Naskah Disertasi Ekki_Kurniawan (revisi25012022)

34 SST dipartisi menjadi SSR dan SSE. Rumus untuk menghitung SST, SSR dan SSE dapat ditulis dengan persamaan (2.14),(2.15), dan (2.16). SST = ∑ (yi - ӯ) 2 (2.14) SSR = ∑ (ŷ - ӯ)2 (2.15) SSE = ∑ (yi - ŷ)2 (2.16) Koefisien Determinasi (R2) Koefisien determinasi menunjukkan besarnya keragaman variabel terikat yang dapat dijelaskan oleh variabel bebas. Besar nya adalah satu dikurangi dengan kuadrat selisih adalah nilai y riil dengan nilai ŷ prediksi kuadrat dibagi selisih nilai y riil dengan nilai y rata-rata dapat dihitung dengan persamaan (2.17) atau (2.18): R2 = 1- (∑ (y - ŷ) 2/∑ (y -ӯ) 2) (2.17) R2 = SSR/SST = SST/ (SST-SSE) (2.18) R² yang Disesuaikan (R2adj) Masalah dengan R² adalah akan terus meningkat saat menambah jumlah variabel, Untuk mengatasinya, digunakan R² yang disesuaikan yang tidak bertambah (tetap sama atau menurun) kecuali variabel yang baru ditambahkan benar-benar berguna. Formula koefisien determinasi yang dikoreksi (R2 adj) tertera pada persamaan (2.19) :

35 R2 adj = R2 - P(1 - R2)/(n-P-1) (2.19) P = jumlah variabel bebas n = ukuran sampel R2 = koefisien determinasi Koefisien Korelasi (r) Koefisien korelasi adalah ukuran keeratan antara dua variabel dapat dihitung dengan persamaan (2.20): √( )( ) (2.20) Keterangan: Koefisiensi korelasi antara variabel x dan variabel y = nilai rata-rata variabel x ӯ = nilai rata-rata variabel y jumlah perkalian deviasi x dengan deviasi y kuadrat dari deviasi x kuadrat dari deviasi y Standar Error Estimasi (M.A. Ghofur. 2019) Standar error estimasi atau kesalahan baku pendugaan adalah ukuran terhadap pancaran nilai-nilai pengamatan di sekitar garis regresi. Se = kesalahan baku estimasi. Merupakan ukuran ketepatan pendugaan yang dapat dikalkulasikan dengan persamaan (2.21) atau (2.22):

36 √( ) (2.21) √( ) (2.22) Standar Error Koefisien Regresi Standar Error Koefisien Regresi untuk mengukur besarnya penyimpangan dari masing masing koefisien regresi. Semakin rendah kesalahan bakunya, semakin berperan variabel tersebut dalam model dan sebaliknya. Jika model estimasi: y = x  Kesalahan baku koefisien regresiSb dapat dihitung persamaan (2.23): √ (2.23) Sb = kesalahan baku koefisien regresi Se = kesalahan baku estimasi n = jumlah data atau ukuran sampel k = jumlah variabel bebas + 1 Uji t (Parulian,2020) Uji Partial Nilai t hitung digunakan untuk menguji apakah variabel bebas berpengaruh secara signifikan terhadap variabel terikat, secara parsial.Nilai t dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.24) :

37 t = b/Sb (2.24) t tabel diperoleh dari tabel t yaitu t α, (n-k) b = koefisien regresi b. Sb = kesalahan baku koefisien regresi. Merumuskan hipotesis a) H0, bi = 0, artinya variabel bebas secara parsial tidak memberikan pengaruh signifikan terhadap variabel terikat b) H1, bi ≠0, variabel bebas secara parsial memberikan pengaruh signifikan terhadap variabel terikat Menetapkan besarnya level of significance. Mengambil Keputusan (dengan nilai signifikansi p) 1. Jika nilai signifikansi p > dari pada 0,05, maka H0 diterima dan H1 ditolak. 2. Jika nilai signifikansi p < daripada 0,05, maka H0 ditolak dan H1 diterima. Uji F / Uji Global Nilai F hitung digunakan untuk menguji apakah model fit (tepat) atau tidak, sehingga nilai F disebut ukuran goodness of fit. uji F digunakan untuk menguji signifikan tidaknya pengaruh variabel bebas secara simultan terhadap variabel terikat. Nilai F hitung dapat diperoleh dengan rumus (2.25). Jika nilai F hitung > F tabel, maka disimpulkan bahwa model persamaan regresi yang terbentuk, masuk kriteria cocok atau fit. (2.25)

38 k = jumlah variabel bebas + 1 langkah-langkah yaitu merumuskan hipotesis,menetapkan besarnya nilai level of significance (p) yaitu sebesar 0,05 dan mengambil keputusan (dengan nilai signifikansi F) : 1) Jika nilai signifikansi > dari pada 0,05, maka H0 diterima dan H1 ditolak 2) Jika nilai signifikansi < daripada 0,05, maka H0 ditolak dan H1 diterima Asumsi Klasik (Ghozali,2016) Dalam melakukan analisis regresi berganda, ada beberapa asumsi yang harus dipenuhi. Asumsi klasik terdiri dari uji normalitas, uji multikolinearitas, uji heteroskedastisitas dan uji autokorelasi. Uji normalitas dilakukan untuk menguji apakah data-data variabelnya berdistribusi normal atau tidak normal. Apabila variabelnya tidak berdistribusi secara normal, maka hasil uji statistik akan mengalami penurunan. Uji multikolinearitas bertujuan untuk mengetahui apakah ditemukan adanya korelasi antar variabel independen, jika ada multikolinear maka kesalahan baku besar, akibatnya pada koefisien uji t, nilai t-hitung akan lebih kecil dari t-tabel. Uji Heteroskedastisitas bertujuan mengetahui apakah terjadi ketidaksesuaian varian dari residual. Apabila varian berbeda, disebut heteroskedastisitas. Uji Autokorelasi muncul karena pengambilan data yang berurutan sepanjang waktu yang berkaitan satu sama lainnya, residual tidak bebas pada satu observasi ke observasi lainnya. Regresi yang baik adalah yang bebas dari autokorelasi. Untuk mendeteksi terdapat atau tidaknya autokorelasi adalah dengan melakukan

39 uji Run Test. Run test merupakan bagian dari statistik non-parametrik yang dapat digunakan untuk melakukan pengujian autokorelasi. Jika antar residual tidak terdapat hubungan korelasi, dapat dikatakan bahwa residual bersifat random. Dengan hipotesis sebagai dasar pengambilan keputusan adalah sebagai berikut: Jika Asymp. Sig. (2-tailed) < 5% maka H0 ditolak dan Ha diterima, data residual bersifat sistematis (tidak random). Jika Asymp. Sig. (2-tailed) > 5% maka H0 diterima dan Ha ditolak, data residual bersifat random. 2.1.10 Paten Peralatan Elektrolisis Air Mineral Peralatan elektrolisis air yang menghasilkan air alkali dan air asam sudah dipatenkan oleh beberapa peneliti dari luar negeri diantaranya sebagai berikut:  Paten Amerika, No US 2004/0168933 A1 Tahun 2004, dengan judul: Method And Apparatus For Producing Electrolyzed Water.  Patent Amerika, No.US 6855233 B2 Tahun 2005, dengan judul Apparatus for Production of Strong Alkali and Acid.  Paten China, No. Cn203668076u , Tahun 2014, judul : Portable Water Ionizer

40 Gambar 2.8 Peralatan elektrolisis portabel paten China (Zhang, 2014).  Paten Mesin elektrolisis portabel Gambar 2.8 menjelaskan paten dari alat elektrolisis portabel, mesin air merupakan elektrolisis portabel, untuk menghasilkan air alkali terionisasi. Alat terdiri dari cangkir luar (1) dan dilapisi pada wadah bagian dalam (2) untuk menampung air mineral dan ketika air dielektrolisis sebagai katode, antara cangkir yang di luar (1) dan wadah dalam (2), dibentuk seperti pada gambar bagian (210); Unit adsorpsi (4) dari ion asam yang difiksasi pada anode (3) pada wadah bagian dalam. Tegangan catu daya elektrolisis disediakan di bagian bawah (5). Kartu rangkaian listrik untuk catu daya (6), saluran masuk pengisian (7) yang terhubung secara elektrik ke rangkain pengatur laju muatan melalui sebuah lubang saluran masuk pengisian (7) lalu ke lubang terbuka. Dengan daya sekitar 5 watt, kapasitas cangkir (1) kurang dari atau sama dengan 350 mL.

41 Gambar 2.9 Metode untuk produksi air elektrolisis (Takao Inoue, 2004).  Paten metode untuk produksi air elektrolisis Gambar 2.9 menjelaskan metode elektrolisis, terdiri dari alat sel elektrolisis (1) yang memproduksi air asam dan basa dengan menggunakan membran penukar anion (2) yang memisahkan dua ruang (11) dan (12). Masing-masing elektrode (3) dan (4) dapat dihubungan secara bergantian positif atau negatif. Saklar penukar (5) mengubah polaritas masing-masing elektrode pada interval waktu yang ditentukan sebelumnya. Pertukaran elektrode ini dapat meningkatkan efisiensi perawatan karena dapat membersihkan membran penukar anion secara otomatis. Air dimasukkan melalui lubang (6) kemudian menghasilkan air asam dikeluarkan melalui keran disimpan dalam wadah (7). Air alkali disimpan dalam wadah (8) yang dialirkan sebelumnya melalui katup (9). Larutan elektrolit dapat berupa air garam. Untuk terus memasok air asam, konsentrasi klorin yang diperlukan ditentukan pada nilai tertentu, berkisar dari 30 ke 200 ppm. Produk utamanya adalah air asam untuk

42 pembasmi kuman (disinfectant) dan nilai pH yang dihasilkan sebesar 2,5. (Takao Inoue,2004).  Paten proses pembuatan air minum alkali tipe kontinu Gambar 2.10 Proses pembuatan air minum alkali tipe kontinu (Sawada et al,2005). Paten pada Gambar 2.10 menjelaskan suatu alat elektroliser tipe kontinu (1) untuk memproduksi air alkali dan air asam. Ada ruang penghasil air asam (3) dan ruang penghasil air alkali kuat (4) dengan membran pemisah (2). Sebuah pelat anode (5) disusun dalam ruang penghasil air asam (3) dan pelat katode (6) disusun dalam ruang penghasil air alkali (4). Bahan mentah masuk pada (7) dan lubang keluaran (9 ) digunakan untuk mengalirkan air asam yang dihasilkan dalam bilik. Lubang masukan (8) untuk memasukkan air bahan baku ke dalam ruang dan saluran pembuangan (10) untuk air alkali yang dihasilkan dalam ruangan. Pengatur jarak (14) dan (15) untuk mempertahankan jarak celah 0,1 - 1 mm antara membran (2) dan pelat anode (5) dan antara membran pemisah (2) dan pelat katode (6). Pelat katode (6) dihubungkan ke sumber listrik (13) melalui terminal katode (12) dan pelat anode (5) melalui terminal anode (11).

43 Pipa (24) dilambangkan dengan garis putus-putus adalah pipa yang disediakan untuk memasok air bahan baku melalui alat penyaring (18), dan selanjutnya masuk pada wadah air bahan baku (19). Bagian dalam wadah pemasok elektrolit (17) diisi dengan aditif padat atau berbentuk pelet. Air alkali yang dihasilkan pada ruang (4a, 4b, 4c) dialirkan melalui outlet elektrolisis (10a, 10b, 10c) dari masing- masing unit. Elektrolisis dilakukan di bawah kondisi tegangan 10 volt dan arus 15 ampere, secara kontinu 40 liter dan diperoleh air alkali kuat yang memiliki pH 11,50 (Sawada et al, US Patent, 2005). Alat elektrolisis tipe batch dengan sistem pengukuran otomatis menggunakan mikrokontroler pernah dibuat oleh Setyadi dan kawan kawan, seperti terlihat pada Gambar 2.11 Alat ini menggunakan sumber tegangan AC 220 volt kemudian diserahkan dengan rectifier menghasilkan tegangan DC. Waktu yang diperlukan untuk proses elektrolisis sekitar 6-8 jam. Tegangan DC yang lebih kecil juga digunakan untuk mencatu sistem mikrokontroler dan namun sensor pH yang dipakai memiliki sensitifitasnya masih rendah (Setyadi et al, 2018). Gambar 2.11 Peralatan sistem instrumentasi pembuatan air alkali dan air asam dengan mikrokontroler arduino dan LCD (Setyadi et al,2018).

44 2.1.11 Ringkasan Penelitian Elektrolisis Air Tinjauan pustaka bibliometrik ditujukan untuk menganalisis secara statistik dan kuantitatif atas studi atau penelitian yang telah diterbitkan dalam bentuk paper, jurnal, atau publikasi lainnya yang sudah disitasi dan berfokus pada struktur artikel yang masuk ke dalam referensi. Tabel 2.6 menunjukkan bibliometrik yang berkaitan dengan penelitian air alkali dan air asam, pada tahun pencarian 2015-2021. Tabel ini didapat dengan menggunakan aplikasi perangkat lunak Harzing’s publish or perish. Aplikasi ini dapat mencari jumlah sitasi, h- index, h_coverage, dan lain-lain. Ada tiga jenis query pencarian pada keywords yaitu: air alkali air asam, air alkali air asam elektrolisis energi surya, dan acid water alkaline electrolyzed medicine potential TDS. Tabel 2.6 Bibliometrik yang berkaitan dengan penelitian air alkali dan air asam dengan sumber Google Scholar, tahun pencarian 2015-2021. Query keywords air alkali air air alkali air asam acid water alkaline asam elektrolisis energi electrolyzed medicine Papers Citations 20 surya potential TDS 14 50 79 Years 5 109 865 Cites_Year 2,80 Cites_Paper 0,70 6 6 Cites_Author 5,83 Papers_Author 10,83 18,17 144,17 Authors_Paper 2,30 3 2,18 10,95 h_index 4,18 AWCR 1,16 98,50 313,23 Cites_Author_Year 0,40 hI_annual 71,4 33,78 46,81 h_coverage 1 1,92 2,59 hA 5 11 32,57 257,95 16,41 52,20 0,67 1,00 83,5 92,0 3 5

45 Tabel 2.7 menunjukkan ringkasan dari beberapa paper, jurnal, dan paten yang berkaitan dengan elektrolisis air. Jurnal dan prosiding nasional maupun internasional terdiri Jurnal Ilmiah Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (Sainmatika), Jurnal Neutrino, Jurnal Ilmiah Go Infotech, Prosiding Seminar Nasional, Journal Electrochemistry Society, Journal Water, International Journal of Thermal & Environmental Engineering, Paten terdiri dari paten Amerika tentang Apparatus For Production Of Strong Alkali and Acid, Method and apparatus for producing electrolyzed water, dan paten China tentang Portable Water Ionizer. Tabel 2.7 Ringkasan beberapa jurnal, prosiding, dan paten yang berkaitan penelitian disertasi pembuatan air alkali dan asam dengan elektrolisis air. No Nama Judul, author, tahun Hasil 1. Jurnal Ilmiah Parameter Fisika, Kimia Dan Pengujian kualitas sampel air Matematika dan Bakteriologi Air Minum Alkali minum beralkali terionisasi Ilmu Pengetahuan Terionisasi Yang Diproduksi mesin Kangen Water Tipe Alam Sainmatika p- Mesin Kangen Water LeveLuk LeveLuk SD 501 berdasarkan ISSN 1829 586X 67 SD 501 parameter fisik kimia dan (Ita & dian, 2019) biologi memenuhi No.492/Menkes/Per/IV/2010. 2 Prosiding Seminar Pengolahan Air Minum Alkali Menjelaskan proses perubahan Hasil Pengabdian Berbasis Rumah Tangga air minum biasa menjadi air Masyarakat (Patabang & Leda,2018) basa dan asam secara (SNP2M) elektrolisis selama 4 jam diperoleh air alkali dengan pH 7,6 sampai 9,5. 3 Water 5(4), 2094- Physico-Chemical, Menjelaskan cara membuat air 2115; Biological and Therapeutic alkali dan asam dengan https://doi.org/10.33 Characteristics of Electrolyzed elektrolisis dan adanya bahan 90/w5042094 Reduced Alkaline Water (ERAW) aktif gas hidrogen terlarut yang (Henry & Chambron,2013) dapat menghilangkan radikal bebas. 4 The Scientific World Evaluation of Minerals Content Penelitian dengan alat Journal. of Drinking Water in Malaysia spektroskopi serapan atom doi.org/10.1100/201 (Azrina et al,2012) pada air minum kemasan,

46 2/403574 ditemukan beberapa unsur utama Na+ , Mg2+ , K + , Ca2+, Cl- , NO32- , SO4 2- dengan konsentrasi yang bervariasi. 5 Prosiding Seminar Elektrolisis Untuk Produksi Air Energi yang diperlukan untuk Nasional Kimia Alkali dan Asam dengan Sumber elektrolisis 7-liter air mineral UIN SG Bandung Energi Modul Sel Surya pada tegangan 120 volt, arus ISSN 978-602- (Kurniawan et al, 2018) rata-rata 7 mA, daya 0,84-watt 53770-0-6 selama 6 jam adalah 5,04 Wh atau 181,44 kJ setara 0,784 Kkal/Mol. 6 Jurnal Teknik Elektrode Karbon dengan Variasi Variasi tegangan dan waktu Lingkungan, Vol. 6 Tegangan Listrik dan Waktu proses elektrolisis cukup http://ejournals1.un Elektrolisis dalam Penurunan berpengaruh terhadap nilai pH. dip.ac.id/index.php/t Konsentrasi TSS dan COD pada Secara keseluruhan perubahan lingkungan Pengolahan Air Limbah nilai pH yang terjadi bersifat Domestik, fluktuatif. (Ruslan et al, 2017) 7 Int. Journal of An Investigation into the Elektrolisis memerlukan energi Electrochemical Electrical Impedance of Water yang cukup besar. Usaha-usaha Science, No. 7 3466 Electrolysis Cells with a View to untuk mengatur frekuensi – 3475 Saving Energy, tegangan sel elektrolisis (Mazloomi et al, 2012) diperlukan untuk mencapai besar arus yang optimal. 8 Int.Journal of Performance Study of Proses elektrolisis air Thermal & Photovoltaic-Water Electrolysis menggunakan MSS Environmental System for Hydrogen dioperasikan selama satu hari Engineering, Production: A Case Study of di musim panas variasi arus Volume 15, No. 2, Egypt keluaran MSS dengan waktu 129-133 (El-Sayed et al, 2017) lokal. Arus keluaran maksimum 0, 35 A. 9 Jurnal Ilmiah Go Rancang Bangun Alat Penghasil Elektrolisis air mineral dengan Infotech, Volume 21 air Alkali Sebagai Pengobatan bantuan modul sel surya No.2. STMIK AUB Alternatif Berbasis sebagai penghasil air alkali dan Surakarta. Mikrokontroler. gas hidrogen dipandang (Setyadi et al 2018) sebagai teknologi yang lebih sederhana 10 Pros.Seminar Perilaku Sel Elektrolisis Air Proses elektrolisis air Nasional. dengan Elektrode Stainless Steel. berlangsung sangat lambat, ISBN: 978-979- (Isana S. 2010) perlu diupayakan modifikasi 98117-7-6. FMIPA elektrolisis air , meliputi UNY. penambahan zat terlarut yang bersifat elektrolit, modifikasi elektrode atau cara lain. 11 Patent US.2005. Apparatus For Production Of Elektrolisis dilakukan di bawah No. 6855233 B2. Strong Alkali and Acid, kondisi tegangan 10V dan arus (Sawada et al2005) 15 A, elektrolisis menghasilkan

47 alkali kuat dapat memiliki pH 11,50. 12 Patent US.2004. Method and apparatus for Paten ini menjelaskan suatu No.0168933A1 producing electrolyzed water metode dan suatu alat sel (Takao et al2004) elektrolisis. Produk utama adalah air asam untuk pembasmi kuman disinfectant, dengan konsentrasi klorin dari 30 ke 200 ppm, nilai pH sekitar 2,5. Gambar 2.12 menunjukkan hasil analisis aplikasi Vosviewer, memetakan data riset dengan Publish or Perish dan Mendeley. Gambar ini menjelaskan tentang state of the art atau pencapaian keadaan kekikini mengenai proses penelitian yang berkaitan dengan elektrolisis air. Ada satu klaster yang menghubungkan tiga item yakni water, effect dan electrolyzed water. Hal ini menjelaskan bahwa penelitian yang berkaitan dengan variabel yang ada dalam yang berhubungan air serta efek atau pengaruh-pengaruh pada elektrolisis air akan memberikan kebaruan. Gambar 2.12 Hasil analisis aplikasi Vosviewer, memetakan data riset pada aplikasi Publish or Perish dan Mendeley.

48 2.2 Kerangka Pemikiran Air minum yang mengandung mineral dapat diproses menghasilkan air alkali dan air alkali. Air alkali dan air asam memiliki manfaat yang banyak buat kesehatan. Salah satu cara membuatnya adalah dengan elektrolisis. Selama ini elektrolisis air dianggap hanya memproduksi gas hidrogen dan oksigen. Padahal jika dilihat dari persamaan reaksinya, elektrolisis air juga menghasilkan ion hidrogen dan ion hidroksida. Pada air minum ditemukan beberapa unsur mineral utama Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, NO3- , dan SO42- dengan konsentrasi yang bervariasi (Azrina et al,2012). Ion-ion yang paling bepengaruh menentukan pH karena dapat membentuk asam dan basa kuat. Ion hidroksida berpotensi menghasilkan air alkali jika berikatan dengan kation mineral, sedangkan ion hidrogen berpotensi menghasilkan air asam jika berikatan dengan anion mineral. Keberadaan kation-anion mineral sangat penting untuk menghasilkan air alkali dan air asam yang berkhasiat. Agar kation dan anion ini membentuk air alkali dan air asam maka diperlukan membran pemisah. Makin luas membran pemisahnya maka reaksi akan semakin cepat. Mekanisme pembentukan air alkali dan air asam melalui elektrolisis ini penting untuk dikaji, untuk memastikan terbentuk air alkali dan air asam yang diinginkan. Penelitian ini penting dilakukan mengingat tidak semua jenis air minum yang ada di masyarakat dapat menghasilkan air alkali dan air asam. Air hasil destilasi, tidak mengandung mineral. Nilai hasil destilasi juga disebut air murni dengan nilai TDS

49 =0. Air jenis ini jika dielektrolisis tidak dapat menghasilkan air alkali dan air asam. Proses penelitian dilakukan dengan cara melakukan tinjauan pustaka, membuat alat, melakukan percobaan, pengukuran, dan perhitungan variable-variabel yang berkaitan seperti tegangan, TDS, pH, arus, dan efisiensinya. Dari hasil kajian mekanisme pembentukan air asam dan basa dengan bantuan diagram pourbaix terbalik (DPT) dan diagram piper. DPT menjelaskan zona pembentukan ion hidrogen dan ion hidroksida, diagram piper menggambarkan jumlah kation dan anion yang membentuk larutan asam dan basa, dapat membantu mengetahui jenis ion yang dominan dalam membentuk asam dan basa. Gambar 2.13 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. Gambar 2.13 menunjukkan diagram kerangka pemikiran operasional, terdiri dari variabel bebas berupa tegangan dan kandungan ion, variabel terikat terdiri arus dan efisiensinya dalam pembentukan air asam dan air basa. Adapun variabel

50 kontrol adalah variabel yang dibuat tetap, seperti dimensi alatnya tetap, volume, luas dan bahan membran, dimensi elektrode dan lain-lain. Alat elektrolisis yang didukung oleh sumber energi matahari sebagai teknologi yang praktis dan sederhana (Setyadi et al, 2018, El-Sayed et al,2017). Tegangan listrik merupakan besaran utama dalam proses elektrolisis. Tegangan dapat memberikan arus elektrolisis sesuai dengan sampel larutan yang dielektrolisis. Tegangan yang dihasilkan oleh modul sel surya merupakan tegangan DC yang dapat langsung digunakan atau dikonversi dengan konverter dan baterai sehingga nilai dapat menjadi lebih besar dan stabil dapat dipakai waktu siang dan malam. 2.3 Hipotesis Hipotesis dalam penelitian disertasi ini adalah, sebagai berikut: 1. Air alkali akan terbentuk di katode disebabkan keberadaan ion-ion logam yang umum terdapat air minum (Na+, K+ Ca2+ , dan Mg2+ ). Besarnya pH dari air alkali lebih ditentukkan oleh ion-ion logam tertentu yang terdapat dalam minum. Air asam akan terbentuk di anode disebabkan oleh keberadaan anion- anion yang umum terdapat dalam air minum Cl-, NO3-, SO42-, CO32- /HCO3-). Besarnya pH air asam ditentukan oleh oleh anion-anion tertentu. 2. Pembuatan alat/instrumen elektrolisis untuk menghasilkan air alkali dan air asam akan dapat dibuat secara sederhana dengan bahan elektrode stainless

51 steel dan grafit. Tegangan listrik dapat diperoleh langsung dari modul sel surya atau melalui baterai dan konverter. Alat akan berfungsi dengan baik, menghasilkan air alkali dan air asam

BAB III BAHAN DAN METODE PENELITIAN 3.1 Bahan dan alat 3.1.1 Bahan Bahan penelitian terdiri dari dua bagian yakni bahan untuk pembuatan alat elektrolisis dan bahan kimia untuk larutan elektrolisis. Bahan untuk membuat alat elektrolisis, terdiri dari teko plastik untuk sisi katode ukuran 1500 mL, botol plastik untuk sisi anode ukuran 200mL, elektrode dari bahan karbon grafit dan stainless steel diameter 1 mm, panjang 2 x 12 cm, kapas untuk membran, satu buah diode, LED, tusuk kontak terminal, kabel, timah solder dan lem tembak plastik. Bahan-bahan kimia yang digunakan adalah air mineral, aqua DM, dan sedikit garam dapur, air keran, dan air kemasan yang dijual di pasaran. Jenis -jenis air yang diteliti diukur juga berdasarkan nilai TDS nya sebagai berikut:Aqua DM (demineralisasi) TDS = 0, air kemasan TDS = 120-200 ppm, air dari PDAM/PDAM Kota Bandung yang memiliki nilai TDS =100-200 ppm, larutan NaCl, KNO3, MgCl2 ,dan CaCl2 dengan TDS 226,126,164,dan 532 ppm. 52

53 3.1.2 Alat Alat terdiri dari peralatan untuk catu daya dan ukur terdiri dari Modul Sel Surya (MSS) baterai, inverter, rectifier. Alat ukur lainnya berupa gelas ukur, pH meter, TDS meter, multimeter atau AVO-meter yang sensitif dapat mengukur pada orde mikroampere. Spesifikasi MSS adalah daya maksimum 50Wp, tegangan pada daya maximum 18 volt , arus pada daya maksimum sebesar 2,7 ampere, tegangan terbuka (open circuit voltage) sebesar 21 volt, arus hubung singkat (short circuit current) 3A ampere, jumlah sel sebanyak 36 (9x4), jenis kristal monocrystalline, berat satu modul 3,3 kg, bentuknya dapat dilihat pada Spesifikasi baterai yang dipakai dari jenis Asam-Timbal dengan tegangan 12 volt dan kapasitas 70 Ah. Gambar 3.1 menunjukkan MSS dan baterai merupakan bagian utama dari sumber catu daya elektrolisis. Gambar 3.1 MSS dengan spesifikasi 50Wp dan Baterai 12V-70 Ah, merupakan bagian dari sumber catu daya elektrolisis dalam penelitian.

54 3.1.3 Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di laboratorium kimia UNPAD di jalan Singaperbangsa Bandung dan untuk pengujian parameter kimia kandungan air sebelum dan sesudah elektrolisis dilakukan dengan cara bekerja sama dengan Laboratorium Air jurusan teknik lingkungan ITB di Jalan Ganesha-Bandung. 3.2 Metode Penelitian Metode penelitian meliputi perancangan, implementasi dan pengujian. Alat elektrolisis yang dibuat merupakan alat elektrolisis sederhana yang mudah dibawa-bawa. Perancangan meliputi wadah untuk sisi anode/katode, lubang membran, elektrode, serta sistem catu daya. Wadah sisi katode terdiri dari teko dan sisi anode berupa botol portabel kecil. Botol dilubangi beberapa buah untuk diisi membran kapas, makin banyak lubang nya makin mudah arus elektrolisis mengalir. Pada perancangan ini luas satu lubang sekitar 1 cm2, jika ada delapan lubang maka luas totalnya menjadi 8 cm2. Bahan elektrode terbuat dari karbon grafit dan baja tahan karat (SS), ditempelkan pada tutup teko dengan panjang 12 cm, diameter 1 mm, jarak 7 cm. Sistem instrumentasi elektrolisis dirancang untuk penggunaan portable water ionizer (PWI) pada volume tetap maksimum 1,5-liter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.2.

55 a. b. . c. Gambar 3.2 a. Perancangan Peralatan PWI b. Bahan elektrode, dan membran, c. Implementasi wadah untuk sisi katode dan anode.

56 Gambar 3.3 Skema percobaan dan pengukuran elektrolisis air minum yang mengandung mineral menggunakan energi dari matahari. Pengukuran dilakukan dengan tiga cara yaitu secara langsung menggunakan MSS(D), menggunakan baterai (B), dan menggunakan konverter (K).

57 Energi matahari diserap oleh MSS dapat langsung digunakan atau disimpan melalui konverter dan baterai. Tegangan atau tegangan listrik dapat ditingkatkan dengan konverter untuk mensuplai elektrolisis air mineral yang akan menghasilkan gas hidrogen, gas oksigen, air alkali, dan air asam. Gambar 3.3 menunjukkan skema percobaan dan pengukuran elektrolisis untuk menghasilkan air asam dan air alkali dengan sumber energi matahari dan kabel-kabel terminal koneksi kabel catu daya dengan sistem instrumentasi elektrolisis mulai dari MSS, Baterai, konverter (Inverter+Rectifier), wadah elektrolisis (sisi anode dan katode), amperemeter, voltmeter, pH meter, dan TDS meter. 3.2.1 Pengukuran dan pengambilan data Setelah sistem instrumentasinya dibuat maka dilakukan percobaan dan pengukuran sebagai berikut, disediakan catu daya dengan variasi tegangan yang tertentu sesuai dengan peralatan yang tersedia. Air mineral kemasan, air mineral PDAM atau air sumur dimasukkan ke wadah elektrolisis. Percobaan ke- 1 hingga ke-9; menggunakan wadah elektrolisis PWI, volume total 1,4 liter, dengan sumber energi MSS, 50 Wp. Pengukuran dilakukan pada saat cuaca cerah, mulai pukul 08.00 hingga 18.00. Rangkaian dan implementasi percobaan proses elektrolisis dengan sumber energi matahari dapat dilihat pada Gambar 3.4.

58 Gambar 3.4 Percobaan dan pengukuran elektrolisis untuk menghasilkan air asam dan air alkali dengan sumber energi matahari. Pengukuran dilakukan dengan tiga cara yaitu secara langsung menggunakan MSS(D), menggunakan baterai (B), dan menggunakan konverter (K). Percobaan disortir menurut jenis air berdasarkan nilai TDS. Jenis air 1 adalah air PDAM kota Bandung dengan nilai TDS 124 ppm. Air tipe 2 TDS 150 ppm, diperoleh dari air kemasan merek A yang banyak beredar di pasar-pasar di Bandung. Jenis air 3a, 3b, dan 3c merupakan kombinasi air DM dengan TDS sama-nol dan sedikit garam meja masing-masing sebanyak 1,82, 3,67, 7,23 gram, sehingga TDS meningkat menjadi 163,329, dan 694 ppm. Percobaan berikutnya dilakukan menggunakan sumber tegangan dari sistem PLTS on-grid. Besar tegangan yang dihasilkan dari sebesar 220 VAC. Jika tegangan ini disambungkan dengan alat PWMI, maka tegangan masukan elektrolisis sebesar 100 VDC.

59 3.2.2 Penggunaan Perangkat Lunak Aplikasi Chem3D Perhitungan dan simulasi menggunakan perangkat lunak aplikasi Chem3D. Aplikasi Chem3D adalah bagian dari ChemOffice suite yang menganalisis model struktur kimia. Chem3D didukung oleh beberapa mesin komputasi tambahan seperti properti Gamess dan Gaussian. Gamess adalah program perhitungan kimia kuantum ab initio molekuler. Gamess menyediakan prediksi spektrum UV / VIS, IR, dan NMR, menghitung energi dan sejumlah sifat molekuler lainnya. Gaussian adalah program prediksi properti yang digunakan oleh ahli kimia, insinyur kimia, ahli fisika, dan ilmuwan lainnya. Gambar 3.5 menunjukkan kotak dialog properti Gamess dan Gaussian yang disediakan dari menu perhitungan pada Chem3D. Cara sederhana untuk membuat model adalah dengan memasukkan string teks yang mewakili struktur untuk model yang ingin kita hitung dan analisis, kita dapat memasukkan teks sebagai nama struktur atau rumus kimia. Nama-nama dalam bahasa Inggris dan rumus kimia yang dikenali Chem3D seperti Water, Sodium Chloride, Kalium Chloride, Kalium Magnesium Chloride Hexahydrate dan lain- lain. Rumus kimia untuk water (H2O) beberapa jenis garam mineral seperti NaCl, KCl, KClMgCl2.6H2O, dari jenis asam HCl, HNO3, H2SO4, H2CO3, dan dari jenis basa NaOH,KOH,Mg(OH)2,Ca(OH)2. Dengan cara mengetik teks dari Nama atau rumus kimia dapat menghasilkan simulasi yang berbeda. Dalam perangkat lunak Aplikasi Chem3D, untuk menghitung energi potensial, kinetik, dan total menggunakan antarmuka Gamess, dilakukan dengan cara membuka menu Calculation/Perhitungan, Compute

60 Properties atau Run Frequency, pada antarmuka Gamess, terdapat pilihan cek Energi Kinetik, Energi Potensial, dan Total Energi. Energi bebas Gibbs standar pada suatu senyawa adalah perubahan energi yang diperlukan untuk membentuk satu mol zat tersebut dari unsur penyusunnya, pada keadaan standar (keadaan unsur yang paling stabil pada suhu 25 °C dan tekanan 100 kilopascal, simbolnya adalah ΔG. Gambar 3.5 Kotak dialog Gamess yang disediakan dari menu perhitungan pada properti Gaussian Chem3D. 3.2.3 Analisis Regresi Perangkat lunak analisis data yang disediakan dalam Microsoft Excel khususnya dalam regresi digunakan untuk mengkaji hubungan antara variabel bebas tegangan sumber atau potensial elektrolisis (volt), TDS (ppm) terhadap

61 variabel terikat arus elektrolisis (ampere). Pengukuran arus juga digunakan untuk menghitung nilai efisiensi arus pembentukan asam (EA-A) dan efisiensi arus pembentukan basa (EA-B) dalam %. Analisis statistik digunakan untuk menentukan variabel bebas mana yang paling berpengaruh terhadap arus elektrolisis dan efisiensi arus pembentukan asam dan basa. Beberapa variabel lain yang mungkin berpengaruh seperti volume wadah elektrolisis, luas membran, dimensi elektrode tetap, sebagai variabel kontrol. Variabel bebas terdiri dari tegangan sumber dan elektrolit TDS. Variabel terikat: elektrolisis arus I. Rangkuman keluaran dari data analisis regresi sebagai berikut: koefisien untuk mengetahui gradien kemiringan dalam persamaan linier, atau pengali variabel bebas dalam persamaan regresi. Nilai-P dan / atau Sign. F, tentukan signifikansi pengaruh tersebut secara simultan. Multiple R digunakan untuk mengetahui tingkat korelasi antara variabel bebas dan terikat. Nilai R atau Adj. R square adalah koefisien untuk mengetahui persentase pengaruh variabel bebas dan sisanya dipengaruhi oleh faktor lain. Gambar 3.6. menunjukkan kotak dialog analisis data melalui regresi yang disediakan oleh perangkat aplikasi M- Excel. Input Y Range adalah diisi data variabel terikat (dependent variable). Input X Range adalah diisi dengan data variabel bebas (independent variable). Selanjutnya kotak Confidence Level tetap seperti tercantum di gambar, Excel akan memberikan tingkat kepercayaan 95%.

62 Gambar 3.6 Kotak dialog analisis data regresi pada aplikasi Excel. Gambar 3.7 menunjukkan tampilan hasil keluaran dari analisis data melalui regresi dengan perangkat MS-Excel. Multiple-R menunjukkan nilai korelasi antara variabel bebas dan terikat, nilai 0,00-0,19 berkorelasi sangat rendah; nilai 0,20- 0,39 korelasi rendah; nilai 0,40-0,59 korelasi sedang; 0,60-0,79 korelasi kuat; dan 0,80-1,00 korelasi sangat kuat. Nilai R Square atau Adjusted R Square menunjukkan koefisien determinasi, yang menyatakan persentase pengaruh dari faktor variabel bebas terhadap variabel terikat, dan sisanya dipengaruhi oleh faktor lainnya.

63 Gambar 3.7 Contoh tampilan hasil keluaran dari analisis data melalui regresi dengan perangkat MS-Excel. 3.3 Metode Pengujian Parameter Kimia Pengukuran parameter kimia air yang diuji meliputi pH, TDS, kandungan ion- ion, Na+, K+, Ca2+ , Mg2+, dan Cl-, NO3-, SO42- di Laboratorium Teknik Lingkungan ITB, dengan metode APHA (American Public Health Association). Penjelasan singkat dari metode tersebut adalah sebagai berikut: pH dengan metode APHA 4500-H+B Alat ukur yang digunakan berupa pH-meter digital. Persamaan untuk menentukan nilai pH diperoleh dari persamaan berikut ini: pHx = pHB ± F (Ex - Es) / (2.303 RT); pHx = pH sampel yang diukur secara potensiometri, pHB = pH buffer NIST yang ditetapkan. (larutan pH Buffer); F = Faraday: 9500 coulomb /

64 mol; Ex = Ggl sampel (V); Es = Ggl buffer (V), R = konstanta gas= 8,314 joule / (mol K), dan T = temperatur absolut (K). Alat pengukur pH dikalibrasi secara potensiometri dengan elektrode penunjuk (kaca) dan elektrode referensi menggunakan buffer standar National Institute of Standards and Technology (NIST). TDS APHA-2540-C Pengujian TDS dapat dilakukan dengan TDS meter digital, yang prinsip kerjanya sama dengan Electrical Conductivity (EC) meter. Nilai TDS juga dapat dihitung dengan persamaan: TDS (mg/L) = (0,6 x Alkalinitas total sebagai CaCO3) + Na+ + Mg2+ + K+ + Ca2+ + SO4 - + Cl- + NO3 - + F- + SiO32- (APHA 2005). Besar 0,6 x Alkalinitas Total sebagai CaCO3 nilainya hampir sama dengan konsentrasi ion HCO3- , jika konsentrasi ion F- dan SiO32- terlalu kecil maka dapat diabaikan. Ion natrium APHA-3500-Na-B dan ion kalium APHA-3500-K-B Alat: Fotometer nyala atau spektrometer serapan atom atau Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) yang beroperasi di mode emisi nyala. Persamaan yang digunakan untuk melakukan perhitungan : Na (mg/L) = (Na dalam porsi) × D, K (mg/L) = (K dalam porsi) × D, D = rasio pengenceran = (mL sampel + mL air)/mL sampel.

65 Jumlah natrium dapat ditentukan dengan fotometri emisi nyala pada panjang gelombang 589 nm, kalium pada panjang gelombang 766,5 nm. Reagen: Air murni. Ion kalsium dan ion magnesium APHA-3500-K-B Alat: spektrometer serapan atom atau Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). Proses titrasi sesuai rumus perhitungan: Ca2+ (mg/L) = (A x B) x 400,8/(mL sampel). Mg2+ (mg/L) = [kesadahan total (sebagai CaCO3 mg / L) - kekerasan kalsium (sebagai CaCO3 mg /L)] × 0,243 CaCO3( mg/L) = (A x B) x1000/( mL sampel), A = mL titran untuk sampel, dan B = mg CaCO3 setara dengan 1,00 mL. Asam ethylenediaminetetraacetic (EDTA) C10H16N2O8 atau garamnya, merupakan titran indikator kalsium dan magnesium. Prinsip pengujian: EDTA ditambahkan ke air yang mengandung kalsium dan magnesium, 1 ml larutan CaCl3 dengan konsentrasi 25.000 ppm masing-masing ditambahkan ke dalam 10 ml ekstrak encer dengan deret standar campuran Ca (0-25 ppm) dan Mg (0-5 ppm), kocok sampai homogen, kemudian diukur dengan AAS. Reagan: NaOH. Ion klorida APHA-4500-Cl-B Penentuan Ion klorida dilakukan dengan titrasi. Rumus Perhitungan dengan persamaan: NaCl mg /L = (mg Cl–/L) × 1,65. Cl- (mg / L) = (A -B) x N x 35450/ (mL sampel).

66 A = mL titrasi untuk sampel, B = mL titrasi untuk blanko, dan N = normalitas dari AgNO3. Prinsip pengujian dilakukan dalam larutan netral atau sedikit basa, kalium kromat dapat menunjukkan titik akhir titrasi perak nitrat klorida. Perak klorida diendapkan secara kuantitatif sebelum perak kromat merah terbentuk. Reagen: K2CrO4 , AgNO3, NaCl. Ion nitrat APHA-4500-NO3-B Alat : Spektrofotometer UV-Vis. Pengukuran dengan teknik sinar ultraviolet (UV) yang mengukur absorbansi NO3− pada panjang gelombang 220 nm. Pembacaan absorbansi dan transmitansi terhadap air suling yang disetel pada absorbansi nol atau transmisi 100%. Panjang gelombang 220 nm digunakan untuk mendapatkan pembacaan NO3- dan panjang gelombang 275 nm untuk mengetahui interferensi akibat bahan organik terlarut. Reagen: Air murni, KNO3, HCl, CHCl3. Ion sulfat APHA-4500-SO4-E Alat: Spektrofotometer UV-Vis. Ion sulfat (SO42–) diendapkan dalam media asam asetat dengan barium klorida (BaCl2) sehingga membentuk kristal barium sulfat (BaSO4). Cahaya absorbansi suspensi BaSO4 diukur dengan fotometer, kemudian dilakukan perhitungan dan kalibrasi, sehingga jumlah ion sulfat dapat diketahui. Reagen: MgCl2⋅6H2O , CH3COONa⋅3H2O.

67 Ion bikarbonat APHA 2005 HCO3- (mg/L) = (0,6 x Alkalinitas Total sebagai CaCO3 nilainya) = TDS (mg/L) – (Na+ + Mg2+ + K+ + Ca2+ + SO4 - + Cl- + NO3 - + F- + SiO32- ) (APHA 2005). Karena jumlah F- + SiO32- sedikit, maka dapat diabaikan. Gambar 3.8 merupakan bagan alir bagan alir penelitian untuk penentuan parameter fisika dan kimia . Gambar 3.8 a. Pengukuran dan perhitungan parameter kimia dan fisika dan Gambar 3.8 b. Analisis sampel air minum PDAM sebelum dan sesudah elektrolisis dengan metode APHA. a. b. Gambar 3.8 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.

68

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Mekanisme Pembentukan Air Asam dan Air Alkali Mekanisme pembentukan ion H+ dan OH- melalui elektrolisis digambar melalui Diagram Pourbaix Terbalik (DPT) yang berasal dari persamaan Nernst dan batas-batasnya diambil dari potensial reaksi reduksi dan oksidasi air. Pada anode terjadi dua reaksi yaitu, dengan tegangan Eo = + 0,40 volt, ion OH- membentuk gas oksigen (O2), dan molekul H2O(l) , sementara itu dengan tegangan Eo =+ 1,23 volt, dua mol air terurai menjadi satu mol gas oksigen, melepaskan 4 ion H+ serta mengalirkan 4 mol elektron. Pada katode, terjadi dua reaksi reduksi, yaitu dua mol elektron dan dua mol ion hidrogen (H+) membentuk satu mol gas hidrogen (H2) pada Eo = 0,00 volt. Reaksi yang kedua adalah dua mol elektron (2e-) dan dua mol H2O(l) membentuk satu mol gas H2 dan satu mol ion OH-, dengan tegangan Eo = -0,83 volt (Diogo et al, 2013). · 4OH- (aq)  O2(g)+ 2H2O (l) + 4e- Eo = + 0,40 volt · 2H2O(l)  O2(g) + 4H+ (aq) + 4e- Eo = + 1,23 volt · 2 H+ (aq) + 2e-  H2(g) Eo = 0,00 volt · 2H2O (l) + 2e-  H2(g) + 2OH- (aq) Eo = -0,83 volt Persamaan (4.1), (4.2) dan (4.3) berikut ini adalah persamaan Nernst yang dijadikan rujukan untuk membuat persamaan garis pada DPT: ● E= Eo + (RT/nF) ln [H+] = Eo + (2,3 RT/nF) log [H+] (4.1) 66

67 ● E = - 0,0591 pH  pH = - 16,9 Eo ( 4.2) ● E=1,23V- 0,0591  pH = -16,9 Eo + 20,8 (4.3) DPT batasi juga garis sumbu horizontal pH=0, pH=7, dan pH=14, dan garis sumbu vertikal pada tegangan sama dengan -0,83; 0; 0,4; dan 1,23 volt. Persamaan garis a, garis pH = 7, garis netral, merupakan garis keseimbangan asam-basa. Persamaan garis b, pH = - 16,9 Eo , garis batas pembentukan air menjadi gas hidrogen. Persamaan garis c, garis Eo= 0, garis batas antara katode dan anode, tidak terjadi reaksi reduksi atau oksidasi. Persamaan garis d, pH = - 16,9 Eo + 20,8 garis batas pembentukan air menjadi gas oksigen. Gambar 4.1 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.

68 Diagram ini dapat dibagi menjadi empat kuadran, sebagai berikut: Kuadran I: Daerah anode-asam E>0, pH <7, terjadi oksidasi air menjadi ion hidrogen dan gas oksigen. Kuadran II: Daerah anode-basa E>0, pH >7, terjadi oksidasi ion hidroksida menjadi air dan gas oksigen. Kuadran III: Daerah katode-basa E<0, pH >7, terjadi reduksi air menjadi ion hidroksida dan gas hidrogen. Kuadran IV: Daerah katode-asam E<0, pH <7, terjadi reduksi ion hidrogen menjadi gas hidrogen. Pada DPT elektrolisis air, terdapat tiga senyawa, untuk membedakannya diberi warna seperti terlihat pada Gambar 4.1, warna pink untuk gas hidrogen, warna biru untuk air, dan kuning untuk gas oksigen. Dalam diagram, warna biru adalah fasa air, dibagi menjadi empat daerah, sebagai berikut: Daerah 1 : Air pada daerah ini bersifat asam (pH<7). Air terurai menjadi ion H+ dan OH-, katode (-) yang berusaha menarik ion positif H+, sehingga keberadaan H+ lebih banyak dari OH-.( H+ > OH-). H+ yang tertarik ke katode akan membentuk gas H2. Jumlah ion H+ cenderung berkurang. Persamaan reaksinya : 2 H+ (aq) + 2e- H2(g) (Eo = 0,00 V) Daerah 2 : Air pada daerah ini bersifat asam (pH<7). Air di sisi anode yang banyak mengandung (H+) bersifat asam. Sebagian kecil H+ yang tertarik ke katode. Jumlah ion H+, cenderung bertambah. Persamaan reaksinya : 2 H2O(l)  O2(g) + 4H+ (aq) + 4e- (Eo = + 1,23 V), H+ di daerah ini berpotensi berikatan dengan ion-ion negatif seperti Cl-, NO3- , CO32-, dan SO42- membentuk air asam.

69 Daerah 3 : Air pada daerah ini bersifat basa (pH>7). Air di sisi anode. Elektrode + yang berusaha menarik ion negatif OH-yang masih mengandung sedikit (OH- > H+) bersifat basa. OH- yang tertarik ke anode akan membentuk gas O2. Jumlah ion OH- cenderung berkurang, persamaan reaksinya 4OH- (aq)  O2(g)+ 2H2O (l) + 4e- (Eo = + 0.40 V) Daerah 4 : Air pada daerah ini bersifat basa (pH>7). Air di sisi katode (-) banyak mengandung OH- (OH- > H+) , Katode menarik ion-ion positif. OH- di daerah ini berpotensi mengikat ion-ion Na+, K+, Mg2+ , Ca2+ membentuk larutan alkali/basa. Jumlah ion OH- cenderung bertambah, persamaan reaksinya 2 H2O (l) + 2e - H2(g) + OH- (a) (Eo = -0,83 V). Mekanisme pembentukan air asam dan air alkali yang pisahkan oleh membrane dapat dilihat pada Gambar 2.4. Dengan adanya medan listrik ion-ion mineral dalam air akan terpolarisasi, ion-ion positif seperti Na+, K+, Ca2+, dan Mg2+, akan tertarik ke elektrode negatif (katode), sementara itu ion-ion negatif seperti Cl-, NO3- , CO32-, dan SO42- akan tertarik ke kutub elektrode positif (anode). Ion H+ akan berikatan dengan ion-ion negatif membentuk air, sementara ion OH- akan berikatan dengan ion-ion positif membentuk larutan basa. Tingkat keasaman dan basa yang dihasilkan tergantung jumlah ion-ion yang mengikatnya, semakin besar konsentrasi ion, maka semakin besar nilai pH atau pOH nya.

70 Gambar 4.2 Mekanisme pembentukan air asam dan air alkali yang pisahkan oleh membran. Tabel 4.1 Hasil perhitungan energi bebas air asam dan basa yang mungkin terbentuk dari hasil elektrolisis air mineral. Nama Asam/Basa ΔG (Kkal/Mol) HCl -6,19 HNO3 -3,39 H2SO4 5,95 H2CO3 9,53 NaOH -7,94 KOH -9,04 Mg(OH)2 -12,16 Ca(OH)2 -14,63 Tabel 4.1 menunjukkan hasil perhitungan energi bebas asam dan basa yang mungkin terbentuk dari hasil elektrolisis air mineral. Perhitungan energi bebas Gibbs dilakukan dengan menggunakan program simulasi Chem3D. Berdasarkan nilai energi bebasnya negatif -6,19 dan -3,39 Kkal/Mol, asam klorida (HCl) dan asam nitrat (HNO3) dapat terbentuk secara spontan, kedua jenis asam ini mudah terbentuk, karena valensi asam hanya satu, jumlah ion H+ diikat setiap

71 molekulnya hanya satu. Asam tersebut termasuk jenis asam kuat karena mudah terionisasi. Derajat ionisasi kedua asam tersebut sebesar 1. HCl memiliki pKa=-8, HNO3 memiliki Pka=-2. H3O+(aq) + Cl–(aq)  HCl(l) + H2O(l) H3O+(aq) + NO3–(aq)  HNO3 (l) + H2O(l) Berdasarkan energi bebasnya yang bernilai positif sebesar pembentukan H2SO4 dan H2CO3 tidak dapat berjalan spontan. Kedua jenis asam ini berproton ganda, memiliki dua jenis konstanta ionisasi Ka1 dan Ka2. H3O+ + SO2−4  HSO−4 + H2O ; pKa1 ≈ −3 H3O+ + HSO−4  H2SO4 + H2O ; pKa1 ≈ 2 2H2CO3  HCO3− + H3O+ ; pKa1 ≈ 3,6 2HCO3−  CO3-2 + H3O+ ; pKa2 ≈ 6,35 ; Dalam larutan air, asam karbonat ada dalam kesetimbangan dengan karbon dioksida. H2CO3. CO2 + H2O Larutan basa seperti NaOH, KOH, Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 sebesar -7,94;- 9,04;-12,16; dan -14,63 Kkal/Mol dapat berlangsung spontan karena nilai energi bebas nya negatif. NaOH dan KOH merupakan basa kuat bervalensi satu mudah terbentuk dan mudah terurai, basa jenis ini akan larut sempurna dalam air, sedangkan Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 basa bervalensi dua, memiliki konstanta kelarutan, sehingga dalam air . pada saat mencapai titik jenuh tidak semuanya

72 akan melarut, sebagian akan mengendap. Gambar 4.3 memperlihatkan grafik perubahan energi Gibbs pembentukan air asam (HCl , HNO3 , H2SO4 dan H2CO3) dan airt basa (NaOH, KOH, Mg(OH)2, dan Ca(OH)2 ). a. b. Gambar 4.3 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). 4.2 Hasil Pengujian Beberapa Parameter Kimia Tabel 4.2 menunjukkan hasil pengukuran dari laboratorium uji air untuk beberapa parameter kimia, kecuali ion HCO3- diperoleh melalui perhitungan. Air asam dihasilkan di sisi anode dengan pH 2,34, sedangkan air alkali di sisi katode dengan nilai pH 8,32. Perubahan nilai TDS sangat menonjol terjadi di anode dari 141 menjadi 740. Dari data nilai pH dan TDS, air asam yang dihasilkan sudah tidak memenuhi syarat untuk diminum, sedangkan air basa atau air alkali masih memenuhi syarat sebagai air minum, sesuai standar WHO ataupun permenkes RI tahun 2010. Jumlah ion-ion mineral utama yang terdeteksi di sisi anode dan katode sebelum dan sesudah elektrolisis terjadi perubahan yaitu, ion Na +, K +,

73 Ca2+ dan Mg2+ di sisi katode meningkat, di sisi anode menurun, ion Cl-, NO3-, SO42- dan HCO3- di sisi anode meningkat, sementara itu di sisi katode menurun. Tabel 4.2 Hasil analisis kualitatif beberapa parameter kimia sebelum dan sesudah elektrolisis di sisi anode dan katode dengan satuan mg/L atau ppm. Metode Sebelum Sesudah dielektrolisis Pengujian dielektrolisis Parameter (ppm) APHA 4500-H+B (ppm) pH APHA 2540- C di anode di katode APHA 3500-Ca-B 6,71 TDS APHA 3500-Mg-B 141 2,34 8,32 Ca2+ APHA 3500-Na-B 6,74 Mg2+ APHA 3500-K-B 3,29 740 142 Na + APHA 4500-Cl-B 6,77 K+ APHA 4500-NO3-B 9,23 6,13 15,5 Cl - APHA 4500-SO4-B 17,5 NO3- APHA 2005 2,03 2,85 7,33 SO42- 4,65 HCO3- 91 2,0 8,48 2,31 11,1 62,3 7,78 3,2 0,416 14,3 3,0 647 88 Tabel 4.3 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 BA/ Jumlah (mmol/L) % perubahan % BM pertambahan Ion ion awal di di di di 0,168 anode katode anode katode 106,8 Ca2+ 40,08 0,153 0,387 -9,05 130 100,1 Mg2+ 24,31 -13,37 123 9,306 Na+ 22,98 0,135 0,117 0,302 -70,46 25,3 4,388 K+ 39,1 -74,97 20,3 -3,619 Cl - 35,45 0,295 0,087 0,369 256 -56 -56,65 NO3- 57,64 -80 4,301 SO42- 62 0,236 0,059 0,284 203,2 -35 99,08 HCO3- 96 611 -3,3 61 0,494 1,757 0,219 0,033 0,052 0,007 0,048 0,147 0,031 1,492 10,61 1,443

74 Persentase kenaikan dan penurunan (tanda-) tiap ion dalam satuan mol/L dapat dilihat pada Tabel 4.3. Jumlah ion yang mengalami kenaikan cukup signifikan adalah ion HCO3- , Ca2+, dan Mg2+, hal ini dimungkinkan karena adanya garam- garam kalsium dan magnesium yang sukar terionisasi dalam air seperti CaCO3, MgCO3, CaSO4, dan MgSO4. Sebelum elektrolisis keberadaan ion-ion tersebut belum semuanya terdeteksi (terdeteksi sebagian). Jumlah ion yang mengalami penurunan adalah ion NO3- dan Cl, hal ini dimungkinkan karena terjadi reduksi di katode, NO3- membentuk gas NO dan NO2, sedangkan Cl- membentuk gas Cl2. Jenis-jenis reaksi redoks lainnya yang mungkin terjadi dapat dilihat pada Tabel 4.4. Ion-ion SO42− dapat bereaksi membentuk ion-ion atau senyawa lain baik dengan pemberian tegangan positif maupun negatif. Logam-logam alkali dan alkali tanah seperti Na(s), K(s), Ca(s), dan Mg(s) dapat terbentuk di sisi katode melalui reaksi reduksi. Tabel 4.4 Jenis reaksi reduksi dan oksidasi yang mungkin terjadi di sisi anode dan katode (Brady et al, 2012). Reaktan/produk Reaktan/produk E (V) 2NO3- (aq) + 4 H+ + 2e- ⇌ 2NO2(g) + 2H2O(l) +0,80 NO3- (aq) + 3 H+ + 2e- ⇌ HNO2(aq) + H2O(l) +0,94 NO3- (aq) + 4 H+ + 3 e- ⇌ NO(g) + 2H2O(l) +0,96 Cl-(aq) e− ⇌ Cl2(g) + 2 e- +1,36 2 HClO(aq) + 2 H+ + 2 ⇌ CCll2−((gaq))++22OHH2O− +1,63 SCOlO42−−++H42HO+(l+) 2 e− ⇌ +0,89 2MSgO2+42+- (a2qe)− ⇌ H2SO3(aq) + 2 H2O +0,17 ⇌ S2O82+ (aq) + 2e- −2,01 Na+ + e− ⇌ Mg(s) −2,37 Ca2+ + 2 e− ⇌ Na(s) −2,71 K+ + e− ⇌ Ca(s) −2,87 ⇌ K(s) −2,93

75 Reaksi redoks yang memungkinkan terjadi pada ion NO3– adalah: 2NO3- (aq) + 4 H+ + 2e- ⇌ 2NO2(g) + 2H2O(l) Eo=+0,8 V NO3- (aq) + 3 H+ + 2e- ⇌HNO2(aq) + H2O(l) Eo=+0,94 V NO3- (aq) + 4 H+ + 3 e- ⇌NO(g) + 2H2O(l) Eo=+0,96 V Reaksi redoks yang terjadi pada ion Cl- adalah : Cl-(aq) ⇌ Cl2(g) + 2 e- Eo= +1,36 V 2 HClO(aq) + 2 H+ + 2 e− ⇌ Cl2(g)+ 2 H2O Eo=+1,63 V ClO− + H2O(l) ⇌ Cl− (aq) + 2OH− Eo=+0,89 V Analisis pengendapan berdasarkan Ksp Perhitungan Q setelah elektrolisis pada Ca(OH)2 ; [Ca 2+-] = 0,000387 M, Q=2,3x10-10 (< Ksp,tak mengendap ). Q pada Mg(OH)2; [Mg 2+-] = 0,000302M, Q=1,1x10-10 (>Ksp mengendap). Q sebelum elektrolisis pada Mg(OH)2;Mg2+= 0,000135, Q=9,8 x 10-12 (tak mengendap, Q<Ksp). 4.3 Pembuatan Diagram Piper Sebelum membuat diagram piper, maka persentase jumlah ion ditentukan terlebih dahulu, baik sebelum maupun sesudah elektrolisis (di sisi anode dan katode). Persentase (% ion) pada kolom pertama adalah perbandingan jumlah tiap ion terhadap keseluruhan, sebelum elektrolisis persentase kation sebanyak 35% sedang persentase anion sebesar 65%, larutan sedikit bersifat asam dengan pH=6,71. Setelah elektrolisis di sisi anode persentase kation berkurang menjadi 5

76 %, sedangkan anion meningkat menjadi 95 %, larutan semakin bersifat asam dengan pH 2,34, di sisi katode persentase anion berkurang menjadi 46 %, sedangkan kation meningkat menjadi 54 %, larutan menjadi bersifat basa/alkali dengan pH 8,32. Tabel 4.5 Hasil perhitungan persentase jumlah ion keadaan awal sebelum dan setelah elektrolisis untuk pembuatan diagram piper. Jenis ion sebelum sesudah di anode sesudah di katode % ion % piper % ion % piper % ion % piper Ca2+ 10 30 2,3 44,3 20,5 38 Mg2+ 8 24 1,7 34 16 30 Na+ 9 26 0,6 12,7 9,8 18 K+ 7 21 0,4 9 7,5 14 35 100 5 100 54 100 Kation 46 71,6 79,2 83,5 38,4 83,7 HCO3 - 3 4,7 2,2 2,3 1,7 3,6 SO4 2- 16 23,7 13,1 13,2 5,8 12,7 1- 0,5 - 0,2 - Cl - 65 100 95 100 46 100 NO3- Anion Untuk keperluan pembuatan diagram piper, persentase total anion dan kation dibuat masing-masing 100%. Tabel 4.5 menunjukkan hasil perhitungan persentase jumlah ion keadaan awal sebelum dan setelah elektrolisis untuk pembuatan diagram piper. Sebelum elektrolisis perbandingan persentase Ca2+ : Mg2+ : (Na+ + K + ) adalah 30: 24: 47 yang menunjukkan bahwa jenis kation tidak ada ion yang dominan, sedangkan perbandingan HCO3 - : SO4 2- : Cl– = 71,6 : 4,7 : 23,7 dengan perbandingan ini, ion bikarbonat merupakan anion yang paling dominan dalam larutan. Kombinasi kation dan anion menghasilkan zona 1 (daerah 5,6,9) yang menunjukkan bahwa ion alkali tanah melebihi ion alkali dan zona 3

77 (daerah 5,8,9) yang menunjukkan ion asam lemah melebihi ion asam kuat. Diagram piper tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.4. Gambar 4.4 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. Setelah elektrolisis perbandingan persentase di di sisi anode Ca2+ : Mg2+ : (Na++K +) adalah 44,3: 34: 21,7 yang menunjukkan bahwa jenis kation tidak ada ion yang dominan, sedangkan perbandingan HCO3 - : SO4 2- : Cl– = 83,5 : 2,3 : 13,2 dengan perbandingan ini ion bikarbonat merupakan anion yang paling dominan dalam larutan. Perbandingan persentase di sisi katode Ca2+: Mg2+: (Na++K +) adalah 38: 30: 32 yang menunjukkan bahwa jenis kation tidak ada ion yang dominan, sedangkan perbandingan HCO3 - : SO4 2- : Cl– = 83,7: 3,6 ; 12,7 dengan perbandingan ini ion bikarbonat merupakan jenis anion yang paling

78 dominan dalam larutan. Diagram piper setelah proses elektrolisis dapat dilihat pada Gambar 4.5. (a) (b) Gambar 4.5 Diagram piper sesudah elektrolisis di sisi anode (a) dan katode (b) daerah kation ada pada daerah B, tidak ada ion yang dominan, daerah anion ada di daerah E, ion bikarbonat dominan, kombinasinya menghasilkan ion alkali tanah melebihi ion alkali dan asam lemah melebihi asam kuat. 4.4 Hasil Pengukuran Variasi Tegangan dan TDS Ada tiga cara pengukuran untuk mendapatkan besar tegangan yang berbeda, yaitu langsung atau directly (D) dari MSS, melalui baterai (B), dan melalui konverter (K) Percobaan dilakukan mulai pagi hingga petang, ketika masih ada sinar matahari mulai pukul 08.00 hingga 17.00. Percobaan dilakukan terhadap tiga jenis air yang berbeda TDS nya, sehingga diperoleh 9 variasi tegangan dan TDS, dengan waktu elektrolisis masing masing satu jam (tidak terlalu cepat dan tidak terlalu lambat), waktu total selama 9 jam. Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 4.6.

79 TDS awal dan besar tegangan dijadikan variabel bebas, sedang variabel terikat adalah arus elektrolisis dan pH. Selain itu TDS akhir pada sisi anode dan katode juga diukur. Volume air yang dielektrolisis di sisi anode sebanyak 200 mL, di sisi katode sebanyak 1200 mL. Tabel 4.6 Data hasil percobaan elektrolisis menggunakan PWI dengan MSS B: Baterai, D: Direct, K: Konverter. Jenis Teg Arus pH TDS (ppm) air (volt) 1 B 10,7 (mA) awal Asam Basa Awal Asam Basa 1 D 19,7 1 K 69,0 4 6,7 5,9 7,1 124 113 124 2 B 10,7 2 D 18,5 14 6,7 3,4 8,1 124 282 130 2 K 69,0 3 B 10,4 44 6,7 3,2 8,6 124 635 131 3 D 19,3 3 K 47,1 8 7 4 8,3 150 195 149 16 7 3,8 8,7 150 778 148 59 7 3 9,2 150 834 143 27,5 6,5 3,6 9,8 163 927 658 310 6,5 4,3 11,2 649 389 353 67 6,5 3,4 9,9 329 171 756 50 70 60 40 50 40 Arus (mA)30 30 Arus (mA) 20 20 y = 0,66x - 1,2022 10 y = 0,8664x - 0,6943 R² = 0,9995 R² = 0,9903 0 0 50 100 10 0 100 0 50 Tegangan (volt) Tegangan (volt) Gambar 4.6 Grafik hasil pengukuran tegangan dan arus elektrolisis pada air mineral jenis 1 (TDS =124), dan jenis 2. (TDS =150). Gambar 4.6 memperlihatkan grafik hasil pengukuran tegangan dan arus elektrolisis pada air mineral jenis 1 dan jenis 2. Berdasarkan grafik-grafik tersebut diperoleh angka determinasi R2 sebesar 0,9903 dan 0,9995 hal ini menunjukkan

80 bahwa terdapat hubungan yang sangat kuat antara variabel dependen arus dan terhadap variabel bebas tegangan dalam waktu satu jam elektrolisis air mineral. Tegangan rata-rata elektrolisis untuk tipe 1 dan tipe 2 adalah 33,1 dan 22,7 volt, sedangkan arus rata-rata elektrolisis untuk tipe 1 dan tipe 2 adalah 21 dan 2,57 mA. 400 30 25 300 y = 0,5752x - 63,639 20 y = 0,5495x - 66,703 r = 0,99 15 r = 0,85 Arus (mA) 10 200 Arus (mA) 100 5 100 0 0 800 0 200 0 200 400 600 TDS (ppm) TDS (ppm) a. b. Arus (mA) 80 y = 0,0875x + 39,087 60 r = 0,84 40 20 200 400 0 TDS (ppm) 0 c. Gambar 4.7 Grafik arus elektrolisis 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. Gambar 4.7 menunjukkan grafik arus elektrolisis dengan nilai TDS yang bervariasi. Tegangan rata-rata pada grafik a. sebesar 19,2 volt koefisien korelasi r sebesar 0,99. Tegangan rata-rata pada grafik b. sebesar 10,6 volt koefisien korelasi