaturan sistem. Efisiensi arus menurun, serendah 2% seiring dengan meningkatnya tegangan dari 6 V menjadi 13 V. Efisiensi awal sebesar 15% dalam 1 jam pertama pengoperasian. (F Okada & K Naya.2012). Eni Y & Indra N (2016) mengkaji elektrolisis larutan CuSO4.5H2O dalam asam diperoleh endapan Cu di katoda dan gas O2 di anode, pada elektrolisis campuran Na2S2O3.5H2O dan KI dihasilkan I2 di anode dan gas H2 di katode, dan pada elektrolisis larutan NaCl dihasilkan OH- di katode. Efisiensi tertinggi pada elektrolisis CuSO4.5H2O dalam asam adalah 99,22%, pada campuran Na2S2O3.5H2O dan KI adalah 94,78 %. Hasil elektrolisis secara umum sudah dapat menggambarkan hukum Faraday 1.

23 2.1.6 Persamaan Nernst dan Diagram Pourbaix Persamaan Nernst diturunkan dari tegangan sel standar termodinamika, dapat diperoleh dari perhitungan energi bebas gibbs dalam keadaan standar ΔG° (2.6) ΔG° = -nFE° (2.6) n adalah jumlah elektron yang mengalir dalam reaksi, F adalah konstanta Faraday. Eo= beda potensial dalam keadaan standar (Eo= Eo reduksi - Eo oksidasi), jika Eo positif, maka ΔG ° negatif, reaksinya spontan, dan jika Eo negatif, maka ΔG° positif, reaksinya tidak spontan. Kita dapat menghitung tegangan tidak standar dengan menggunakan persamaan (2.7) dan (2.8). Konstanta (2,3 RT/nF) merupakan gradien Nernst (GN) yang berubah terhadap temperatur, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.3. yang diperoleh dengan memasukkan nilai-nilai konstanta R, F dalam satu mol dan temperatur mulai dari 0oC sampai 50oC. Nilai 1/GN dengan satuan pH/V ditampilkan dalam tabel. Nilai ini berguna untuk membuat coding program persamaan sensor pH. E = Eo - (RT/nF) ln [H+] (2.7) E = Eo - (2,3 RT/nF) log [H+] (2.8)

24 Tabel 2.3 Nilai gradien Nernst (GN) dan nilai 1/GN pada temperatur 25-50 °C untuk elektrode yang ideal (Ashton & Geary, 2011). Temperatur Gradien Nernst (1/GN) (°C) (V/pH) (pH/V) 0,0592 25 0,0602 16,9 30 0,0621 16,63 40 0,0641 16,09 50 15,6 Diagram Pourbaix, adalah diagram atau grafik tegangan standar terhadap pH, yang memetakan keadaan fasa dari suatu larutan. Diagram ini dibatasi oleh garis- garis persamaan Nernst, yang menunjukkan batas-batas ion dominan dari reaksi redoks. Dengan menggunakan persamaan Nernst, pada suhu dan tekanan standar, daerah air asam berada pada batas-batas tegangan E0 = 0 volt dan E0 = 1,23 volt pada pH = 0. Daerah air basa dibatasi oleh tegangan E0 = 0,41-volt dan E0 = - 0,83 volt pada pH sama dengan 14. Gambar 2.2 menunjukkan diagram Pourbaix untuk elektrolisis air yang dapat membentuk gas hidrogen, gas oksigen, air asam dan air alkali dalam keadaan standar. Persamaan garis E = - 0,0591 pH menunjukkan garis stabilitas air, di bawah garis tersebut air mudah terurai menjadi gas hidrogen, Dengan kenaikan tegangan sebesar E =1,23 volt, garis batas stabilitas air menjadi E = 1,23V- 0,0591 pH. Di atas persamaan garis tersebut air akan teroksidasi untuk membentuk gas oksigen.

25 Gambar 2.2 Diagram Pourbaix untuk elektrolisis air keadaan standar, ada empat bagian yang beririsan dengan daerah anode, katode, asam dan basa (P R. Roberge,2019). Diagram Pourbaix adalah diagram tegangan (Eh) terhadap pH menggambarkan stabilitas elektrokimia air dengan tiga unsur penting, yaitu: hidrogen, oksigen dan elektron, Eh merepresentasikan tegangan oksidasi-reduksi berdasarkan tegangan hidrogen standar, sedangkan pH mewakili aktivitas ion hidrogen (Huang & H-H, 2016). Perubahan fasa cair, gas, dan ion -ion asam dan basa dapat dilihat dengan jelas dengan persamaan-persamaan garis yang memisahkan anode dengan katode, reaksi reduksi dan oksidasi serta pH asam dan basa. 2.1.7 Diagram Piper Diagram piper adalah representasi grafis kimia suatu sampel air. Diagram ini menampilkan jumlah persentase ion-ion utama yang terdapat air. Ion-ion positif (kation) terdiri dari Na+, K+, Ca2+, dan Mg2+. Ion-ion negatif terdiri (anion) dari Cl-, CO3- / HCO3- , dan SO42- Kation dan anion ditunjukkan oleh plot segitiga

26 sama sisi yang terpisah. kombinasi kedua segitiga itu diproyeksikan menjadi daerah di bagian tengah yang berbentuk berlian, dapat dilihat pada Gambar 2.3. Segitiga berlian pada bagian atasnya menghasilkan daerah 1 (5+9+6) daerah ion alkali tanah lebih dominan dari alkali, daerah 2 (8+9+7) daerah alkali lebih dominan dari alkali tanah, daerah 3 (5+9+6) daerah ion asam lemah lebih dominan dari asam kuat, daerah 4 (5+9+6) daerah asam kuat lebih lebih dominan dari asam lemah, pada segitiga kation terdiri A: dominan kalsium; B: Tidak ada tipe dominan; C: dominan magnesium; D: dominan natrium dan kalium; Bagian segitiga anion dapat dibagi menjadi daerah E: dominan bikarbonat; F: dominan sulfat; G: dominan klorida; H : tidak ada yang dominan. Daerah 5: Jenis magnesium/kalsium bikarbonat; daerah 6: Jenis kalsium/magnesium klorida; daerah 7: Jenis natrium klorida; daerah 8: Jenis natrium bikarbonat; dan daerah 9: Tipe campuran. Gambar 2.3 Diagram piper komposisi ion-ion utama dalam air Kation A: dominan kalsium; B: Tidak ada tipe dominan;C: dominan magnesium; D: dominan natrium-kalium; Anion dapat dibagi menjadi daerah E: dominan bikarbonat; F: dominan sulfat; G: dominan klorida; H : tidak ada yang dominan.

27 Diagram piper dibuat dengan jalan mengetahui persentase komposisi ion-ion di sisi anode dan katode. Ion-ion yang utama membentuk air alkali dan air asam dapat dilihat juga pada diagram piper. Penelitian komposisi ion-ion pada air minum kemasan botol, ditemukan beberapa unsur utama Na+, Mg2+, K+, Ca2+, Cl- serta ion poliatomik seperti NO32-, SO42- dengan konsentrasi yang bervariasi (Azrina et al,2012). Penentuan analisis kimia menggunakan metode diagram piper, memperlihatkan karakteristik kimia air tanah di daerah Cibiru-Cileunyi memiliki komposisi Ca: HCO3, Ca. Mg: HCO3, Mg: HCO3 (Kholqi et al, 2018). 2.1.8 Penelitian Energi Modul Sel Surya (MSS) Modul Sel Surya (MSS) adalah kumpulan sel surya yang disambungkan secara seri dan, atau paralel. Beberapa MSS dapat dihubungkan membentuk suatu susunan baru, susunan itu disebut panel surya (Klaus J et al, 2014). Gambar 2.4. menunjukkan sel surya, MSS, dan panel surya. Sinar matahari yang mengenai MSS dapat menghasilkan tegangan DC. Tegangan DC tersebut dapat dimanfaatkan langsung ke beban listrik, atau tidak langsung dengan cara dengan cara menyimpan energinya melalui baterai. Penggunaan langsung (tanpa baterai) dapat dilakukan sendiri, atau bersama On-grid dengan jala-jala PLN (Dewi P.S et al, 2018).

28 Gambar 2.4 Kumpulan sel surya membentuk modul dan panel (Rachmi A et al, 2020). Salah satu penelitian kemampuan MSS dalam menyerap energi matahari di Indonesia seperti terlihat pada Tabel 2.4. Data pengujian menunjukkan bahwa intensitas tertinggi sebesar 19870 lux terjadi pada pukul 12.00. MSS 10 Wp mampu menghasilkan tegangan 17,56 volt dan arus 0,70 ampere dengan daya 12,29 watt. Pukul 11.00-13.00 merupakan waktu terbaik karena menghasilkan intensitas cahaya tertinggi, pada pukul tersebut dijadikan patokan untuk percobaan dan pengukuran elektrolisis air yang dapat menghasilkan air asam dan air alkali. Tabel 2.4 Data temperatur, tingkat penerangan, tegangan, arus dan daya MSS 10 Wp pada pukul 10.00 pagi hingga pukul 15.00 sore. (Subandi et al,2014). Pukul Temp Terang Tegangan Arus Daya (0C) (lux) (volt) (A) (watt) 10.00 16340 17,59 0,35 6,157 11.00 33 17250 17,01 0,12 2,041 12.00 34 19870 17,56 0,70 12,29 13.00 37,8 18760 17,46 0,67 11,69 14.00 37,6 16560 13,57 0,35 4,749 15.00 37 15640 16,08 0,30 4,824 33,8

29 Salah satu percobaan sistem elektrolisis air dengan MSS, dilakukan di Laboratorium Pusat Penelitian Energi Gurun (Kairo, Mesir) untuk tujuan produksi hidrogen. Gambar 2.5 menunjukkan sistem elektrolisis air yang terdiri atas MSS 8Wp; dan instrumen pengukuran. Proses elektrolisis air menggunakan MSS dioperasikan selama satu hari di musim panas (26/9/2016) pada pukul 08.00 pagi sampai 03.00 sore. Electrolyzer atau alat elektrolisis terdiri dari kotak plexiglas dengan ukuran 15x5x20cm3, seperti yang ditunjukkan pada gambar, kotak tersebut dibagi menjadi dua ruang yang sama untuk memisahkan gas hidrogen dengan gas oksigen yang dihasilkan. Grafit dan Stainless Steel (SS 316L) digunakan sebagai elektrode, berdiameter 6 mm dan tinggi bervariasi 25 mm sampai 40 mm. Kedua elektrode dibenamkan ke dalam elektrolit dan dipasang pada permukaan ruang dengan menggunakan sumbat karet. Gambar 2.5 Sistem elektrolisis air dengan catu daya dari modul sel surya (El- Sayed et al, 2017).

30 Larutan kalium hidroksida (KOH) dengan konsentrasi yang berbeda digunakan sebagai elektrolit karena sifatnya konduktivitas yang lebih tinggi, konduksi ionik meningkat disebabkan oleh terurainya ion hidroksida (OH-) dan ion kalium (K+), produksi hidrogen maksimum kecepatan (3,0 mL / menit) diperoleh pada siang hari. Hasil dari percobaan diperoleh bahwa arus keluaran maksimum 0, 35 ampere pada pukul 11.00 seperti terlihat pada grafik Gambar 2.6 yang menunjukkan variasi arus keluaran MSS dengan waktu lokal (El-Sayed et al, 2017). Gambar 2.6 Grafik arus elektrolisis terhadap waktu setempat, pada pukul 11 pagi arus maksimum sebesar 0,35 A (El-Sayed et al,2017). Elektrode yang digunakan pada penelitian ini terbuat dari bahan karbon dan Stainless Steel (SS 316L). Karbon merupakan jenis elektrode inert, tidak mudah bereaksi dengan unsur lain. Selain karbon yang termasuk elektrode inert adalah emas dan platina. Elektrode inert umumnya memiliki energi ionisasi lebih besar dari jenis elektrode lainnya. Elektrode inert memiliki keelektronegatifan yang lebih besar dari jenis elektrode lainnya. Energi ionisasi adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari atom atau ion dalam bentuk gas. Elektronegatifitas atau keelektronegatifan adalah kemampuan sebuah atom untuk

31 menarik elektron-elektron melalui ikatan kovalen. Semakin kuat gaya tarik antara elektron semakin tinggi nilainya. Nilai elektronegativitas tidak berdimensi, menggunakan skala Pauling yang berkisar dari 0,7 sampai 4,0. Nilai skala Pauling adalah nilai relatif terhadap elektronegatifitas hidrogen (2,20). Tabel 2.5 menunjukan energi ionisasi, afinitas elektron (kJ /mol) dan keelektronegatifan beberapa unsur yang sering dijadikan bahan elektrode seperti C, Au, Pt, Ag, Fe, Al, Zn, dan Cu. Tabel 2.5 Energi ionisasi (kJ/mol) dan keelektronegatifan unsur C, Au, Pt, Ag, Fe, Al, Zn, dan Cu (Brady et al, 2012). Nama Unsur Energi ionisasi Keelektronegatifan (kJ/mol) (skala pauling) Karbon C 1086,5 2,55 Emas Au 890,1 2,54 Platina Pt 870 2,28 Seng Zn 906,4 1,65 Besi Fe 762,5 1,83 Perak Ag 731,0 1,93 Tembaga Cu 745,5 1,90 Alumunium Al 577,5 1,61 Stainless steel (SS) atau baja tahan karat, juga sering digunakan sebagai elektrode pada elektrolisis. Mereka memiliki struktur mikro kristal kubik berpusat muka. Struktur mikro ini dicapai dengan paduan baja dengan nikel dan/atau mangan dan nitrogen yang cukup untuk mempertahankan struktur mikro. Baja tahan karat dibagi dua jenis, seri 200 dan seri 300. Seri 200 adalah paduan kromium-mangan-nikel dengan memaksimalkan penggunaan mangan dan nitrogen dan meminimalkan penggunaan nikel. Tipe 201 dapat dikeraskan melalui pengerjaan dingin, tipe 202 adalah baja tahan karat serba

32 guna. Penurunan kandungan nikel dan peningkatan hasil mangan dalam ketahanan korosi. Seri 300 adalah paduan kromium-nikel. Seri 300 merupakan kelompok terbesar dan paling banyak digunakan. Versi rendah karbon, seperti 316L atau 304L, memiliki kandungan karbon di bawah 0,03% dan digunakan untuk menghindari masalah korosi. Kelas yang paling terkenal adalah Tipe 304, juga dikenal sebagai 18/8 dan 18/10 karena komposisinya masing-masing 18% kromium dan 8% atau 10% nikel. Baja tahan karat kedua yang paling umum adalah Tipe 316. Penambahan 2% molibdenum memberikan ketahanan yang lebih besar terhadap asam dan korosi lokal yang disebabkan oleh ion klorida. 2.1.9 Teori Regresi Regresi adalah metode statistika yang digunakan untuk memprediksi variabel dependen dari sekumpulan data variabel independen. Secara matematis, regresi menggunakan fungsi linier dapat ditulis dengan persamaan garis (2.9), (2.10),dan (2.11). Persamaan sebenarnya: y =  + Bx +  (2.9) Persamaan prediksi/penaksir: ŷ =  + βx (2.10) Persamaan regresi: y=ŷ+ (2.11) Gambar 2.7 menunjukkan grafik persamaan garis prediksi sampel ŷ = + x, dengan pendekatan ordinary least square (OLS) diperoleh nilai

33 SST = sum square total, SSR = sum square regression; dan SSE = sum square error. Nilai dan  dapat dihitung dengan persamaan (2.12) dan (2.13). Gambar 2.7 Grafik persamaan garis prediksi sampel ŷ = + x, SST = sum square total, SSR = sum square regression; SSE = sum square error (Anthony Hayter.2012). y: variabel terikat (dependent) x: variabel bebas (independent) : error atau kesalahan atau residu = koefisien regresi atau kemiringan = intercept atau titik potong dengan sumbu Y ӯ = nilai rata-rata y; x = nilai rata-rata x; n = jumlah data. = Σ(xi - x)(yi - ӯ)/ Σ(xi - x)² = (nΣxi .yi - Σxi.Σyi )/ (nΣxi² - Σxi²) (2.12)  = ӯ – b.x = (Σyi Σxi² - Σ (xi Σyi )/ (nΣxi² - Σxi²) (2.13)