Penyimpanan Gas H2 dan Uji Daya Listrik dengan Fuel Cell

I. Pendahuluan 

1.1      Latar Belakang

            Perkembangan teknologi memiliki dampak yang positif dan negatif bagi suatu negara di dunia. Indonesia salah satu negara yang mengalami dampak dari perkembangan teknologi. Salah satu perkembangan teknologi yang dirasakan di Indonesia yaitu bertambahnya jumlah kendaraan bermotor. Semakin bertambahnya jumlah kendaraan bermotor maka semakin banyak persediaan bahan bakar minyak bumi yang disediakan oleh negara. Namun, Indonesia saat ini mengalami krisis energi, dimana persediaan energi sperti minyak bumi, batu bara dan energi lainnya semakin menipis. Dengan semakin berkembangnya teknologi maka energi yang dibutuhkan meningkat. Baterai yang berbahan bakar hidrogen (Hydrogen Fuel Cell) adalah teknologi baru yang sedang dikembangkan, dimana tenaga listrik dalam jumlah besar dapat dihasilkan dari gas hidrogen. Pabrik-pabrik baru dapat dibangun dekat dengan laut untuk melakukan proses elektrolisis air laut guna memproduksi hidrogen. Namun, gas hidrogen sangat langka di atmosfer bumi karena beratnya yang ringan sehingga menyebabkan gas hidrogen lepas dari gravitasi bumi. Walaupun demikian, hidrogen masih merupakan unsur paling melimpah di permukaan bumi. Gas yang bebas polusi ini lantas dapat dialirkan melalui pipa-pipa dan disalurkan ke daerah-daerah pemukiman dan kota-kota besar. Gas hidrogen juga dihasilkan oleh beberapa jenis bakteri dan ganggang. Hidrogen dapat dibuat dalam laboratorium melalui proses elektrolisis air atau dengan  mereaksikan oksida-oksida alkali dengan logam Al.

                Fuel cell berbasis alumunium alkalin-udara sangat ramah lingkungan karena produk sampingnya adalah air dan bahan kimia (aluminum oksida (Al2O3) dan aluminum hidroksida Al(OH)3 yang dibutuhkan industri pemurnian air dan industri kertas serta alat-alat elektronik. Penelitian produksi gas hidrogen dari limbah Alumunum Foil dengan menggunakan katalis NaOH, sampai menghasilkan daya listrik dan penyimpanannya. Produksi gas hidrogen melalui jalur ini selain memanfaatkan limbah di lingkungan sekitar juga merupakan energi yang mudah dikonversikan menjadi listrik dan bahan bakar, aman untuk lingkungan, karena tidak menyisakan limbah beracun, dan bersih, hanya air dan bahan kimia seperti aluminium hidroksida Al(OH)3 yang dapat digunakan kembali

1.2      Tujuan Percobaan

            Mengetahui gas hidrogen yang dihasilkan dapat menghantar daya listrik dengan fuel cell dan dapat membuat alat untuk menyimpan gas hidrogen.

1.3      Prinsip Percobaan

        Gas hidrogen disintesis dengan cara melarutkan pellet NaOH dengan  aquades, kemudian ditambahkan serbuk logam Al. Gas yang terbentuk kemudian ditampung dengan menggunakan balon. Gas hidrogen yang ditampung dialirkan dengan fuel cell menghasilkan daya listrik.

  II. Tinjauan pustaka 

                Sel bahan bakar atau fuel cell adalah sebuah alat elektrokimia yang mirip dengan baterai, tetapi berbeda karena dia dirancang untuk dapat diisi terus reaktannya yang terkonsumsi; yaitu dia memproduksi listrik dari penyediaan bahan bakar hidrogen dan oksigen dari luar. Hal ini berbeda dengan energi internal dari baterai. Sebagai tambahan, elektrode dalam baterai bereaksi dan berganti pada saat baterai diisi atau dibuang energinya, sedangkan elektrode sel bahan bakar adalah katalitik dan relatif stabil.

            Reaktan yang biasanya digunakan dalam sebuah sel bahan bakar adalah hidrogen di sisi anode dan oksigen di sisi katode (sebuah sel hidrogen). Biasanya, aliran reaktan mengalir masuk dan produk dari reaktan mengalir keluar. Sehingga operasi jangka panjang dapat terus menerus dilakukan selama aliran tersebut dapat dijaga kelangsungannya.

            Media penyimpanan energi adalah suatu metode atau alat untuk menyimpan beberapa bentuk energi yang bisa diambil pada suatu waktu tertentu untuk berbagai kepentingan. Alat yang digunakan untuk menyimpan energi kadang-kadang disebut dengan akumulator. Semua bentuk energi yang termasuk ke dalam energi potensial (misal: energi kimia,energi listrik, dan sebagainya) atau energi termal dapat disimpan. 

            Sekarang ini, Hidrogen sedang dikembangkan sebagai media penyimpanan energi. Hidrogen bukanlah sumber energi utama, namun metode penyimpanan energi yang portable, karena hidrogen harus dibuat oleh sumber energi lain. Namun, sebagai media penyimpanan energi, mungkin akan signifikan jika dilihat perannya sebagai energi terbarukan.

            Hidrogen dapat digunakan pada mesin pembakaran internal konvensional atau pada fuel cell yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi energi listrik tanpa pembakaran.Proses produksi hidrogen membutuhkan proses pengubahan gas alam oleh uap, atau dengan cara yang mungkin lebih ekologis, elektrolisis air menjadi hidrogen dan oksigen. Cara yang lama menghasilkan karbon dioksida dalam prosesnya sebagai hasil sampingan.

            Dengan energi terbarukan yang tidak bisa selalu tersedia seperti energi angin dan matahari, output dari kedua energi itu mungkin dapat menjadi energi listrik untuk melakukan elektrolisis. Apapun kemungkinannya, apakah kemampuan konversi energi matahari dan angin menjadi listrik cukup rendah atau energi yang dibutuhkan untuk mengubah air menjadi hidrogen cukup besar, hidrogen hanya akan menjadi media penyimpanan energi dan digunakan hanya jika dibutuhkan.

            Efisiensi penyiimpanan hidrogen umumnya berkisar 50 hingga 60% secara keseluruhan, yang berarti lebih rendah dibandingkan baterai. Dibutuhkan sekitar 50 kWh untuk memproduksi satu kilogram hidrogen dengan elektrolisis, sehingga biaya listrik untuk memproduksinya adalah hal yang penting untuk dibahas. Jika menggunakan harga standar Rp. 294,00 per kWh, maka akan dibutuhkan biaya sebesar Rp. 14.700,00 per kg hidrogen, namun itu belum termasuk biaya lainnya seperti alat elektrolisis, kompresor atau pengembunan, penyimpanan, dan transportasi yang besarnya tidak dapat diabaikan.

  III. Alat dan Bahan
 

a. Alat :

-  1 buah botol kaca

-  1 selang pompa

-  1 buah tutup botol

-  1 buah pentil ban sepeda

-  1 buah bor kecil

-  1 buah balon

-  1 set alat hidrogen storage

b. Bahan :

-  0,8 gram Alumunium foil

-  50 ml H2O

  IV.Cara Kerja
  
      4.1      Cara pembuatan alat penyimpanan hidrogen 
              1.     Siapkan 1 botol kaca beserta tutupnya, 1 selang pompa baru, 1 buah tutup botol, 1 pentil ban sepeda bekas,dan 1 bor kecil 
               2.    Lubangi 2 tutup botol menggunakan bor kecil 
               3.    Tutup botol pertama diisi pentil sepeda bekas di lubangnya. 
               4.      Pentil sepeda dihubungkan ke keran selang pompa 
               5.     Tutup botol kedua di masuki satu sisi selang pompa
            6.   Tutup botol kedua berfungsi sebagai tutup dari botol kaca tempat   mereaksikan alumunium foil dengan naoh 3M 0,8 gram.
  
       4.2      Cara uji daya listrik fuel cell

1.     Disiapkan alat hidrogen storage yang dibuat sederhana

2.    Disiapkan 3M NaOh 50 ml

3.    Disiapkan kertas alumunium foil 0,8 gram

4.    Dimasukkan alumunium dan NaOh kedalam wadah botol kaca yg ada pada alat hidrogen storage

5.    Direndam botol kaca dalam air agar tidak panas

6.    Dimasukkan gas hasil pencampuran naoh dan alumunium foil ke dalam sebuah balon

7.    Setelah tertampung di balon, hubungkan gas yg di balon menggunakan selang ke lubang yang ada di membran fuel cell

8.    Amati apa yang terjadi apakah kipas berputar dan lampu menyala atau tidak

9.    Catat daya yang dihasilkan dari lampu yang menyala

  V.    Hasil dan Pembahasan 

Jenis Uji	Keterangan
	ya	tidak
Terdapat Gas Hidrogen	ü
Lampu Menyala	ü
Kipas berputar	ü
Gas Hidrogen tertampung di wadah	ü

            Lampu yang menyala berkekuatan 0,883 watt

            Percobaan kali ini adalah percobaan uji hidrogen yang merupakan lanjutan percobaan sebelumnya yaitu sintesis hidrogen dari limbah aluminium dengan NaOH sebagai katalis. Pemilihan NaOH sebagai reaktan dalam produksi hidrogen dikarenakan NaOH dapat bereaksi dengan limbah alumunium AF dalam waktu yang cepat berdasarkan percobaan sebelumnya.

Gas Hidrogen yang dihasilkan ditampung dalam suatu wadah untuk diuji daya listriknya. Pada percobaan ini gas hidrogen ditampung dalam suatu balon yang dihubungkan dengan kran. Sehingga saat dilakukan uji daya listrik kran pada balon dibuka dan gas hidrogen akan mengalir pada membran fuel cell.

Uji daya listrik ini dilakukan untuk mengetahui berapa besar daya (watt) yang dihasilkan oleh limbah alumunium dan tentunya sebagai aplikasi dari produksi hidrogen. Alat yang digunakan adalah alat uji listrik membran fuel cell dengan bahan hidrogen. Hasil uji daya listrik menggunakan limbah alumunium yang diuji terlihat pada tabel 1. Lampu yang terdapat pada membran fuelcell menyala dan kipas berputar, hal itu menandakan bahwa terdapatnya gas hidrogen yang dapat membangkitkan listrik pada membran fuelcell. Hal ini sesuai dengan reaksi pada membran fuel cell:

2H₂ + O_{2 ————–>}   2H₂O

Pada anoda hidrogen di oksidasi menjadi proton:

2H_{2 ————–>}   4H⁺ + 4 e-

Setiap molekul H₂ terpecah menjadi dua atom H⁺(proton), sedang setiap atom hydrogen melepaskan elektronnya. Proton ini akan bergerak menuju katoda melewati membran. Elektron yang terbentuk akan menghasilkan arus listrik kalau dihubungkan dengan penghantar listrik menuju katoda. Pada katoda oksigen diubah menjadi H₂O

O₂ + 4H⁺ + 4 e- _{————–>}   2H₂O

Dari hasil yang didapat dikatakan bahwa gas hidrogen dapat  digunakan sebagai bahan pembangkit listrik.

VI.     KESIMPULAN

 

Gas hidrogen yang dihasilkan dari reaksi antara Aluminium Foil dan Naoh dapat menghantarkan daya listrik.

 

Pembuatan Tawas dari Limbah Alumunium Foil

 

I. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

            Kata alumen pertama kali dinyatakan oleh Pliny dalam bukunya yang berjudul “Natural History”. Buku ini merupakan Jilid ke-35 dan tepatnya dalam bab 15 ia memberikan penjelasan bahwa alumen ditemukan secara alami di bumi.  Ia beranggapan bahwa alumen merupakan salah satu jenis obat-obatan dan berfungsi dalam proses perubahan warna suatu zat.  Anggapannya ini muncul ketika melihat fakta bahwa ketika ada sumber air yang tercemar kemudian diberikan alumen, maka air akan berubah warna yang tadinya hitam menjadi berkurang kadar kekotorannya.  Sifat yang dimiliki alumen ini kemudian menjadi solusi untuk pencemaran besi sulfat dalam air.  Namun, Pliny menganggap bahwa larutan (kalium) tawas biasa tidak memiliki sifat ini melainkan senyawa yang memiliki sifat koagulan tersebut adalah spesies sulfat dari besi dan aluminium.

            Dengan produksi di seluruh dunia 2,9 juta ton pada tahun 1982, aluminium sulfat adalah senyawa aluminium terpenting setelah aluminium oksida dan hidroksida.  Senyawa ini sudah tercakup dalam Non-Ferrous Metals Bref. Para produsen yang paling penting adalah Amerika Serikat (dengan 1,1 juta ton pada tahun 1984 atas dasar 17% Al₂O), Eropa Barat (dengan 0,9 juta ton per tahun) dan Jepang (dengan 0,8 juta ton per tahun atas dasar 14% Al₂O₃). Aluminium sulfat juga merupakan bahan awal untuk senyawa aluminium lainnya. Hingga di zaman sekarang penggunaan tawas semakin pesat digunakan untuk kebutuhan industri maupun non industrial. Maka dari itu percobaan ini dilakukan pembuatan tawas dari limbah alumunium foil,sehingga dapat mengurangi limbah alumunium foil di lingkungan sekitar.

1.2 Tujuan Percobaan

       Dapat  mengetahui proses pembuatan tawas dari limbah alumunium foil

II. Tinjauan Pustaka 

Tawas (kalium aluminiumsulfat) dihasilkan dengan mereaksikan logam aluminium (Al) dalam larutan basa kuat (kalium hidroksida) akan larut membentuk aluminat menurut persamaan reaksi :

2 Al + 2 KOH + 2 H₂O                2 KAlO₂ + 3 H₂ ………………….(1)

Kadang-kadang ditulis dalam bentuk ion sebagai kompleks aluminat yang persamaan reaksinya :

2 Al + 2 OH^- + 6 H₂O                2 Al(OH)₄^- + 3 H₂ ……………….(2)

Larutan aluminat dinetralkan dengan asam sulfat, mula-mula terbentuk endapan berwarna putih dari alumunium hidroksida [Al(OH)₃] yang dengan penambahan asam sulfat endapan putih semakin banyak yang jika didiamkan akan terbentuk Kristal seperti kaca dari tawas (kalium aluminiumsulfat) atau sering disebut alum. Secara singkat reaksi yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut :

2 KAlO₂ + 2 H₂O + H₂SO₄   ------>        K₂SO₄ + 2 Al(OH)₃ …………(3)

H₂SO₄ + K₂SO₄ + 2 Al(OH)₃       ------->      2 KAl(SO₄)₂ + 6 H₂O ……….(4)

24 H₂O + 2 KAl(SO₄)₂     -------->      2 KAl(SO₄)₂.12 H₂O ………………(5)

Reaksi keseluruhan :

2 Al + 2 KOH + 10 H₂O + 4 H₂SO₄   ------>       2 KAl(SO₄)₂ +.12 H₂O + 3   H₂ ……….(6)

Larutan pada persamaan (2) dopanaskan pada suhu 60-80^oC untuk menguapkan airnya dan suhu pemanasan tidak boleh lebih dari 80^oC karena tawas akan larut dalam air mendidih. Pada proses penguapan selama 10 menit dan didinginkan akan terbentuk Kristal dari KAl(SO₄)₂.12 H₂Oalumunium khususnya senyawa sulfat banyak digunakan pada industry kertas. Selain itu, tawas banyak digunakan di i ndustri–industri baik digunakan sebagai koagulan dalam pengolahan air dan air buangan maupun penyamakan kulit dan bahan pewarna di industri tekstil. Namun tawas natrium yang kita buat kali ini juga dapat digunakan sebagai bahan pengembang roti. Selain itu tawas pun dapat digunakan untuk mengentalkan lateks (getah karet yang cair) sehingga menjadi membeku.

III. Alat dan Bahan

            Alat :

           - Erlenmeyer

           - Gelas ukur

           - Cawan petri

           - Gelas beaker

           - Corong

           - Kertas saring

           - Gunting

           - Pipet

            Bahan :

           - Alumunium foil

           - KOH

           - H2SO4

           - Etanol

           - Es batu

IV. Cara Kerja

Ditimbang alumunium foil yang telah digunting kecil sebanyak 1 gram

↓

Dimasukkan alumunium foil kedalam Erlenmeyer berisi KOH, diamati perubahan yang terjadi

↓

Diamkan dan dinginkan larutan kemudian disaring, filtrate ditaruh dalam Erlenmeyer

↓

Disiapkan H2SO4 dalam gelas beaker

↓

Dimasukkan H2S04 tersebut dalam Erlenmeyer sampe membentuk endapan putih

↓

Diamkan beberapa saat lalu saring dengan kertas saring yang telah ditimbang

↓

Setelah filtrate terpisah, residu pada kertas saring dicuci dengan etanol. Diulangi 2 kali

↓

Ditimbang kristal yang terbentuk

V. Pengamatan

        Bobot Kertas Saring KOH       : 0,4147 gram

         Bobot Kertas Saring + Tawas : 6,6278 gram

         Bobot Tawas                              : 6,2131 gram 

 

VI. Pembahasan

 

     Praktikum kali ini adalah pembuatan tawas menggunakan bahan alumunium dicampur dengan KOH10% dan dengan NaOH 20%. Tawas adalah kelompok garam rangkap berhidrat berupa kristal dan bersifat isomorf. Tawas ini dikenal dengan nama KAl(SO₄)₂.12 H₂O yang dikenal banyak sebagai koagulan didalam pengolahan air maupun limbah. Sebagai koagulan alum sulfat sangat efektif untuk mengendapkan partikel yang melayang baik dalam bentuk koloid maupun suspensi. Alum merupakan salah satu senyawa kimia yang dibuat dari molekul air dan dua jenis garam, salah satunya biasanya Al₂(SO₄)₃. Alum kalium merupakan senyawa yang tidak berwarna dan mempunyai bentuk kristal oktahedral atau kubus ketika kalium sulfat dan aluminium sulfat keduanya dilarutkan dan didinginkan. Larutan alum kalium tersebut bersifat asam. Proses awal pembuatan tawas dilakukan dengan melarutkan potongan potongan aluminium foil yang sudah dipotong kecil kecil dalam larutan KOH sambil dipanaskan. Pemanasan ini bertujuan untuk mempercepat kelarutannya, karena semakin tinggi suhu dan semakin luas permukaan zat maka kelarutannya semakin besar.

Pada penambahan KOH reaksi berjalan cepat dan bersifat eksoterm karena menghasilkan kalor. Dalam reaksi ini terbentuk gas H₂ yang ditandai dengan munculnya gelembung- gelembung gas. Gelembung-gelembung gas hilang setelah semua aluminium bereaksi. Setelah Al larut, dihasilkan larutan berwarna  hitam. Reaksi antar Al dan KOH berlangsung melalui persamaan berikut

2Al _(s) + 2KOH _(aq) + 2H₂O _{(l)      —————->}       2KAlO_{2 (aq)} + 3H_{2 (g)}

Setelah proses pelarutan selesai, dilakukan proses penyaringan, proses penyaringan ini bertujuan untuk menyaring ion-ion pengganggu, dan yang tersisa hanya tinggal filtratnya. filtrat ini kemudian diambil, dan ditetesi dengan asam sulfat 50%. Proses penambahan asam sulfat ini dilakukan secara perlahan sambil diaduk, hal ini bertujuan agar semua Al yang berada di dalamnya dapat bereaksi sempurna dengan pembentukan endapan yang sempurna secara teratur. Penambahan asam sulfat secara perlahan juga bertujuan agar dapat mengendalikan pH dengan mengecek pH setiap beberapa tetes sekali, sehingga larutan tidak akan terlalu asam dan tidak terlalu basa, sehingga penambahan H₂SO₄ dapat dihentikan tepat pada pH 1-2, karena pada pH 1-2 terjadi pengendapan yang sempurna dan dapat mengikat kation K⁺ dan Al³⁺.  Larutan asam sulfat 50% sebelumnya dibuat dengan cara pengenceran asam, sulfat 98%(yang tersedia di laboratorium)  yaitu dengan mencampurkan H₂SO₄ dan aquades dengan perbandingan volume 1:1. Reaksi antar zat yang dihasilkan dari reaksi antar Al dan KOH dengan asam sulfat menghasilkan endapan yang berwarna putih.

2KAlO_{2 (aq)} +2H₂O _(l) + H₂SO_4(aq) ————->    K₂SO_4(aq) + Al(OH)_{3 (s)}

Warna putih yang terbentuk berasal dari senyawa Al(OH)_3. senyawa Al(OH)₃ yang bersifat basa dicampurkan dengan asam sulfat hingga pHnya 1-2. Hal tersebut bertujuan untuk membentuk kation-kation (K⁺ dan Al³⁺) yang merupakan elemen elemen yang diperlukan untuk membentuk tawas.

H₂SO_4(aq) + K₂SO_4(aq) + 2Al(OH)_{3 (s)   ————–>}        2Kal(SO₄)_{2 (aq)} + 6H₂O

Larutan pH 1-2 tersebut dipanaskan dengan suhu 60-80^oC. Setelah dipanaskan dan kemudian didinginkan terbentuklah kristal-kristal tawas. Pada percobaan ini pada saat dipanaskan suhunya dikendalikan dengan mengukur setiap beberapa menit sekali dengan termometer. Apabila suhunya terlalu tinggi (>80^oC), maka suhu hotplate diturunkan, kemudian sebaliknya bila suhu larutan rendah untuk mempercepatnya maka suhu hotplate dinaikkan. Kristal-kristal tawas yang telah didinginkan. Pada saat pendinginan ini, larutan dibiarkan diudara terbuka hingga dingin, pada saat ini endapan yang terbentuk adalah Kal(SO₄)_2.12H₂O. Setelah dingin, dilakukan penyaringan dan dibilas dengan air dan alkohol, yang bertujan untuk mencuci endapan dan membilas sisa tawas yang tersisa di erlenmeyer serta fungsi alkoholnya untuk mempercepat penguapan larutan pencuci. Kristal yang terbentuk kemudian disaring dan dikeringkan.Sehingga didapatkan kristal tawas dengan berat 6,2131 gram. Pada percobaan ini tidak dilakukan analisis titik leleh, sehingga hanya dilakukan pembuatan tawas dari aluminium foil saja.

24 H₂O + 2Kal(SO₄)_{2 (aq)   ————->}      2Kal(SO₄)_2.12H₂O_(s)

Sedangkan pada percobaan pembuatan tawas dengan campuran antara aluminium foil dengan NaOH tidak terbentuk tawas ini terjadi akibat NaOH yang digunakan merupakan NaOH yang didapat dipasaran. Diduga NaOH ini tidak benar-benar murni sehingga tidak terbentuk tawas.

VII. Kesimpulan

Pembuatan tawas dari limbah alumunium foil dapat dilakukan dengan katalis KOH 10% dengan berat tawas 6,2131 gram dan Pembuatan tawas dari limbah alumunium foil tidak terbentuk dengan katalis NaOH 20%.