100 - Skripsi Gabung [PDF]

Citation preview

“Pengaruh Penambahan Elemen Jejak Cu2+ dan Variasi Elektroda pada Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Reaktor Dual Chamber Sistem Kontinyu dalam Reduksi Cr6+ dan Produksi Biolistrik”



ABSTRAK Industri di Indonesia mengalami pertumbuhan yang semikin pesat, salah satunya industri tekstil dan produk tekstil (PTP). Pesatnya pertumbuhan industri mengakibatkan jumlah limbah kromium yang dihasilkan semakin meningkat. Produksi limbah logam mencapai 80% dari seluruh jumlah air yang digunakan dalam proses produksi batik. Microbial Fuel Cell (MFC) menjadi alternatif yang menjanjikan karena kemampuannya untuk mereduksi logam berat Cr6+ sekaligus mengolah limbah organik dan menghasilkan biolistrik (double track research). Selain logam berat, limbah molases juga menjadi perhatian khusus karena produksi nya yang tinggi yaitu 1,56 juta ton/tahun dimana molases masih mengandung 50-60% gula yang berpotensi untuk didegradasi dan dimanfaatkan sebagai substrat pada MFC. Shewanella oneidensis MR-1 merupakan bakteri yang baik untuk mendegradasi molases dan mampu menghasilkan densitas energi yang tinggi. Oleh karena itu, dalam penelitian ini, reduksi limbah Cr (VI) dengan MFC menggunakan bakteri Shewanella oneidensis MR-1 dan sistem dual chamber kontinyu untuk memperoleh hasil yang optimum. Dalam penelitian ini dianalisa pengaruh penambahan elemen jejak Cu2+ dan variasi elektroda terhadap produksi biolistrik, reduksi dari Cr6+, dan reduksi nilai BOD. Variabel penambahan Cu2+ yang digunakan adalah 1 mikrogram/L, 10 mikrogram/L, dan 100 mikrogram/L. Sedangkan jenis elektroda yang digunakan adalah carbon cloth dan activated carbon dari cangkang kelapa sawit. Dari hasil percobaan didapatkan variabel penambahan Cu2+ sebesar 1 mikrogram/L dengan jenis elektroda carbon cloth menghasilkan biolistrik dan penurunan nilai yang paling optimum, yaitu dengan total power density sebesar 338,18 W/m2 dan reduksi BOD sebesar 56,1%. Sedangkan reduksi Cr6+ paling optimum dicapai pada variabel tanpa penambahan Cu2+ dengan jenis elektroda carbon cloth dengan removal 99,60%. Kata kunci : Elemen Jejak Cu2+, Logam Cr6+, Shewanella Oneidensis MR-1, Limbah, Microbial Fuel Cell



i



"Effect of Addition Cu2+ Trace Elements and Electrode Variations on the Performance of Microbial Fuel Cell (MFC) Continuous Dual Chamber Reactor Systems in Cr6+ Reduction and Bioelectrical Production"



ABSTRACT The industry in Indonesia is experiencing rapid growth, one of which is the textile and textile product (PTP) industry. The rapid growth of the industry resulted in the amount of chromium waste produced is increasing. Metal waste production reaches 80% of the total amount of water used in the batik production process. Microbial Fuel Cell (MFC) is a promising alternative because of its ability to reduce heavy metal Cr6+ while treating organic waste and producing bioelectrical (double track research). Besides heavy metals, molasses waste is also of particular concern because of its high production of 1.56 million tons / year where molasses still contain 50-60 % sugar which has the potential to be degraded and used as a substrate in MFC. Shewanella oneidensis MR-1 is a good bacterium to degrade molasses and is capable of producing high energy densities. Therefore, in this study, the reduction of Cr (VI) waste by MFC uses the Shewanella oneidensis MR-1 bacterium and a continuous dual-chamber system to obtain optimum results. In this study, the influence of Cu2+ trace element addition and electrode variations on bioelectrical production, reduction of Cr6+, and reduction of BOD were analyzed. The addition of Cu2+ variables used was 1 microgram / L, 10 micrograms / L, and 100 micrograms / L. While the types of electrodes used are carbon cloth and activated carbon from palm shells. From the experimental results, it was found that the addition of Cu2+ by 1 microgram / L with the type of carbon cloth electrodes produced the most optimum bioelectrical and reduction in value, with a total power density of 338.18 W / m2 and a BOD reduction of 56.1%. While the most optimum Cr6+ reduction is achieved on variables without the addition of Cu2+ with carbon cloth electrodes with 99.60% removal. Keywords: Trace Element Cu2+, Cr



6+



metal, Shewanella Oneidensis MR-1, Waste,



Microbial Fuel Cell



ii



KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah Subhana Wa Ta'ala yang telah memberikan rahmat, hidayah, dan kekuatan sehingga kami dapat membuat laporan tugas penelitian yang berjudul “Pengaruh Penambahan Elemen Jejak Cu2+ dan Variasi Elektroda pada Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Reaktor Dual Chamber Sistem Kontinyu dalam Reduksi Cr6+ dan Produksi Biolistrik”. Laporan tugas penelitian ini menjadi salah satu syarat dalam untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri dan Rekayasa Sistem, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Selama penyusunan laporan tugas penelitian ini, kami banyak mendapat bimbingan, dorongan, serta bantuan dari banyak pihak. Untuk itu, kami ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Orang tua, saudara, dan segenap keluarga yang telah mendidik, membesarkan, dan memberikan dukungan serta kasih sayang yang tiada henti. 2. Ibu Dr. Widiyastuti, S.T., M.T., selaku Kepala Departemen Teknik Kimia FTIRS-ITS Surabaya. 3. Ibu Dr. Ir. Sri Rachmania Juliastuti, M.Eng , selaku Kepala Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Departemen Teknik Kimia FTIRS-ITS yang sekaligus Dosen Pembimbing kami atas bimbingan, saran dan motivasi yang telah diberikan 4. Bapak dan Ibu Dosen pengajar serta seluruh karyawan Departemen Teknik Kimia ITS. 5. Bapak/Ibu Pimpinan PT. Energi Agro Nusantara yang telah membantu dalam penyediaan molasse sebagai bahan penelitian kami. 6. Asisten Laboratorium Pengolahan Limbah Industri Departemen Teknik Kimia ITS, atas kebersamaan dan masukan yang menginspirasi. 7. Teman-teman K56 atas segala dukungan dan kebersamaannya selama ini.



Kami menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan laporan tugas penelitian ini, yang membutuhkan saran yang membangun agar dapat lebih baik dan bermanfaat bagi kemaslahatan manusia kelak dikemudian hari.



Surabaya, 8 Januari 2020



Penulis



iii



DAFTAR ISI ABSTRAK ................................................................................................................................. i ABSTRACT ..............................................................................................................................ii KATA PENGANTAR ............................................................................................................ iii DAFTAR ISI............................................................................................................................ iv DAFTAR TABEL ................................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... ix BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................................... I-1 I.1 Latar Belakang ............................................................................................................... I-1 I.2 Rumusan Masalah .......................................................................................................... I-3 I.3 Tujuan Penelitian ........................................................................................................... I-3 I.4 Manfaat Penelitian ......................................................................................................... I-3 I.5 Batasan Penelitian .......................................................................................................... I-4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................................... II-1 II.1 Kromium (Cr) .............................................................................................................. II-1 II.2 Molasses ...................................................................................................................... II-2 II.3 Shewanella oneidensis MR-1 ....................................................................................... II-3 II.4 Fuel Cell ...................................................................................................................... II-5 II.5 Microbial Fuel Cell ..................................................................................................... II-8 II.5.1 Jenis Desain Microbial Fuel Cell ......................................................................... II-9 II.5.2 Material Elektroda Microbial Fuel Cell ............................................................. II-10 II.5.3 Sistem Penukar Kation ........................................................................................ II-12 II.5.4 Faktor Operasi Microbial Fuel Cell .................................................................... II-13 II.6 Tembaga (Cu) ............................................................................................................ II-15 II.7 Penelitian-Penelitian Terdahulu ................................................................................ II-16 BAB III METODE PENELITIAN ................................................................................... III-1 III.1 Kondisi Operasi ........................................................................................................ III-1 III.2 Variabel Penelitian ................................................................................................... III-1 III.3 Bahan,Skema dan Alat Penelitian ............................................................................ III-2 III.3.1 Bahan Penelitian ................................................................................................ III-2 III.3.2 Alat Penelitian ................................................................................................... III-2 III.3.3 Skema Alat Penelitian ....................................................................................... III-3



iv



III.3.4 Diagram Alir Penelitian ..................................................................................... III-5 III.3.5 Prosedur Penelitian ................................................................................................ III-6 III.3.5.1 Persiapan Penelitian ........................................................................................ III-6 III.3.5.2 Proses Eksperimen ......................................................................................... III-8 III.3.6 Tahap Analisa Penelitian ....................................................................................... III-9 III.3.7 Jadwal Kegiatan .................................................................................................. III-10 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ................................................. IV-1 IV.1 Microbial Fuel Cell Resirkulasi Kontinyu............................................................... IV-1 IV.2 Pertumbuhan Shewanella oneidensis MR-1 ............................................................. IV-3 IV.3 Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap Produksi Biolistrik ........................................................................................................................... IV-8 IV.4 Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap Penurunan BOD (Biochemical Oxygen Demand) .......................................................... IV-11 IV.5 Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap Penurunan Kadar Cr6+ .................................................................................................... IV-14 IV.6 Pengaruh pH Katoda Terhadap Penurunan Kadar Cr6+ ........................................ IV-16 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...............................................................................V-1 V.1 Kesimpulan..................................................................................................................V-1 V.2 Saran ............................................................................................................................V-1 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. xi APPENDIKS A.....................................................................................................................A-1 APPENDIKS B ..................................................................................................................... B-1 RIWAYAT PENULIS .......................................................................................................... xiv



v



DAFTAR TABEL Tabel 2. 1 Baku Mutu Air terhadap cemaran kromium berdasarkan kelas ........................... II-2 Tabel 2. 2 Kandungan Nutrisi pada Molasses ....................................................................... II-2 Tabel 2. 3 Klasifikasi Ilmiah Shewanella oneidensis MR-1.................................................. II-4 Tabel 2. 4 Jenis Fuel Cell dan Karakteristiknya.................................................................... II-6 Tabel 2. 5 Perbandingan antara jenis pemisah .................................................................... II-12 Tabel 3. 1 Jadwal Kegiatan Penelitian Tahun 2019-2020 ................................................. III-10 Tabel 4. 1 Hasil Reduksi Biochemical Oxygen Demand (BOD) ...................................... IV-13 Tabel 4. 2 Hasil Reduksi Kromium Heksavalen ............................................................... IV-16 Tabel B- 1 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ ................................................................................................ B-2 Tabel B- 2 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg Cu2+ ..................................................................................... B-2 Tabel B- 3 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg Cu2+ ................................................................................... B-2 Tabel B- 4 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg Cu2+ ................................................................................. B-3 Tabel B- 5 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan Cu2+ ............................................................................................. B-3 Tabel B- 6 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg Cu2+ .................................................................................. B-4 Tabel B- 7 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg Cu2+ ................................................................................ B-4 Tabel B- 8 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg Cu2+ .............................................................................. B-4 Tabel B- 9 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ ......................................................................................................... B-6 Tabel B- 10 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg Cu2+ ..................................................................................... B-6 Tabel B- 11 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg Cu2+ ................................................................................... B-7 Tabel B- 12 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg Cu2+ ................................................................................. B-8



vi



Tabel B- 13 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan Cu2+ ............................................................................................. B-8 Tabel B- 14 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg Cu2+ .................................................................................. B-9 Tabel B- 15 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg Cu2+ .............................................................................. B-10 Tabel B- 16 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg Cu2+ ............................................................................ B-10 Tabel B- 17 Hasil analisa kadar Cr6+ pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth . B-11 Tabel B- 18 Hasil analisa kadar Cr6+ pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon .............................................................................................................................................. B-11 Tabel B- 19 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan larutan Cu2+ ........................................................................................... B-12 Tabel B- 20 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg/L Cu2+ ........................................................................................ B-13 Tabel B- 21 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg/L Cu2+....................................................................................... B-14 Tabel B- 22 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg/L Cu2+..................................................................................... B-15 Tabel B- 23 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan larutan Cu2+ ........................................................................................... B-15 Tabel B- 24 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg/L Cu2+ ........................................................................................ B-16 Tabel B- 25 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg/L Cu2+....................................................................................... B-17 Tabel B- 26 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg/L Cu2+..................................................................................... B-17 Tabel B- 27 % Removal Cr6+ pada tiap variabel penelitan MFC dual chamber ................ B-18 Tabel B- 28 Hasil analisa BOD5 pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth ........ B-19 Tabel B- 29 Hasil analisa BOD5 pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon . B-20 Tabel B- 30 % Removal BOD pada tiap variabel penelitan MFC dual chamber ............... B-20 Tabel B- 31 pH kompartemen katoda pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth B-21



vii



Tabel B- 32 pH kompartemen katoda pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon .............................................................................................................................................. B-22 Tabel B- 33 pH kompartemen anoda pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth . B-22 Tabel B- 34 pH kompartemen anoda pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon .............................................................................................................................................. B-23



viii



DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 .............................................................. II-5 Gambar 2. 2 Blok Diagram Fuel Cell................................................................................... II-5 Gambar 2. 3 Reaktor MFC tipe Dual Chamber.................................................................. II-10 Gambar 2. 4 Reaktor MFC tipe Single Chamber ............................................................... II-10 Gambar 3. 1 Rangkaian alat Microbial Fuel Cell .............................................................. III-3 Gambar 3. 2 Reaktor microbial fuel cell (MFC) dual chamber resirkulasi kontinyu ........ III-4 Gambar 3. 3 Elektroda carbon cloth .................................................................................. III-4 Gambar 3. 4 Elektroda activated carbon............................................................................ III-4 Gambar 3. 5 Hemasitometer ............................................................................................... III-9 Gambar 4. 1 Kurva Pertumbuhan Shewanella oneidensis MR-1 Untuk Beragam Temperatur pada pH Netral ..................................................................................................................... IV-4 Gambar 4. 2 Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu 30℃ dan pH 7...................................................................................................................................... IV-5 Gambar 4. 3 Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu Selama 72 Jam Percobaan Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth ............................................................ IV-5 Gambar 4. 4 Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu Selama 72 Jam Percobaan Pada Jenis Elektroda Activated Carbon ...................................................... IV-6 Gambar 4. 5 Grafik pH kompartemen Katoda Setiap Pada Variabel Elektroda Carbon Cloth dengan penambahan KOH Setiap 6 jam .............................................................................. IV-7 Gambar 4. 6 Grafik pH kompartemen Katoda Setiap Pada Variabel Elektroda Activated Carbon dengan penambahan KOH Setiap 6 jam ................................................................. IV-7 Gambar 4. 7 Hasil Produksi Power Density Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth..................................................................................................................................... IV-9 Gambar 4. 8 Hasil Produksi Power Density Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon ................................................................................................................................. IV-9 Gambar 4. 9 Total Power Density Tiap Variabel Jenis Elektroda Carbon Cloth ............ IV-10 Gambar 4. 10 Total Power Density Tiap Variabel Elektroda Activated Carbon ............. IV-10 Gambar 4. 11 Hasil Penurunan BOD ( Biochemical Oxygen Demand) Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth ............................................................................................ IV-12 Gambar 4. 12 Hasil Penurunan BOD (Biochemical Oxygen Demand) Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon ...................................................................................... IV-12 Gambar 4. 13 Hasil Reduksi Cr6+ Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth IV-14 ix



Gambar 4. 14 Hasil Reduksi Cr6+ Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon ............................................................................................................................................ IV-15 Gambar 4. 15 Nilai pH Kompartemen Katoda Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth ....... IV-17 Gambar 4. 16 Nilai pH Kompartemen Katoda Pada Jenis Elektroda Activated Carbon . IV-17



x



BAB I PENDAHULUAN



I.1 Latar Belakang Industri di Indonesia mengalami pertumbuhan yang cukup pesat di tiap tahunnya, tak terkecuali dengan industri penyamakan kulit, yang mana mengalami peningkatan ekspor produk alas kaki kulit sebesar 6,53 % pada tahun 2017. Tingginya ekspor dari produk berbahan kulit Indonesia menjadi yang keempat di dunia dengan kontribusi produksi sebesar 4,4 % dari total produksi alas kaki dunia sekaligus juga menyumbang PDB nasional sebesar 1,6 %. Peningkatan tersebut secara otomatis juga meningkatkan jumlah limbah industri penyamakan kulit. Pada penyamakan 1 ton kulit basah diperlukan air ± 40 m3 dan kemudian dibuang sebagai limbah cair yang tercampur dengan bahan kimia sisa proses dan komponen kulit yang terlarut selama penyamakan. Proses produksi di industri penyamakan kulit mengkonsumsi bahan Kromium dengan jumlah paling banyak dan 85% kulit di dunia disamak dengan bahan kulit (Sugihartono, 2016). Kromium yang terkandung dalam limbah cair industri penyamakan kulit dapat membahayakan lingkungan dan ekosistem bila dilepas secara langsung ke badan air. Pada umumnya, kromium yang terkandung dalam limbah cair penyamakan kulit berbentuk sebagai kromium heksavalen (Cr6+) yang memiliki toksisitas 100 kali lebih besar dari Cr3+. Selain itu, kromium heksavalen juga bersifat korosif, karsinogenik, iritasi, dan gangguan saluran pernafasan apabila berkontak pada tubuh manusia (Rahmawati dan Suhendar, 2015). Kromium heksavalen dapat terakumulasi pada tubuh manusia yang mengonsumsi ikan yang hidup pada ekosistem yang tercemar limbah kromium. Untuk meminimalisir dampak toksik dari kromium, perlu dilakukan pengolahan limbah cair pada industri penyamakan kulit sebelum limbah dibuang ke sungai atau badan air. Terdapat beberapa metode konvensional dalam mengolah limbah Cr6+ antara lain reduksi dengan senyawa ferrosulfat (Moncekova,2016),atau dengan nanofilter membrane (Wei,2019).Tetapi metode tersebut memerlukan biaya yang tidak murah,sehingga diperlukan cara alternatif untuk mengurai limbah Cr6+. Microbial Fuel Cell (MFC) menjadi salah satu alternatif untuk mengurai limbah limbah Cr6+ dan menghasilkan bioelektrik MFC adalah sistem bio-elektrokimia yang secara langsung mengubah energi kimia dalam substrat organik menjadi energi listrik dengan reaksi katalitik bakteri dalam kondisi I-1



anaerob. MFC terdiri dari anoda dan katoda yang dipisahkan oleh membran penukar proton. Bakteri elektrogenik mengoksidasi substrat di anoda untuk melepaskan elektron, proton, dan CO2. Elektron kemudian diangkut melalui sirkuit eksternal ke katoda di mana mereka dikonsumsi oleh zat pengoksidasi. Komponen utama dalam MFC adalah elektroda (yaitu, anoda dan katoda), yang mempengaruhi pelekatan mikroba, transfer elektron, resistansi internal, dan laju reaksi permukaan elektroda. Efek ini bervariasi dalam bahan elektroda yang berbeda karena perbedaan dalam sifat fisik dan kimianya (Thygesen,2016). Dalam hal ini,selain logam berat, limbah organik berupa molases juga menjadi perhatian khusus karena jumlah produksinya di Indonesia yang tinggi. Pada industri gula tebu, selain menghasilkan gula tebu, juga dihasilkan molase yang merupakan produk sampingan selama proses pemutihan gula. Di beberapa pabrik gula, molase ini di ekspor keluar negeri dengan harga yang relatif murah, dibanyak tempat, limbah ini sangat kecil daya gunanya dan sering menjadi masalah pencemaran lingkungan karena molase mengandung kalsium oksida yang dapat mengurangi kadar oksigen tanah. Molase mengandung nutrisi cukup tinggi untuk kebutuhan bakteri, sehingga dijadikan bahan alternatif sebagai sumber karbon (Fifendy,2013). Pemanfaatan kedua limbah yaitu limbah logam berat kromium dan limbah molase dengan MFC mampu memperoleh tiga manfaat sekaligus, yaitu pengolahan logam berat, pengolahan limbah molase, dan produksi bioenergi dari MFC yang dihasilkan. Selama ini, MFC yang dikembangan masih menggunakan sistem batch. Penggunaan sistem batch memiliki beberapa kekurangan dalam skala industri,yaitu membutuhkan volume dan ruang yang besar dan bakteri yang digunakan banyak. Oleh karena itu perlu dikembangkan MFC dengan sistem dual batch yang menggunakan sistem kontinyu sehingga volume dan ruang yang dibutuhkan lebih kecil. Berbagai jenis bakteri digunakan dalam penggunaan MFC,salah satunya adalah Shewanella oneidensis MR-1. Shewanella oneidensis MR-1 adalah bakteri anaerobik fakultatif dan merupakan bakteri elektroaktif dan mampu mendegradasi molases dengan baik dan menghasilkan densitas energi yang tinggi yaitu 2 W/m2. Selain bakteri,elektroda juga berpengaruh terhadap berjalannya reaksi reduksi dan oksidasi. Luas permukaan anoda berpengaruh terhadap aktivitas bakteri dan elektron.Penambahan elemen jejak Cu2+ dapat meningkatkan jumlah riboflavin dalam bakteri dan pelekatan bakteri pada elektroda,sehingga densitas energi meningkat (Shang Xu,2016). Elektroda jenis Carbon cloth diketahui dapat meningkatkan area kontak di anoda. Selain dengan menggunakan elektroda Carbon cloth, limbah cangkang kelapa sawit (Elaeis guineensis) yang memiliki kandungan karbon dan kalori yang tinggi dapat dimodifikasi menjadi bahan karbon aktif elektrode organik (Aziz, 2017). Dalam penelitian ini akan dianalisa I-2



pengaruh penambahan elemen jejak Cu2+ dan modifikasi jenis elektroda terhadap densitas energi dari MFC.



I.2 Rumusan Masalah Adapun permasalahan dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana proses pengolahan limbah molase dan limbah logam berat Cr6+ sebagai dalam pengurangan BOD (Biochemical Oxygen Demand) sekaligus menghasilkan bioenergy alternatif. dengan menggunakan Microbial Fuel Cell dual chamber sistem kontinyu memanfaatkan bakteri Shewanella oneidensis MR-1. 2. Bagaimana pengaruh penambahan elemen jejak Cu2+ dan modifikasi jenis elektroda terhadap besar reduksi logam dan energi yang dihasilkan



I.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah: 1. Untuk menentukan proses pengolahan limbah molases dan limbah logam berat Cr6+ dalam pengurangan BOD (Biochemical Oxygen Demand) sekaligus menghasilkan bioenergy alternatif. dengan menggunakan Microbial Fuel Cell dual chamber sistem kontinyu memanfaatkan bakteri Shewanella oneidensis MR-1. 2. Untuk mengetahui pengaruh elemen jejak Cu2+ dan modifikasi jenis elektroda terhadap banyaknya reduksi Cr6+ dan power density yang dihasilkan.



I.4 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari program penelitian ini adalah : 1. Hasil penelitian diharapkan dapat menjadi salah satu solusi dari pengolahan limbah organik dan limbah logam berat. 2. Dapat menguarangi toksisitas limbah Cr6+ sebagai limbah logam yang berbahaya sekaligus menghasilkan bioenergi dengan sistem yang kontinyu dan hasil yang optimum. 3. Sebagai referensi untuk penelitian selanjutnya.



I-3



I.5 Batasan Penelitian Adapun batasan dari penelitian ini adalah : 1. Reaktor yang digunakan dalam sistem Microbial Fuel Cell (MFC) adalah reaktor dualchamber.sistem kontinyu. 2. Reagen di anoda menggunakan larutan organik limbah cair molases sebagai substrat organik, media bakteri nutrient broth, dan buffer fosfat pH 7 dengan volume total 10 L. 3. Reagen di katoda menggunakan larutan logam Cr6+ dan larutan buffer sitrat dengan volume total 10 L. 4. Anoda dan katoda dihubungkan oleh sistem penukar kation yaitu jembatan garam. 5. Kegiatan penelitian dilaksanakan di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.



I-4



BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1. Kromium (Cr) Kromium merupakan salah satu logam berat yang memiliki karakteristik berwarna abu-abu, keras, dan berkilau. Pada tabel periodik, kromium terletak pada golongan VI dengan nomor atom sebesar 24. Umumnya kromium berfase padat dengan titik didih dan titik lebur masing-masing sebesar 1857 ℃ dan 2672 ℃. Kromium dapat berbentuk dalam kondisi trivalen (Cr3+), yang mana merupakan bentuk yang paling stabil, maupun berbentuk heksavalen (Cr6+) yang mana menjadi agen pengoksidasi yang kuat. Secara natural, kromium di alam tidak berbentuk unsur tunggal, melainkan dijumpai dalam mineral - mineral kromit (FeCr2O4). Kromium (III) menjadi salah satu elemen jejak dan mikronutrien yang dibutuhkan oleh tubuh manusia. Kromium bermanfaat dalam metabolisme insulin dan pembentukan faktor toleransi glukosa. Secara komersil, logam kromium dimanfaatkan dalam berbagai aktivitas industri, diantaranya pada industri penyamakan kulit, industri tekstil, konsentrasi kimia, dan pelapisan logam. Kromium pada industri tidak hanya ditemukan sebagai sumber bahan baku, melainkan juga dijumpai pada limbah proses industri. Limbah yang mengandung kromium bersifat tidak mudah terurai, toksik, dan karsinogenik sehingga berbahaya apabila terlepas secara langsung ke lingkungan. Kromium dapat masuk ke tubuh manusia melalui makanan berupa ikan ataupun organisme lain yang hidup di lingkungan yang terpapar limbah kromium. Akumulasi yang besar dari Kromium dapat menyebabkan kanker serta iritasi pada saluran pernafasan. Kromium trivalen memiliki toksisitas yang lebih rendah dan tidak bersifat karsinogenik jika dibandingkan dengan kromium heksavalen, dikarenakan daya larut dan mobilitasnya yang lebih tinggi. Secara umum toksisitas kromium dipengaruhi oleh bilangan oksidasi kromium, pH, dan suhu. Kadar kromium pada air tawar biasanya kurang dari 0,001 mg/l dan pada perairan laut sebesar 0,00005 mg/l. Berdasarkan Peraturan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Tahun 2014, baku mutu air limbah ialah mengandung kromium dengan kadar maksimum 0,6 mg/l. Sedangkan batas maksimum kromium untuk keperluan air minum dan kegiatan perikanan ialah 0,05 mg/l berdasar Peraturan Pemerintah no. 82 tahun 2001. Berikut merupakan baku mutu air yang dibedakan berdasarkan kelas-kelas yang termaktub dalam Peraturan Pemerintah no. 82 tahun 2001.



II-1



Tabel 2.1 Baku Mutu Air terhadap cemaran kromium berdasarkan kelas (PP no. 82 tahun 2001, 2001) Kelas



Kandungan Krom (VI)



I



0,5 mg/l



II



0,5 mg/l



III



0,5 mg/l



IV



0,1 mg/l



Baku mutu kelas satu peruntukannya dapat digunakan sebagai air minum masyarakat umum, sedangkan untuk kelas dua peruntukannya untuk sanitasi dan rekreasi air. Sedangkan untuk baku mutu kelas III dan IV berturut-turut peruntukannya pada peternakan agraria dan air pendingin untuk keperluan industri (Sundstorm, 1973).



II.2 Molasses Molasses merupakan hasil samping dari proses pembuatan gula, yang mana berbentuk cairan kental berwarna coklat gelap dengan kandungan gula yang tinggi, yakni berkisar 60-65%. Selain mengandung gula (sukrosa, glukosa, fruktosa), molasse atau yang dikenal juga sebagai tetes tebu memiliki kandungan asam amino dan mineral. Tingginya kadar nutrien dari molasse membuat bahan ini sering digunakan sebagai bahan aditif pakan ternak, yang mana kehadiran molasse pada ransum dapat meningkatkan palabilitas ransum, penghilangan karakteristik berdebu ransum, dan pengikatan ransum. Selain dimanfaatkan sebagai pakan ternak, dewasa ini molasse juga dapat dimanfaatkan sebagai pupuk tanaman, penyedap rasa (MSG), bahan baku spiritus, dan media tumbuh jamur. Komposisi dari Molasse dapat dilihat pada Tabel 2.2.



Tabel 2.2. Kandungan Nutrisi pada Molasses (Reni, 2008) No



Kandungan



Kisaran (%)



Rata-Rata (%)



1



Air



17-25



20



2



Senyawa Organik Sukrosa



30-40



35



Glukosa



4-9



7



Fruktosa



5-12



9



Gula Reduksi lain



1-5



4



II-2



3



4



Protein Kasar



2,5-4,5



4



Asam Amino



0,3-0,5



0,4



Senyawa Anorganik K2O



4,80



MgO



1,20



CuO



0,98



Na2O



0,10



Fe2O3



0,12



SO3



1,90



Cl



1,80



P2O5



0,60



SiO2 tak larut



0,60



Wax, Phospolipid, dan



0,40



Sterol 5



Vitamin Biotin



2



Cholin



8,80



Asam Folat



0,35



Niacin



23



Riboflavin



40



Asam Pantothenat



2,50



Phyridoxine



4



Thiamine



0,80



II. 3. Shewanella oneidensis MR-1 Genus Shewanella telah dikenal keberadaannya pada sedimen laut dan kapasitas metabolismenya. Shewanella merupakan bakteri gram negatif, anaerob fakultatif yang berbentuk batang. Shewanella menggunakan oksigen, logam berat dan nitrat sebagai akseptor elektron dalam konteks transpor elektron. Karena kemampuan-nya dalam degradasi limbah dan bahan organik, Shewanella acap kali digunakan pada proses bioremidiasi. Sebagai salah satu bakteri elektroaktif, Shewanella dapat melepas elektron menuju akseptor ekstraselluler melalui permukaan sel. Pertumbuhan optimal dari Shewanella mencapai temperatur sebesar 30 ℃. (Venkatesvaran, dkk, 2011)



II-3



Secara khusus, Shewanella oneidensis MR-1 yang memiliki ukuran 2-3 μm, dapat membentuk biofilm pada permukaan zat padat maupun antarmuka fase cair-gas (Wu, 2019). Shewanella oneidensis memiliki kemampuan khusus untuk melakukan respirasi menggunakan berbagai akseptor elektron terminal tanpa keberadaan oksigen. Pengembangan di era sekarang, Shewanella oneidensis MR 1 dimanfaatkan untuk memperoleh energi, salah satunya dalam Microbial Fuel Cell yang digunakan untuk mengolah air limbah (Logan, 2006). Dalam sistem microbial fuell cell, bakteri ini juga mampu dalam mengoksidasi katoda untuk mengkatalisasi oksigen dan reduksi fumarat, menunjukkan proses transfer elektron ekstraseluler (EET) yang cukup beragam dan terjadi tidak hanya dari bakteri ke oksida logam atau elektroda solid-state, tetapi juga sebaliknya dari elektroda ke bakteri (Fu, 2019). Pada Microbial Fuel Cell, bakteri mentransfer elektron menuju anode menggunakan flavin sebagai penghubung elektron. Pembentukan flavin didasarkan pada satu molekul guanosin trifosfat dan satu molekul ribosa-5-fosfat, yang diubah menjadi riboflavin (RF) oleh protein yang dikodekan oleh ribBA, ribD, ribH, dan ribE. (Covington, 2010). Reaksi metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1 dalam microbial fuel cell dengan kompartemen anoda yang menggunakan substrat berupa glukosa adalah sebagaimana berikut, (Miroliaei, 2013) 



Shewanella sp Pada Anoda : C6H12O6 + 6H2O 6CO2 + 24H+ + 24e-



(3)







Pada Katoda : O2 + 4H+ + 4e-



2H2O



(4)







Reaksi Total : C6H12O6 + 6O2



6CO2 + 6H2O



(5)



Tabel 2.3 Klasifikasi Ilmiah Shewanella oneidensis MR-1 Kingdom



Bacteria



Filum



Proteobacteria



Kelas



Gammaproteobacteria



Ordo



Alteromonadales



Famili



Shewanellaceae



Genus



Shewanella



II-4



Gambar 2.1 Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 (Oak Ridge National Laboratory,2011)



II. 4. Fuel Cell Fuel cell merupakan suatu teknologi masa depan yang berupa sel bahan bakar dalam konteks untuk menghasilkan suatu energi untuk menggerakkan bermacam-macam peralatan. Fuel Cell menghasilkan listrik searah (DC) melalui proses elektrokimia dengan kombinasi hidrogen (H2) dan oksigen (O2) (Eniya dkk, 2008). Pengembangan fuel cell sudah dilakukan sejak 1893 oleh Sir William Robert Grove dan awalnya diaplikasikan pada teknologi ruang angkasa. Teknologi Fuel cell menjadi makin dilirik karena tendensi nya yang dapat menggantikan pembangkit listrik ber bahan bakar minyak dan sudah mulai diaplikasikan dalam penggerak mobil pada tahun 90-an. Pembangkit listrik Fuel Cell ini termasuk yang tidak menghasilkan polutan dan ramah bagi lingkungan. Hal ini dikarenakan sisa reaksinya yang hanya berupa panas dan air. Keunggulankeunggulan Fuel Cell dibandingkan dengan pembangkit lainnya diantaranya, Memiliki efisiensi yang tinggi, berkisar 40% - 60 %, Tidak menimbulkan suara bising, dan mampu menanggapi dengan cepat perubahan oksigen atau bahan bakar (Hasan, 2007). Fuel Cell menjadi harapan baru dalam menggantikan motor bakar untuk kendaraan bermotor di masa yang akan datang (Hendrata, 2001).



Gambar 2.2 Blok Diagram Fuel Cell (Hasan, 2007)



II-5



Prinsip kerja Fuel Cell ialah dengan mereaksikan hidrogen dengan oksigen untuk menghasilkan listrik yang ditunjukkan pada reaksi sebagaimana berikut, 2H2 + O2  2H2O Pada reaksi diatas, energi panas dibebaskan untuk dirubah menjadi suatu energi listrik. Fuel Cell sendiri lazimnya terdiri atas kompartemen anoda dan katoda. Kompartemen katoda dan anoda dipisahkan oleh sebuah area yang dikenal sebagai PEM (Proton Exchange Membrane). Pada anoda, hidrogen dari asam elektrolit akan terionisasi menjadi ion hidrogen (H+) dan elektron, serta membebaskan sejumlah energi. Proton dari anoda akan mengalir ke katoda melalui membran penukar proton (PEM). 2H2  4H+ + 4eSedangkan pada katoda, oksigen akan bereaksi dengan elektron dari elektroda dan juga proton (ion hidrogen) membentuk air. O2 + 4e- + 4H+  2H2O Fuel Cell diklasifikasikan menjadi beberapa tipe berdasar material yang digunakan sebagai elektrolit, diantaranya adalah 1. Alkaline Fuel Cell (AFC) 2. Proton Exchange Membrane Fuel Cell 3. Phosphoric Acid 4. Molten Carbonate 5. Solid Oxide 6. Direct Methanol Fuel Cell 7. Microbial Fuel Cell 8. Regenerative Fuel Cell



Tabel 2.4. Jenis Fuel Cell dan Karakteristiknya (Hendrata, 2001) Jenis



Elektrolit



Karakteristik



Penggunaan



Alkaline



Kalilauge (KOH)



Efisiensi energi



Pesawat Ulang Alik,



tinggi, memiliki



kendaraan



kepekaan terhadap CO2 Polymer Exchange



Polymer Elektrolyt



Membrane



II-6



Kerapatan energi



Stasiun Pembangkit



tinggi, memiliki



Panas, Kendaraan



kepekaan terhadap CO Phosphoric Acid



Phosphor Acid



Efisiensi Energi



Fuel Cell



Kendaraan



terbatas, memiliki kepekaan terhadap CO.



Molten Carbonate



Molten Carbonate



Problem Korosi



Pembangkit energi panas



Solid Oxyde



Direct Methanol



Lapisan Keramik



Polymer Elektrolyt



Fuel Cell



Efisiensi sistem



Pembangkit energi



tinggi, Temperatur



panas, Stasiun



operasi perlu



pembangkit dengan



diturunkan



turbin



Efisiensi sistem



Kendaraan



tinggi.



Alkaline Fuel Cell merupakan salah satu jenis fuel cell yang paling muta-akhir. Fuel cell yang menggunakan alkaline potassium sebagai elektrolit ini diaplikasikan sebagai komponen dalam pesawat ulang alik NASA. Dikarenakan biayanya yang mahal, maka jarang digunakan dalam skala komersil. Polymer Exchange Membrane ialah fuel cell yang tergolong ekonomis dan sering dimanfaatkan pada alat elektrik, kamera video, dan telepon genggam. Fuel cell jenis ini memiliki karakter tahan pada suhu rendah dan terdiri atas membran plastik tipis yang dilapisa oleh platina. Phosporic Acid Fuel Cell telah lama dikembangkan sebagai pembangkit listrik di Eropa dan Amerika. Pengembangan pembangkit ini telah mencapai kapasitas mencapai 50 Kw sampai 11 mW. Biaya perawatan yang tinggi menjadi salah satu indikator fuel cell jenis ini tak lazim digunakan. Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) beroperasi pada temperatur yang tinggi dan telah dikembangkan dengan baik di Jepang dan Italia dengan kapasitas energi yang dihasilkan mencapai 30 mW sampai dengan 1 mW. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) merupakan fuel cell yang berbentuk menggunakan material berupa keramik yang beroperasi pada temperatur tinggi. SOFC telah dimanfaatkan



II-7



pada transportasi dan sistem hibrida dengan pembakaran nitrogen. Kapasitas yang dihasilkan mencapai 1 kW-25 kW. Direct Methanol Fuel Cell memiliki karakteristik yang mirip dengan PEM yakni menggunakan plastik polimer sebagai bahan membran. Pada DMFC, hidrogen diambil langsung oleh katalisator anoda dari methanol cair, sehingga tidak diperlukan reformer bahan bakar. Regenerative Fuel Cell merupakan jenis fuel cell terbaru yang menggunakan elektrolisa solar cell. Prinsip dari fuel cell jenis ini yakni dengan merubah air menjadi hidrogen dan oksigen, untuk kemudian diubah menjadi tenaga listrik.



II.5. Microbial Fuel Cell Microbial Fuel Cell merupakan suatu terobosan dalam pembangkit listrik yang berbasis pemanfaatan aktivitas mikroorganisme yaitu bakteri. Fuel Cell jenis ini mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui suatu reaksi katalitik yang melibatkan mikroorganisme (Ibrahim, 2017). Substrat yang digunakan dalam sistem ini dapat berupa limbah industri yang memungkinkan adanya kelimpahan nutrisi sebagai tempat pertumbuhan mikroorganisme. Mikroorganisme yang digunakan pada sistem ini dapat mengubah energi kimia dalam substrat organik menjadi energi listrik. Mikroba juga bersifat elektroaktif yang mana metabolisme nya dapat menghantarkan elektron menuju elektroda untuk menghasilkan daya. Lazimnya, reaktor MFC terdiri atas dua ruangan yakni anoda dan katoda. Pada anoda, reaksi berlangsung secara anaerob, yang mana mikroba mengoksidasi substrat seperti limbah cair, glukosa, ataupun asetat menjadi CO2, elektron dan proton. Proton akan berpindah menuju katoda melalui membran penukar proton, yang dapat berupa jembatan garam maupun membran (Li, 2018). Pada katoda, reaksi berlangsung secara aerob, yang mana proton dari anoda dengan oksigen akan membentuk air. Beda potensial dari anoda dan katoda bersama dengan aliran elektron akan menghasilkan daya listrik (Ester, 2012). Mekanisme tranfer elektron pada sistem reaktor Microbial Fuel Cell dari bakteri ke anoda (menurut Liu, 2008) ialah sebagaimana berikut, 1. Transfer elektron langsung melalui protein membran sel Studi genetik dan biokimia dewasa ini menunjukkan bahwasanya membran luar sitokrom, enzim pada rantai pernafasan bakteri, terlibat dalam tranfer elektron dari bakteri Shewanella putrefaciens menuju elektrode.



II-8



2. Transfer elektron yang dimediasi Penambahan mediator artifisial seperti metilen biru dapat menyebabkan transfer elektron menjadi lebih efisien. , yang mampu melintasi membran sel, menerima elektron dari pembawa elektron intraseluler, keluar dari sel dalam bentuk tereduksi, dan kemudian melepaskan elektron kepermukaan elektroda.. Beberapa jenis bakteri menghasilkan mediator elektron mereka sendiri yang juga dapat digunakan oleh spesies lain. Misalnya, Pseudomonas aeruginosa dapat menghasilkan phenazine untuk menstimulasi transfer elektron untuk beberapa strain bakteri (Rabaey et al. 2004). 3. Transfer elektron melalui Bacterial Nanowires Penemuan terbaru menunjukkan struktur pilus yang tumbuh pada membran sel terlibat dalam transfer elektron ekstraseluler. Identifikasi Nanowires sukses dilakukan pada beberapa bakteri seperti Shewanella oneidensis MR-1, Geobacter Sulfurreducens, dan Pelotomaculum thermopropionicum. II.5. 1 Jenis Desain Microbial Fuel Cell 1. Dual Chamber Microbial Fuel Cell Pada umumnya, microbial fuel cell memiliki desain dengan sistem dual chamber, memiliki bentuk yang menyerupai H, terdiri dari dua chamber yang dihubungkan oleh tabung yang berisi membran pertukaran proton (PEM) atau jembatan garam, menghasilkan kerapatan daya yang rendah karena resistansi internal yang tinggi (Logan et al. 2006). Membran penukar kation menjadi piranti penting dalam reaktor MFC, yang mana memiliki fungsi untuk mentransfer proton menuju katoda. Nafion menjadi tipe yang paling umum digunakan sebagai membran penukar kation. Selain Nafion, beberapa alternatif yang dapat digunakan sebagai membran penukar kation ialah nanoporous polymers filters, Jcloth, dan membran ultrafikasi. Keunggulan dari Dual Chamber MFC ialah kondisi yang berbeda dapat dipertahankan di tiap kompartemen, kinerja katoda dapat ditingkatkan dengan mengendalikan pH, membersihkan oksigen murni, meningkatkan laju aliran, dan menambahkan electronatorator dalam katoda, yang mengarah pada peningkatan total kinerja MFC (Flimban, 2018).



II-9



Gambar 2.3 Reaktor MFC tipe Dual Chamber (Saravanan, 2018)



2. Single Chamber Microbial Fuel Cell Reaktor bertipe ini memilii desain yang sederhana dengan satu ruang sehingga substrat dan elektrolit bercampur. Desain ini menjadi pengembangan dari reaktor bertipe dual chamber dengan tujuan untuk meminimalkan penggunaan membran. Pada ruang katoda terdapat elektroda berpori membentuk satu sisi dinding yang memanfaatkan oksigen dari atmosfer dan memungkinkan proton berdifusi melaluinya. Keunggulan dari penggunaan Single Chamber MFC ialah keluaran daya yang lebih besar daripada menggunakan sistem Dual Chamber, laju difusi oksigen hampir dua kali lipat lebih tinggi, dan lebih ekonomis.



Gambar 2.4 Reaktor MFC tipe Single Chamber (Karmakar, 2010) II.5.2 Material Elektroda Microbial Fuel Cell 1. Anoda Anoda mengambil peran sebagai akseptor elektron terakhir untuk sel dan dengan demikian secara efektif meningkatkan pembangkitan listrik. Bahan elektroda anoda membutuhkan konduktivitas listrik yang tinggi, bio-kompatibilitas yang kuat, stabilitas



II-10



kimia dan luas permukaan yang besar. Material berbasis karbon adalah yang paling umum digunakan sebagai bahan anaoda. Hal ini dikarenakan karbon lebih stabil secara kimia, berkonduktivitas unggul, dan juga fleksibilitas untuk menciptakan luas permukaan kontak yang besar. Beberapa jenis karbon yang digunakan sebagai anoda diantaranya adalah graphite rods, plain graphite, granule graphite, carbon paper, carbon cloth, carbon felt dan carbon graphite fiber. Jenis material Carbon cloth dan Carbn Fiber adalah yang paling efektif dalam meningkatkan kinerja MFC karena luas permukaan yang besar, konduktivitas yang tinggi, dan juga sifat permukaan yang menguntungkan untuk pengembangan biofilm (Liu, 2008). Beberapa penelitian sebelumnya juga menunjukkan bahwa penggunaan carbon cloth sebagai material elektroda menghasilkan power density yang besar yakni berkisar dari 1221 mW/m2 hingga 7200 mW/m2 (Li, 2018). Modifikasi secara fisik maupun kimiawai pada anoda dapat pula meningkatkan kinerja dari MFC. Beberapa modifikasi yang dilakukan diantaranya dengan pelapisan permukaan elektroda dengan self-assembled monolayers (Crittenden et al. 2006). Modifikasi permukaan elektroda dengan Mn (IV), Fe (III), netral merah (Park dan Zeikus 2003), dan juga penambahan dedak padi untuk memperluas permukaan kontak elektroda. Selain itu, modifikasi elektroda dengan karbon aktif menjadi terobosan yang menarik, salah satunya elektroda karbon aktif organik yang berasal dari tempurung kelapa sawit (Thygesen, 2016). Tempurung kelapa sawit, yang cenderung dibuang sebagai limbah, memiliki kalori yang cukup tinggi dan diharapkan dapat menjadi bahan untuk elektroda (anoda maupun katda) yang lebih ekonomis, khususnya untuk daerah tropis.



2. Katoda Pengembangan material katoda yang memiliki kinerja tinggi dan berbiaya rendah penting untuk keberhasilan penerapan teknologi MFC dalam remediasi air limbah. Bahan karbon seperti pelat grafit (Tender et al. 2002) carbon felt (xafenias. 2013) dan carbon cloth (Li, 2018) dapat langsung digunakan sebagai katoda. Penggunaan katalis logam yang berkinerja tinggi yang dikembangkan baru-baru ini, seperti besi pirolisa (II) phthalocyanine atau cobalt tetramethoxyphenylporphyrin (Cheng et al. 2006b; Zhao et al. 2006) untuk katoda MFC dapat menjadi alternatif untuk mengurangi biaya bahan katoda. Selain menggunakan katalis, penggunaan bio katode yakni dengan memanfaatkan bakteri seperti bakteri pereduksi sulfat. Bakteri yang melekat pada katoda menghasilkan kawat nano yang dapat digunakan untuk



II-11



menerima elektron dari katoda (Kalathil, 2017). Biokatode menunjukkan kinerja tinggi dalam hal pengolahan air limbah, generasi saat ini, dan stabilitas.



II.5.3 Sistem Penukar Kation Sistem Penukar Kation menjadi suatu piranti yang penting dalam Microbial Fuel Cell. Sistem penukar kation menjadi tempat mengalirnya proton dari anoda menuju katoda. Ketiadaan sistem penukar kation/ pemisah akan meningkatkan difusi oksigen dan substrat sehingga dapat menurunkan efisiensi Coulombic dan aktivitas bioelectrocatalytic dari mikroorganisme anoda (Liu et al., 2005). Selain itu, percepatan laju difusi substrat akan mengarah pada penonaktifan katoda dan menurunkan kinerja MFC (Tartakovsky dan Guiot, 2006).Maka dari itu penggunaan separator/ penukar kation telah diakui untk memastikan kinerja MFC tetap efektif dan efisien. Jenis-jenis penukar kation yang dikembangkan dalam beberapa dekade terakhir diantaranya ialah termasuk membran pertukaran kation (CEM),anion exchange membrane (AEM), membran bipolar (BPM), membran mikrofiltrasi (MFM), membran ultrafiltrasi(UFM), jembatan garam, serat kaca, bahan berpori lainnya. Menurut karakteristik penyaringan,bahan pemisah ini dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kategori utama: ion exchange membrane (IEMs), pemisah selektif dan jembatan garam.



Tabel 2.5. Perbandingan antara jenis pemisah (Ping Sheng, 2011) Jenis Pemisah



Keunggulan



Kekurangan



Tanpa Pemisah



Laju transfer proton tinggi,



Permeasi oksigen serius,



power density tinggii, biaya



kehilangan substrat tinggi



rendah, konfigurasi sederhana Membran Penukar Ion



Membran Filtrasi Mikropori



Isolasi efektif dari larutan /



Transfer proton terbatas,



katoda anodik dan katodik,



pemisahan pH, , biaya tinggi



Transfer proton tinggi dan



Permeasi oksigen tinggi,



akumulasi pH rendah, biaya



resistansi internal tinggi



sedang Course Pore Filters



Transfer proton tinggi dan



Kehilangan substrat tinggi



akumulasi pH rendah,



yang disebabkan oleh



berbiaya rendah



biofilm pada filter, daya tahan lebih rendah



II-12



Jembatan Garam



Konfigurasi sederhana,



Resistensi Internal yang



berbiaya rendah



tinggi



Jembatan garam menjadi salah satu pemisah yang cukup ekonomis apabila dibandingkan dengan sistem pemisah yang lain. Jembatan garam yang terdiri dari tabung kaca yang berisikan elektrolit. Elektrolit inert seperti larutan KCl jenuh (Romo. 2017) dan larutan buffer fosfat (Min et al., 2005) sering digunakan dalam jembatan garam untuk konduksi ion, sementara agar sering ditambahkan untuk membantu mencegah pencampuran cairan. Dibandingkan dengan membran Nafion, jembatan garam lebih sederhana dan murah. Selain itu, difusi oksigen hampir tidak terdeteksi di jembatan garam agar-agar (Min et al., 2005). Permeabilitas oksigen rendah dari jembatan garam memastikan durasi produksi listrik yang lebih lama dibandingkan dengan CEM-MFC (Liu dan Li, 2007). Namun, umumnya jembatan garam MFC menghasilkan output daya yang rendah karena resistensi internal yang tinggi. Karena konduktivitas jembatan garam sangat tergantung pada jenis dan konsentrasi elektrolit, sangat dimungkinkan untuk mengurangi resistansi internal dengan memilih komposisi dan konsentrasi elektrolit secara tepat. Peningkatan luas permukaan jembatan garam yang bersentuhan dengan ruang anoda dan katoda juga bisa menjadi pendekatan yang efisien untuk meningkatkan kinerja pembangkit daya dari jembatan garam. Selain itu, konsentrasi agar pada jembatan garam berelektrolit KCl juga memepengaruhi kinerja MFC terutama dalam power density yang dihasilkan. Konsentrasi agar menunjukkan permeabilitas gel yang memfasilitasi transfer proton.Konsentrasi agar yang optimum dalam jembatan garam dengan elektrolit KCl ialah sebesar 10 %. Dengan penambahan agar dengan konsentrasi optimum dapat meningkatkan tegangan serta produksi bioelektrik (Nair, 2013).



II. 5.4 Faktor Operasi Microbial Fuel Cell Faktor operasional yang dapat mempengaruhi kinerja Microbial Fuel Cell diantaranya meliputi substrat, pH larutan, dan temperatur. 1. Substrat Variasi dari berbagai macam substrat yang digunakan untuk microbial fuel cell telah dipelajari, diantaranya termasuk glukosa (), pati (Min dan Logan 2004), selulosa asetat, butirat, laktat, etanol, sistein, pepton, albumin, dan palm oil mill efluent. Investigasi lebih lanjut tentang efek substrat pada aktivitas mikroba dan pembangkit listrik perlu dilakukan baik dalam sistem MFC serupa dengan proses anoda yang diuji sebagai faktor pembatas atau



II-13



menggunakan potensiostat, yang dapat mengkarakterisasi potensi anoda pada arus tetap dan menghilangkan keterbatasan yang dihasilkan dari katoda dan / atau resistansi internal. Upaya penelitian juga harus diarahkan pada optimalisasi komunitas mikroba yang aktif secara elektrokimia yang dapat menghasilkan peningkatan efisiensi transfer elektron dan degradasi substrat.



2. pH Larutan pH sangat penting untuk semua proses berbasis mikroorganisme. Dalam MFC, pH tidak hanya memengaruhi metabolisme dan pertumbuhan bakteri, tetapi juga memengaruhi transfer proton, reaksi katoda, dan dengan demikian kinerja MFC. Sebagian besar MFC dioperasikan pada pH hampir netral pada area anoda untuk mempertahankan kondisi pertumbuhan yang optimal bagi komunitas mikroba yang terlibat dalam pembangkit listrik. Konsentrasi proton yang rendah pada pH ini, bagaimanapun, membuat resistansi internal sel relatif tinggi dibandingkan dengan sel bahan bakar kimia yang menggunakan elektrolit asam atau basa. Untuk area katoda, pH dijaga pada kondisi asam yakni optimum pada pH sebesar 2. Hal ini berkaitan erat dengan laju reduksi dari logam berat, yang mana semakin rendah pH, maka laju penurunan logam berat Cr (VI) akan semakin besar. Penggunaan buffer pH dapat membantu memfasilitasi transfer proton, sehingga mengurangi resistensi internal dan meningkatkan pembangkit listrik (Fan et al. 2007). Selain itu, buffering juga membantu menjaga pH yang baik untuk bakteri penghasil listrik. Buffer fosfat umumnya digunakan dalam MFC karena memiliki kapasitas buffering yang tinggi pada pH netral, dan yang lebih penting kemampuannya untuk memfasilitasi transfer proton.



3. Temperatur Kinetika bakteri, laju transfer massa proton melalui elektrolit, dan laju reaksi oksigen dalam katoda mengatur kinerja MFC dan semuanya bergantung pada suhu. Biasanya, konstanta laju reaksi biokimia berlipat ganda untuk setiap kenaikan suhu 10℃ sampai suhu optimal tercapai. Sebagian besar studi MFC telah dilakukan pada kisaran suhu 28-35℃.



II.6 Tembaga (Cu) Tembaga merupakan salah satu logam yang ditemui baik sebagai unsur maupun sebagai suatu senyawa bersama unsur lain. Tembaga memiliki nomor atom sebesar 29, massa atom 63,546 , titik leleh 1083 ℃, dan titik didih sebesar 2310 ℃. Tembaga yang memiliki ciri yang berwarna oranye



II-14



kemerahan dengan sifat mudah ditempa dan diregangkan ini juga termasuk sebagai logam berat yang mana apabila masuk ke lingkungan dalam jumlah besar dapat mencemari lingkungan dan apabila terus terakumulasi maka berangsur-angsur dapat mematikan organisme. Namun, meskipun demikian, logam Cu juga termasuk salah satu logam yang esensial yang mana meskipun memiliki efek toksik, namun dalam jumlah kecil sangat dibutuhkan oleh organisme tak terkecuali oleh bakteri dan mikroorganisme. (Palar,1994) Dalam kasus bakteri, adanya keberadaan ion logam berat seperti Cu2+ dalam konsentrasi tinggi dapat merusak bakteri itu sendiri. Namun, meskipun begitu, dalam jumlah yang cukup rendah, ion logam berat dapat menginduksi metabolisme seluler dari bakteri. (Xu et al, 2014). Dalam penelitian yang dilakukan oleh Xu et al (2016), didapatkan hasil bahwasanya dalam konsentrasi yang sangat rendah (kisaran 1 μg/L – 100 μg/L) dapat meningkatkan jumlah riboflavin yang mana erat kaitanyya dalam mekanisme transfer elektron ekstraseluler yang berimplikasi pada kenaikan produksi biolistrik yang dihasilkan dalam sistem microbial fuel cell (Xu et al, 2016).



II.7 Penelitian-Penelitian Terdahulu



No



Peneliti



Jurnal



Judul



1



Yu-Shang Xu, Tao



Bioresource



Trace heavy metal



Zheng Xiao-Yu Yong,



Technology



ions promoted



Dan-Dan Zai, dan



Volume



Rong-Wei Si



(2016)



Hasil 



Penambahan ion Cu2+ dapat



211 extracellular



meningkatkan



electron transfer



produksi ribovlafin yang berperan dalam mekanisme transfer elektron, 



Didapatkan power density 1,3-1,6 kali lebih besar dari kontrol.



2



Anders Thygesen,



MDPI Energy A Viable Electrode



Moses Mensah,



Journal



Kwame Tabbica, dan Felix Offei



Material for Use in







Material



karbon



aktif



berbahan



Volume 9/35 Microbial Fuel.



dasar



cangkang



(2017)



kelapa sawit dapat



II-15



digunakan sebagai bahan



elektrode



untuk sistem MFC yang ekonomis dan cocok untuk negara tropis 3



4







Ramya Nair,



International



Performance of



Renganathan K, dan



Jurnal of



Salt Bridge



Venkatraman



Advancements microbial fuel cell



garam yang



in Research &



at various agarose



optimum ialah



Technology



concentration



sebesar 10 %



Volume 2



using hostel



dalam rangka



(2013)



sewage waste as



peningkatan power



Substrate



density.



Penambahan Agar pada jembatan







Meng Li, Shaoqi Zhou, Chemical



Simultaneous



Yuting Xu



Engineering



Cr(VI) reduction



Carbon Cloth



Journal



and bioelectricity



sebagai elektroda



Volume (2018)



334 generation in a



Penggunaan



efektif



dual chamber



menghasilkan



microbial fuel cell



power density yang lebih besar daripada jenis elektroda karbon yang lain. 



pH yang digunakan pada kompartemen katoda efektif sebear dua, yang mana dapat menghasilkan removal logam Cr mencapai 100 %



II-16



5



Martiana



N



&



Tri Skripsi (2018)



Wahyuning E.P.S, 2018



Pengolahan







Digunakan limbah



Limbah Molases



organik (molases)



sebagai Sumber



dengan konsentrasi



Energi Listrik serta



bakteri shewanella



Reduksi Logam



oneidensis MR-1



Berat Cr (VI)



12,5 % (v/v) dan



dengan Reaktor



konsentrasi awal



Dual Chamber



larutan Cr (VI)



Microbial Fuel



yaitu 8 mg/L.



Cell dengan Sistem







Kontinyu



Didapatkan hasil variabel recycle ratio 0,6 dan pH 3 di katoda adalah hasil yang terbaik untuk mereduksi logam berat Cr (VI) menjadi Cr (III) dengan persen removal sebesar 99,49.



6







Ihyari Fatati Nuryana & Skripsi (2019)



Pengaruh



Regia Puspitasari



Modifikasi



dengan modifikasi



Elektroda dan



elektroda



Konservasi Bakteri



menghasilkan



Pada Efektivitas



power density



Microbial Fuel



sebesar 690,9



Cell (MFC) dari



Mw/m2



Limbah Molases







Sistem MFC



Reduksi logam



dan Reduksi



berat Cr6+ menjadi



Logam Berat Cr



Cr3+ dengan persen



(VI) dengan Reaktor Dual



II-17



Chamber Sistem



removal sebesar



Kontinyu.



92,78%. 



Semakin tinggi konsentrasi bakteri dan perluasan area kontak elektroda dapat menghasilkan listrik yang lebih besar dan lebih banyak mereduksi Cr6+ menjadi Cr3+.



II-18



BAB III METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan secara eksperimental di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri dan Rekayasa Sistem, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya pada bulan Oktober 2019 - Januari 2020. Penelitian yang dilaksanakan meliputi : 1) Perancangan Reaktor Microbial Fuel Cell sistem resirkulasi kontinyu, 2) Persiapan bakteri, 3) Persiapan reagen di katoda, 4) Proses bio-listrik pada Microbial Fuel Cell , 5) Analisa pH, produksi listrik, dan kandungan Cr (VI) yang tereduksi. III.1. Kondisi Operasi -



Suhu



= 20-30o C



-



Tekanan



= 1 atm



-



Waktu



= 3 Hari



-



Elektroda



= Carbon Cloth dan Activated carbon



-



pH di larutan anoda



= 7 (Dikontrol engan KOH)



-



Jenis bakteri di anoda



= Shewanella oneidensis MR-1



-



Konsentrasi bakteri



= 1013 sel/ml



-



Konsentrasi molase



= 5% v/v



-



Konsentrasi larutan Cr(VI)



= 8 mg/L



-



Volume larutan tiap kompartemen



= 10 L



-



Flowrate limbah masuk anoda



= 0.4 liter/jam



-



Flowrate limbah masuk katoda



= 0.4 liter/jam



-



Rasio recycle



= 0.85



-



pH di ruang katoda



=3



III-1



III.2. Variabel Penelitian -



Modifikasi Elektroda



=



1.Anoda dan katoda menggunakan elektroda Carbon Cloth



2. Anoda dan katoda dengan Activated Carbon dari tempurung kelapa sawit. -



Konsentrasi Cu2+ yang ditambahkan



=



III.3. Bahan,Skema dan Alat Penelitian III.3.1 Bahan Penelitian Bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah : -



Aquadest



-



Biakan bakteri Shewanella oneidensis MR-1



-



Nutrient Broth



-



D-Glucose



-



Padatan Kalium Klorida (KCl)



-



Agar batang



-



Asam Sitrat (C6H8O7)



-



Natrium Klorida atau Sodium Klorida (Na3C5H6O7)



-



Disodium Fosfat (Na2HPO4)



-



Padatan Kalium Dikromat (K2Cr2O7)



-



Molasses



-



Monosodium Fosfat (NaH2PO4)



-



HCl 37%



-



Padatan CuSO4



-



Carbon Cloth



-



Carbon Powder dari tempurung kelapa sawit



-



Kawat tembaga



-



Kawat besi



-



Lem silicon



-



Kapas lemak



III-2



1 μg/L,10 μ/L,100 μg/L



III.3.2. Alat Penelitian Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah -



Hemasitometer



-



Deck glass



-



Mikroskop



-



Autoclave



-



pH meter



-



DO meter



-



Hot plate dan stirrer



-



Rak tabung reaksi



-



Tabung reaksi



-



Pipet tetes



-



Pipet ukur



-



Suction bulb



-



Labu erlenmeyer



-



Gelas beaker



-



Gelas ukur



-



Pompa



-



Flowmeter



-



Multimeter



III-3



III.3.3. Skema Alat Penelitian



Gambar 3.1 Rangkaian alat Microbial Fuel Cell Keterangan Gambar : 1. Multimeter



5. Ruang Katoda



9. Pompa Recycle



2. Ruang Anoda



6. pH Meter



10. Valve



3. Jembatan Garam



7. Bak Sisa Molase



11. Tangki Molases



4. Elektroda



8. Bak sisa logam Cr



12. Tangki Larutan Logam



III-4



13. Flowmeter



Gambar 3.2 Reaktor microbial fuel cell (MFC) dual chamber resirkulasi kontinyu



Gambar 3.3 Elektroda carbon cloth



Gambar 3.4 Elektroda activated carbon



III-5



III.3.4. Diagram Alir Penelitian



III-6



III.3.5. Prosedur Penelitian III.3.5.1. Persiapan Penelitian a. Pembuatan Larutan Buffer Membuat larutan Asam Sitrat 0,1 M (21,04 Asam Sitrat dalam 1 L aquades). Lalu mencampur 46,5 mL larutan Asam Sitrat 0,1 M + 3,5 mL larutan Sodium Sitrat 0,1 M dan melarutkan dengan aquadest hingga volume 100 mL. b. Pembuatan Larutan Buffer Fosfat pH 7 Menimbang NaH2PO4 sebanyak 0,4063 gram dan Na2HPO4 sebanyak 0,9247 gram. Kemudian melarutkan dengan aquades hingga 500 mL. c. Pembuatan Larutan Logam Cr(VI) Larutan Cr6+ 8 mg/L untuk 10L dibuat dengan menghitung kebutuhan kalium dikromat (K2Cr2O7) secara kuantitas. Kemudian melarutan dengan aquades hingga 5 L lalu menambahkan 5 L larutan buffer sitrat. d. Regenerasi Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Membuat media agar miring pada tabung reaksi besar, menggunakan nutrient broth agar. Membuat Nutrient Broth Agar dengan melarutkan agar batang pada 500 mL aquades mendidih, kemudian memasukkan 4 gram Nutrient Broth dan 1,5 gram D-Glucose ke dalam larutan agar. Kemudian membagi larutan NBA ke dalam beberapa tabung reaksi dan disterilisasi pada suhu 121oC selama 15 menit menggunakan autoclave. Setelah disterilisasi, tabung dimiringkan 15o hingga dingin dan mengeras. Setelah media mengeras, bakteri dari indukan diinokulasi ke dalam tabung reaksi pada saat bakteri melalui fase log (Eksponensial) pada suhu 30 oC yaitu setelah 0,5 jam dengan menggunakan teknik gores (Jeong dkk,2006). e. Pembuatan Media Cair dan Biakan Bakteri Membuat media Nutrient Broth cair dengan menambahkan 12 gram Nutrient Broth Powder, glukosa 4,5 gram, dan aquades 1500 mL. Kemudian menutup larutan media dalam erlenmeyer dengan kapas berlemak, lalu mensterilkan dengan autoclave selama 15 menit pada suhu 121oC. Setelah itu mendinginkan media hingga suhu ruang ebelum inokulasi. Setelah itu melakukan inokulasi bakteri secara aseptik dengan biakan bakteri di atas agar. Banyaknya goresan menyesuaikan dengan variabel bakteri. Setelah inokulasi, melakukan inkubasi media selama 13 jam sebelum mencampurkan dengan molases sebagai substratnya.



III-7



f.



Preparasi Substrat Molases Mensterilkan molases sebanyak 500 mL dengan autoclave untuk membunuh bakteri atau jamur yang mungkin hidup di dalamnya. Kemudian mensterilkan aquades sesuai dengan kebutuhan substrat dan larutan dalam anoda dan katoda. Setelah itu, menetralkan pH molases yang asam dengan larutan KOH atau basa kuat dan secara berkala pH di cek dengan pH meter hingga 7. Kemudian menambahkan larutan buffer phospat pH 7. Setelah itu menambahkan biakan starter Shewanella oneidensis MR-1 lalu menambahkan aquades steril hingga volume 10 L.



g. Pembuatan Jembatan Garam Melarutkan 100 gram agar batang dalam 100mL air yang mendidih,kemudian menambahkan 40 gram Kalium Klorida. Kemudian memasukkan cairan dalam pipa dan menunggu hingga agar menjadi padat. Kemudian menghubungkan jembatan garam dengan kompartemen anoda dan katoda. h. Preparasi Elektroda Carbon Cloth Carbon cloth dipotong dengan panjang dan lebar masing masing 6,5 x 6,255 cm kemudian merendamnya dengan HCl 1 M selama 1 hari, dilanjutkan dengan perendaman dengan NaOH 1 M selama 1 hari, dan setelah itu elektroda direndam dengan aquadest hingga akan digunakan. i.



Preparasi Karbon Aktif Cangkang Kelapa Sawit Cangkang kelapa sawit dikarbonisasi pada suhu 400oC selama 4 jam kemudian dihaluskan dan diayak dengan menggunakan ayakan berukuran 45 μm dan 63 μm.



j.



Proses Aktivasi Karbon Aktif Proses aktivasi dilakukan dengan perendaman dengan KOH 10 M menggunakan perbandingan masa karbon dan KOH 1:4 dan didiamkan selama ± 4 jam. Karbon dimasukkan ke dalam furnance pada suhu 400oC selama 4 jam. Selanjutnya dilakukan pencucian dengan menambahkan HCl 0,1 M sampai pH 7, dan dilanjutkan pencucian dengan akuades. Karbon aktif yang dihasilkan, dipanaskan pada suhu ± 1050C.



i.



Pembuatan Larutan Cu2+ Mengambil padatan CuSO4 sebanyak 1 mg lalu melarutkan hingga mencapai volume 1 L dengan aquades. Kemudian mengambil 1 ml dari sampel lalu melarutkan kambali hingga mecapai volume 1 L dengan aquades untuk mendapatkan konsntrasi larutan 1 𝜇g/L. Kemudian melakukan pengenceran kembali sesuai dengan variabel dalam percobaan.



III-8



III.3.5.2. Proses Eksperimen a. Proses eksperimen microbial fuel cell Berikut ini adalah langkah-langkah yang dilakukan untuk meresirkulai bottom product (proses kontinyu). 1) Ruang katoda dan anoda dipisahkan menggunakan jembatan garam 2) Larutan molases (fresh feed) dibuat sebanyak 10 L setiap harinya selama 3 hari dengan konsentrasi molases 5% dan volume media bakteri 15% volume total fresh feed dengan konsentrasi bakteri sebanyak 1013 sel/ml. Kemudian memasukkan larutan tersebut ke dalam chamber fresh feed diatas chamber utama anoda. 3) Memasukkan larutan Cu2+ yang telah dibuat sesuai dengan variabel 1 μg/L, 10 μg/L, dan 1 mg/L ke dalam ruang utama anoda. 4) Pembuatan larutan Cr(VI) baru (fresh feed) sebanyak 10 L dengan konsentrasi 8 ppm dan kondisi pH 3 setiap harinya selama 3 hari. Kemudian memasukkan larutan tersebut kedalam bak penampung diatas reaktor utama kompartemen katoda. 5) Membuka valve pada reaktor utama yang menuju ke chamber bottom product pada masing-masing kompartemen setelah alat dijalankan 24 jam. 6) Membuka valve dan mengatur flowrate pada aliran fresh feed menuju ke chamber utama dengan flowrate sebesar 0.4 liter/jam, maka aliran recycle sebesar 0.34 liter/jam. 7) Menyalakan pompa dan mengatur flowrate aliran dari bottom product ke dalam chamber utama dengan cara membuka valve sesuai dengan recycle ratio 0.85. Sehingga ketika aliran fresh feed sebesar 0.4 liter /jam, maka alira recycle sebesar 0.34 liter/jam. 8) Mengamati proses recycle dan menjaga flowrate agar tetap konstan agar tidak terjadi overflow. Parameter yang dianalisa dan dihitung selama 3 hari penelitian antara lain power density setiap 6 jam, pH, BOD, dan reduksi logam Cr6+.



b. Pengambilan Sampel Pengambilan sampel dilakukan per 12 jam kemudian dianalisa pH molase dan larutan kromium Cr6+, Jumlah populasi bakteri, BOD. Sedangkan analisa produksi listrik dilakukan setiap 6 jam.



III-9



III.3.6. Tahap Analisa Penelitian a. Analisa pH Pengukuran pH menggunakan pH meter. Sampel diambil dari ruang anoda dan katoda, kemudian diuji pH nya dengan pH meter . b. Analisa Produksi Listrik Multimeter digital dihubungkan pada kedua elektroda. Dengan kutub positif di katoda dan kutub negatif di anoda Pembacaan tegangan dan arus listrik dicatat setiap 6 jam. Dari data kuat dan arus tegangan, dapat diperoleh nilai power density (mW/m2), yaitu daya per satuan luas elektroda. Power density dapat dihitung menggunakan persamaan berikut (Zalukhu,dkk,2019):



𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 (



𝑚𝑊 𝐼 (𝑚𝐴) × 𝑉(𝑣𝑜𝑙𝑡) ) = 𝑚2 𝐴(𝑚2 )



c. Analisa Populasi Bakteri Analisa bakteri adalah dengan menggunakan prosedur sebagai berikut : 1. Mengencerkan 0.1 mL sampel dengan aquades 9.9 mL (pengenceran 100 kali) 2. Teteskan ke permukaan counting chamber hingga dapat menutupi seluruh permukaan nya. 3. Letakkan hemasitometer di bawah lensa mikroskop untuk dihitung jumlah selnya. 4. Dilakukan pengamatan di mikroskop dengan perbesaran 400 kali



Gambar 3.5 Hemasitometer



- Dihitung jumlah sel yang terlihat di bagian hemasitometer sebanyak 3 kali - Hitung jumlah sel rata-rata: 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑙 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑙𝑖ℎ𝑎𝑡 3



- Hitung jumlah sel per mm



III-10



𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑡𝑎 − 𝑟𝑎𝑡𝑎 ×



1 1 × 25 0.1



- Hitung jumlah sel sebenarnya : 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑠𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟 𝑚𝑚3 × 𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑒𝑟𝑎𝑛 d. Analisa BOD Pengukuran kebutuhan oksigen biologis (BOD) mengacu pada SNI 6989.72:2009. e. Analisa kandungan Cr(VI) Pengukuran logam krom mengacu pada SNI 6979.21:2009.



III.3.7. Jadwal Kegiatan



Tabel 3.1.Rencana dan Jadwal Kegiatan Penelitian Tahun 2019-2020 No



Kegiatan



1



Studi literatur lanjutan



2



Persiapan bahan dan peralatan



3



Penelitian



4



Analisa hasil



5



Pembuatan Laporan



Sep-19



III-11



Okt-19



Bulan Nov-19



Des-19



Jan-20



BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN IV.1



Microbial Fuel Cell Resirkulasi Kontinyu Microbial Fuel Cell (MFC) dalam penelitian ini menggunakan dual chamber



(kompartemen), yaitu dibedakan antara kompartemen anoda dan katoda. Kompartemen anoda berisi limbah organik pabrik gula (molases) dengan konsentrasi 5% sebagai substrat, biakan bakteri Shewanella oneidensis MR-1 sebagai penghasil elektron dan proton dengan volume media sebesar 15% dari volume total feed, serta larutan buffer fosfat pH 7 sebagai penjaga pH pada feed. pH feed harus dijaga dikarenakan bakteri Shewanela oneidensis MR-1 tumbuh dengan optimal pada pH yang netral. Selain itu, kondisi operasi dalam kompartemen anoda adalah anaerob.Hal ini karena bakteri Shewanela oneidensis MR-1 merupakan bakteri anaerobik fakultatif, sehingga dapat melakukan metabolisme tanpa kehadiran oksigen. Sedangkan kompartemen katoda berisi limbah logam berat Cr6+ sintetis dengan konsentrasi 8 mg/L (8 ppm) berdasarkan data dari pencemaran sungai bengawan solo (Susanti, 2014). Nilai ambang batas cemaran logam Cr6+ pada air yang telah ditetapkan oleh pemerintah adalah sebesar 1 ppm (PP no. 82 Tahun 2001). Volume limbah Cr6+ dan limbah organik molases beserta bakteri Shewanela oneidensis MR-1 yang dimasukkan ke dalam reaktor masing-masing sebesar 10 L. Kedua Reaktor dihubungkan dengan jembatan garam yang terbuat dari campuran agar dan potasium klorida sebagai media transfer proton ke ruang katoda. Masing-masing chamber juga dihubungkan dengan carbon rod (batang karbon) sebagai elektroda dan kawat tembaga menghubungkan elektroda tersebut sebagai media transfer elektron. Selain itu pada kawat tembaga yang terhubung dengan kedua elektroda, dipasang multimeter yang digunakan untuk mengukur kuat arus (I) dan voltase (V) yang dihasilkan. Chamber dari bottom product diletakkan di bawah chamber anoda dan katoda untuk menampung bottom product yang selanjutnya akan dipompa dan dimasukkan kembali ke chamber utama dengan flowrate tertentu yang diatur menggunakan flowmeter. Sedangkan chamber feed diletakkan di atas chamber utama sebagai penampung feed yang akan dialirkan ke dalam chamber utama menggunakan prinsip gravitasi dengan flowrate tertentu yang diatur dengan flowmeter. Flowrate recycle dan flowrate feed baru diatur sesuai dengan recycle ratio dari peneltian sebelumnya yaitu 0,85. Dimana recycle ratio merupakan perbandingan antara flowrate recycle dan flowrate fresh feed. Rangkaian alat IV-1



Microbial Fuel Cell (MFC) dual chamber dan sistem resirkulasi kontinyu dapat diliham pada gambar 3.1. Dalam Penelitian ini, Elektroda yang digunakan berjumlah dua jenis, yaitu elektroda carbon cloth dan activated carbon dari tempurung kelapa sawit. Carbon cloth digunakan karena merupakan elektroda yang paling efektif dalam MFC untuk reduksi logam berat Cr6+ (Li dkk, 2016). Sedangkan elektroda activated carbon dari tempurung kelapa sawit digunakan sebagai eletroda untuk mengurangi limbah pengolahan minyak (Aziz dkk, 2017). Sebelum digunakan, Elektroda activated carbon dan Carbon cloth direndam dalam larutan HCL 1 molar dan NaOH 1 molar masing-masing selama 1 hari. Hal ini bertujuan untuk menghilangkan kontaminasi logam dan bahan organik. Setelah itu, elektroda direndam dengan menggunakan dengan air hingga elektroda dimasukkan ke dalam MFC. Tahapan mekanisme kerja microbial fuell cell sistem resirkulasi kontinyu pada penelitian ini secara berurutan adalah sebagai berikut: Bakteri Shewanela oneidensis MR-1 melakukan metabolisme yang dengan molases sebagai substrat sehingga menyebabkan degradasi senyawa organik dalam kompartemen anoda (Shang-Xu, 2016). Metabolisme ini berlangsung secara anaerob dan menghasilkan elektron (e-) dan proton (H+) dengan reaksi : C6H12O6+6H2O6CO2+ 24H+ + 24e- , E=0,01 V…………………………………………...(6) Kedua, elektron dan proton yang telah dihasilkan akan ditransfer ke dalam kompartemen katoda dengan mengikuti prinsip kerja sel volta. Elektron yang terbentuk dari rekasi tersebut terakumulasi pada elektroda di kompartemen anoda. Perbedaan potensial antara kompartemen anoda dan katoda menyebabkan aliran elektron mengalir ke katoda dari anoda. Aliran elektron tersebut mengalir melalui sirkuit elektroda dan kawat tembaga, sedangkan proton melewati proton exchange membrane (PEM) dari kompartemen anoda menuju kompartemen katoda. Ketiga, elektron dan proton bereaksi dengan Cr6+ dalam bentuk ion dikromat (Cr2O72) yang ada di kompartemen katoda, ion ini dibentuk dengan reaksi sebagai berikut: K2Cr2O72K++ Cr2O72-……………………………………………………………………..(7) Menurut Li (2017), Elektron dan proton bereaksi dengan ion dikromat membentuk ion Cr3+ atau biasa dikenal dengan reaksi reduksi sebagai berikut: Cr2O72- + 14H+ + 6e-  2Cr3++7H2O, E0 = 1,33 V……………………………………………(8) Selain itu, proton dan elektron juga bereaksi dengan oksigen untu membentuk air dengan reaksi berikut: O2+4H++4e-  2H2O, E0 = 1,29 V…………………………………………………………...(9) Akibat terjadinya transfer elektron dari anoda ke katoda, muatan pada masing-masing kompartemen menjadi tidak seimbang. Oleh karena itu proses penyeimbangan muatan terjadi IV-2



dengan bantuan proton exchange membrane (PEM) yang mengandung ion K+ dan Cl-. Karena kompartemen anoda kehilangan elektron, maka muatan ion Cl- akan berpindah menuju kompartemen anoda untuk menstabilkan muatan elektron. Sedangkan dalam kompartemen katoda yang menerima elektron akan memiliki muatan negatif berlebih, sehingga ion K+ menuju kompartemen katoda untuk menstabilkan muatan. Ion K+ masuk ke kompartemen katoda untuk membuat seimbang kadar ion dikromat yang tereduksi. Kemudian ion H+ dari anoda bergerak ke katoda untuk menggantikan ion K+. IV.2



Pertumbuhan Shewanella oneidensis MR-1 Bakteri memiliki peran penting pada proses Microbial Fuel Cell (MFC) yaitu untuk



mengoksidasi substrat organik. Pada penelitian ini, bakteri yang digunakan adalah Shewanela oneidensis MR-1. Bakteri dimasukkan kedalam larutan molases yang berada pada kompartemen anoda ketika berada pada fase log. Pada fase log, bakteri mengalami pertumbuhan secara cepat. Selain itu, kebutuhan energi pada fase log lebih tinggi dibandingkan dengan fase pertumbuhan lainnya, sehingga banyak proton dan elektron yang dihasilkan dari proses metabolisme bakteri. Pertumbuhan bakteri dipengeruhi oleh kondisi lingkungannya, seperti pH dan suhu. Derajat keasaman atau pH merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri. Setiap mikroorganisme memiliki ketahanan hidup pada kondisi yang berbeda-beda. Shewanela oneidensis MR-1 memiliki range pH lingkungan 6-7 untuk menghasilkan biolistrik yang optimum (Biffinger, 2008). Selain itu, suhu juga menjadi faktor utama pengaruh pertumbuhan bakteri dan kemampuannya untuk bertahan hidup. Metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1untuk menghasilkan proton dan elektron adalah melalui tahaptahap berikut ini: 1. Pertama terjadi proses glikolisis dimana glukosa akan terurai secara enzimatik untuk menghasilkan molekul asam laktat yang memiliki tiga atom karbon karena proses oksidasi berlangsung secara anaerob. Bakteri pada anoda akan memetabolisme glukosa untuk menghasilkan ATP. 2. Elektron yang dihasilkan dalam proses metabolisme tersebut selanjutnya diberikan kepada NAD+ yang akan tereduksi menjadi NADH. NADH merupakan koenzim yang berperan sebagai pembawa elektron pada proses metabolisme tingkat sel. 3. Pada rantai transfer elektron yang terjadi di membran plasma bakteri, NADH akan teroksidasi membentuk NAD+ dan elektron.



IV-3



4. Elektron yang terbentuk akan ditangkap oleh elektroda yang selanjutnya akan ditransfer ke kompartemen katoda melalui kabel tembaga, sementara proton berdifusi melalui jembatan garam yang berfungsi sebagai Proton Exchange Membrane.



Gambar 4.1. Kurva Pertumbuhan Shewanella oneidensis MR-1 Untuk Beragam Temperatur Pada pH Netral (Jeong dkk,2006) Shewanella oneidensis MR-1 mampu hidup sampai dengan suhu 35oC dan memiliki kemampuan untuk tumbuh pada kisaran suhu yang luas, termasuk suhu mendekati nol (Jeong dkk, 2006). Hal ini dibuktikan pada kurva pertumbuhan pada gambar 4.1, bakteri mampu hidup pada suhu ekstrim mendekati suhu 0oC walaupun suhu optimum pertumbuhannya adalah 30oC. Sehingga perbedaan suhu mengakibatkan perbedaan pada laju pertumbuhan bakteri, dimana semakin rendah suhu maka laju pertumbuhan bakteri menjadi lebih lambat. Pada gambar 4.1, laju pertumbuhan bakteri optimum diperoleh pada suhu 30oC atau temperatur ruang. Kemudian dilakukan pengujian laju pertumbuhan Shewanella oneidensis MR-1 yang dilakukan pada suhu inkubasi 30oC dan pH netral. Hasil kurva pertumbuhan bakteri ditunjukkan pada gambar 4.2



IV-4



Konsentrasi Bakteri (sel/ml)



6E+13 5E+13 4E+13 3E+13 2E+13 1E+13 0 0



2



4



6



8



10



12



14



16



18



20



22



24



Waktu (Jam) Gambar 4.2. Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu 30oC dan pH 7 Dari gambar 4.2 dapat disimpulkan bahwa fase log bakteri Shewanella oneidensis MR1 pada suhu ruang dan pH netral adalah pada jam 10-12 sehingga penambahan bakteri pada substrat molases akan optimum jika dilakukan pada 10-12 jam setelah inokulasi bakteri. Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 selama percobaan ditunjukkan pada gambar 4.3 dan 4.4 dimana jumlah sel bakteri dihitung setiap 12 jam selama 72 jam percobaan yang dilakukan pada setiap variabel dari jumlah penambahan awal yaitu 1013 sel/ml. 1.4E+14



Jumlah Bakteri (Sel/ml)



1.2E+14 1E+14 8E+13



Variabel Kontrol



6E+13



Cu2+ 1 Mikrogram Cu2+ 10 Mikrogram



4E+13



Cu2+ 100 Mikrogram



2E+13 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.3. Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu Selama 72 Jam Percobaan Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth



IV-5



4E+13



Jumlah Bakteri (Sel/ml)



3.5E+13



3E+13 2.5E+13 Variabel Kontrol



2E+13



Cu2+ 1 Mikrogram



1.5E+13



Cu2+ 10 Mikrogram Cu2+ 100 Mikrogram



1E+13 5E+12 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.4. Kurva Pertumbuhan Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Pada Suhu Selama 72 Jam Percobaan Pada Jenis Elektroda Activated Carbon



Dapat dilihat dari gambar 4.3 dan 4.4 jumlah sel dari bakteri Shewanella oneidensis MR-1 mengalami fluktuasi yang signifikan meskipun sudah dicoba untuk dijaga di kisaran 1013 sel/ml. Hal ini dikarenakan banyak faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri Shewanella oneidensis MR-1. Salah satu faktor yang mempengaruhi pertumbuhan bakteri Shewanella oneidensis MR-1 adalah pH, dengan diketahui bahwa pertumbuhan bakteri ini optimum pada kisaran pH 7, sehingga kontrol pH pada kompartemen anoda sangatlah vital untuk menjaga stabilitas populasi dan aktivitas metabolisme bakteri. Akan tetapi pH pada kompartemen anoda selalu mengalami penurunan setiap 6 jam.Hal ini karena reaksi metabolisme bakteri yang menguraikan substrat akan menghasilkan proton (H+), dimana proton tersebut tidak seluruhnya berpindah ke kompartemen katoda melalui proton exchange membrane (PEM), sehingga pH pada anoda akan menurun.Untuk mencegah hal ini, maka digunakan buffer fosfat untuk menjaga pH agar tetap mendekati 7 pada kompartemen anoda (Regia dan Ihyari, 2018).



IV-6



8 7 6



pH



5 Tanpa Cu2+



4



Cu2+ 1 Mikrogram 3



Cu2+ 10 Mikrogram



2



Cu2+ 100 Mikrogram



1 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam) Gambar 4.5. Grafik pH kompartemen Katoda Setiap Pada Variabel Elektroda Carbon Cloth dengan penambahan KOH Setiap 6 jam



7.2 7



pH



6.8



Tanpa Cu2+



6.6



Cu2+ 1 Mikrogram



6.4



Cu 2+ 10 Mikrogram



6.2



Cu2+ 100 Mikrogram



6 5.8 0



20



40



60



80



Waktu (Jam) Gambar 4.6. Grafik pH kompartemen Katoda Setiap Pada Variabel Elektroda Activated Carbon dengan penambahan KOH Setiap 6 jam



Pada gambar 4.5 dan 4.6 dapat dilihat pengaruh penambahan buffer fosfat kepada pH kompartemen anoda, dengan nilai pH mendekati 7 pada setiap variabel kecuali variabel tanpa penambahan Cu2+. Terjaganya pH pada kisaran 7 menjamin pertumbuhan dan aktivitas bakteri tetap terjaga selama percobaan. Akan tetapi penggunaan buffer fosfat pH 7 tidak mampu untuk menetralkan seluruhnya pH pada kompartemen anoda karena laju perpindahan H+ tidak secepat laju pembentukan H+ di anoda sehingga perlu ditambahkan basa kuat KOH pada reaktor untuk menetralkan pH pada anoda IV-7



IV.3 Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap Produksi Biolistrik Sistem Microbial Fuel Cell (MFC) sistem resirkulasi kontinyu memiliki potensi yang besar untuk dapat diterapkan atau di scale up. Dibandingkan dengan sistem batch, sistem resikulasi kontinyu menghasilkan listrik yang kontinyu dan relatif stabil. Kelemahan sistem batch adalah saat tidak ada substrat yang tersisa, maka produksi listrik akan menurun karena tidak ada lagi senyawa yang dioksidasi oleh bakteri (Logan, 2006). Pada sistem resirkulasi kontinyu ini, terjadi penambahan substrat dan bakteri baru dari fresh feed serta recycle dari bottom product yang mencegah terjadinya kekurangan substrat pada bakteri. Sistem kontinyu pada MFC mampu mengolah feed dan menghasilkan produk secara kontinyu. Sehingga dalam proses ini fresh feed berupa molases dengan bakteri pada anoda dan kromium pada katoda akan bersirkulasi secara terus menerus, sehingga listrik yang dihasilkan harusnya stabil. Produksi listrik dipengaruhi beberapa faktor, yaitu jenis PEM (Proton Exchange Membrane) (Wei Li, 2010), laju konversi substrat dan, hambatan internal dan eksternal dan beda potensial anoda dan katoda (Xafenias, 2013). Pembentukan biofilm dan mekanisme trasnfer elektron dari bakteri juga mempengaruhi produksi biolistrik (Vargas dkk, 2018). Menurut Shang-Xu (2016), penambahan ion jejak dari logam khususnya Cu2+ dapat mengefektifkan kinerja bakteri Shewanella oneidensis MR1. Penambahan ion jejak Cu2+ nyatanya dapat meningkatkan produksi riboflavin sekaligus meningkatkan transfer elektron menjadi lebih signifikan sehingga power density yang dihasilkan meningkat 1,4 kali dari MFC tanpa penambahan ion jejak Cu2+. Gambar 4.7 dan 4.8 merupakan hasil produksi listrik dari setiap variabel. Pada awal sistem berjalan, produksi listrik perlahan naik untuk seluruh variabel, Hal ini karena pada saat 25 jam pertama, fresh feed masih mengisi penuh kompartemen anoda dan katoda sebelum dialirkan ke bottom product untuk di recycle. Setelah sistem berjalan secara kontinyu, terjadi fluktuasi produksi listrik pada tiap variabel



IV-8



12000



Power density (mW/m2)



10000 8000 Tanpa Cu2+



6000



Cu2+ 1 Mikrogram Cu2+ 10 Mikrogram



4000



Cu2+ Mikrogram 2000



0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam) Gambar 4.7. Hasil Produksi Power Density Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth 7000



Power density (mW/m2)



6000 5000 4000



Tanpa Cu2+



Cu2+ 1 Mikrogram



3000



Cu2+ 10 Mikrogram



2000



Cu2+ Mikrogram 1000 0 0 -1000



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.8. Hasil Produksi Power Density Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon Sesuai dengan gambar 4.7 dan 4.8, bahwa produksi listrik terus berlangsung selama percobaan berlangsung karena sistem resirkulasi kontinyu. Terjadiya fluktuasi besarnya power density yang dihasilkan terjadi karena metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1 yang sangat bergantung pada banyak faktor seperti pH, pembentukan biofilm,dan jenis elektroda (Regia dan Ihyari,2018).



IV-9



400



Total Power Density (mW/m2)



350 300 250



Tanpa Cu Cu2+ 1 mikrogram



200



Cu2+ 10 mikrogram



150



Cu2+ 100 mikrogram 100 50 0



Variabel



Gambar 4.9. Total Power Density Tiap Variabel Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth



Gambar 4.10. Total Power Density Tiap Variabel Pada Jenis Elektroda Activated Carbon



Dari gambar 4.9 dan 4.10 dapat disimpulkan bahwa total power density yang dihasilkan oleh variabel yang diberi penambahan elemen jejak Cu2+ sebesar 1 mikrogram menghasilkan total power density yang lebih besar dibandingkan dengan variabel kontrol atau tanpa penambahan Cu2+ pada elektroda carbon cloth maupun activated carbon. Hal ini dibuktikan dengan total power density yang dihasilkan variabel dengan penambahan Cu2+ 1 mikrogram pada elektroda carbon cloth adalah sebesar 338, 18 mW/m2 yang 1,55 kali lebih besar dari hasil yang didapatkan pada variabel kontrol carbon cloth yaitu 217,84 mW/m2.Sedangkan pada elektroda activated carbon variabel penambahan elemen jejak Cu2+ sebesar 1 mikrogram IV-10



menghasilkan total power density sebesar 208,877 mW/m2 yang 1,32 kali lebih besar dari variabel kontrol yaitu 157,325 mW/m2 . Hal ini disebabkan penambahan ion Cu2+ dapat membantu meningkatkan pembentukan ribovlafin yaitu protein yang berperan dalam metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1 sehingga bakteri lebih cepat dalam mengurai substrat sehingga power yang dihasilkan meningkat (Shang Xu,2016). Selain meningkatkan pembentukan riboflavin, ditemukan bahwa penambahan ion Cu2+ juga dapat meningkatkan pelekatan bakteri pada permukaan elektroda sehingga transfer elektron menjadi lebih cepat. Dari gambar 4.9 dan 4.10 juga dapat disimpulkan bahwa elektroda carbon cloth menghasilkan total power density yang lebih besar daripada elektroda activated carbon. Hal ini dibuktikan dengan total power density tertinggi yang dihasilkan adalah 338,18 mW/m2 pada elektroda carbon cloth dan pada variabel elektroda activated carbon adalah 208,877 mW/m2. Hal ini disebabkan karena carbon cloth memiliki konduktivitas elektrik yang tinggi dan resistansi yang rendah sehingga memudahkan elektron untuk berpindah dari kompartemen anoda ke katoda (Li,2017). Namun, pada variabel penambahan Cu2+ 10 mikrogram dan 100 mikrogram justru menunjukkan penurunan signifikan dari total power density pada semua jenis elektroda. Hal ini disebabkan karena terlalu banyak ion Cu2 yang diberikan justru akan menghambat pertumbuhan dan metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1. Hal ini disebut dengan Minimum Inhibitory Concentration (MIC) (Shang Xu dkk, 2016). Jadi dapat disimpulkan bahwa MIC untuk ion Cu2+ untuk bakteri Shewanella oneidensis MR-1 adalah 10-100 mikrogram. IV.4 Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap Penurunan BOD (Biochemical Oxygen Demand) BOD atau Biochemical Oxygen Demand adalah ukuran jumlah oksigen yang digunakan oleh populasi mikroba yang terkandung dalam perairan sebagai respon terhadap masuknya bahan organik yang dapat terurai. Penguraian zat organik adalah peristiwa alamiah oleh mikroorganisme, apabila suatu badan air tercemar oleh bahan organik maka mikroba yang ada dalam perairan akan memanfaatkan oksigen terlarut dalam air selama proses penguraian bahan organik berlangsung, sehingga mengakibatkan menurunnya kadar oksigen terlarut dalam air dan dapat menimbulkan kematian pada biota air lainnya karena kondisi air menjadi anaerob. Dalam Penelitian ini penurunan BOD ditunjukkan pada gambar 4.11 dan 4.12.



IV-11



600



BOD (mg/L)



500 400 Variabel Kontrol Cu2+ 1 Mikrogram



300



Cu2+ 10 Mikrogram 200



Cu2+ 100 Mikrogram



100 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.11. Hasil Penurunan BOD ( Biochemical Oxygen Demand) Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth 600



BOD (mg/L)



500 400 Variabel Kontrol 300



Cu2+ 1 Mikrogram Cu2+ 10 Mikrogram



200



Cu2+ 100 Mikrogram



100 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.12. Hasil Penurunan BOD ( Biochemical Oxygen Demand) Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon



Penurunan BOD pada penelitian ini dipengaruhi oleh aktivitas Shewanella oneidensis MR-1,sedangkan aktivitas bakteri sendiri dipengaruhi oleh konsentrasi bakteri,jumlah populasi, dan pH pada kompartemen anoda. Diketahui bahwa penambahan ion Cu2+ sebesar 1 mikrogram dapat meningkatkan produksi riboflavin sehingga metabolisme dari bakteri Shewanella oneidensis MR-1 meningkat (ShangXu, 2016). Hal ini dapat dilihat dari variabel penambahan Cu2+ sebesar 1 mikrogram pada jenis elektroda carbon cloth menghasilkan removal BOD terbesar yaitu sebesar 56,16%. Sedangkan pada variabel penambahan Cu2+ sebesar 10 mikrogram dan 100 mikrogram, tidak menghasilkan removal sebesar variabel IV-12



penambahan 1 mikrogram. Hal ini terjadi karena konsentrasi Cu2+ sebesar 10-100 mikrogram adalah toksik bagi bakteri Shewanella oneidensis MR-1 sehingga mengurangi metabolisme bakteri tersebut. Hal ini dapat dilihat pada gambar 4.11 dimana nilai BOD naik pada jam ke 12 setelah penelitian dimulai pada variabel penambahan Cu2+ 10 dan 100 mkrogram/liter Dalam penelitian ini juga terjadi kenaikan jumlah BOD ditengah penelitian yang mana harusnya nilai BOD turun seiring dengan waktu. Hal ini disebabkan karena jumlah sel bakteri Shewanella oneidensis MR-1 menurun sehingga BOD naik. Hal ini dapat dilihat dari gambar 4.11 pada variabel kontrol pada elektroda activated carbon dimana nilai BOD naik pada jam ke 24 penelitian. Hal ini terjadi karena jumlah sel hidup bakteri Shewanella oneidensis MR-1 pada jam ke 24 seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.4 menurun, sehingga nilai BOD naik.



Tabel 4.1. Hasil Reduksi Biochemical Oxygen Demand (BOD) Removal BOD



Kadar BOD Awal (mg/l)



Kadar BOD Akhir (mg/l)



48.60%



438,1



225,2



Cu2+ 1 μg/L-Carbon Cloth



56,16%



439,4



199,5



Cu2+ 10 μg/L -Carbon Cloth



39,90%



441,3



265,2



Cu2+ 100 μg/L -Carbon cloth



41,49%



438,9



256,8



Variabel Kontrol- Activated Carbon Cu2+ 1 μg/L -Activated Carbon 2+ Cu 10 μg/L -Activated Carbon Cu2+ 100 μg/L -Activated Carbon



53,93%



437,2



206,2



53,31%



431,4



201,4



51,26%



437,7



213,3



29,14%



439,2



311,2



Variabel (Penambahan Cu2+ - Modifikasi elektroda) Variabel Kontrol- Carbon Cloth



Populasi atau naik turunnya jumlah bakteri sangat berpengaruh terhadap penurunan nilai BOD, sedangkan populasi bakteri juga sangat fluktuatif meskipun masih dalam range variabel dimana hal tersebut dipengaruhi oleh pH atau derajat keasaman. Semakin tinggi populasi bakteri maka porton (H+) yang dihasilkan juga akan meningkat, sehingga nilai pH akan turun, sehingga buffer fosfat dan KOH semakin banyak digunakan untuk mengontrol pH. BOD removal juga cenderung kecil pada jumlah populasi bakteri yang sedikit. Hal ini dapat dilihat dari penurunan kadar BOD yang tidak signifikan pada 12 jam pertama, karena jumlah IV-13



bakteri masih sedikit. Baru setelah 12 jam pertama,terjadi pengurangan kadar BOD pada seluruh variabel pada setiap jenis elektroda. BOD removal pada sistem kontinyu tidaklah sebaik pada sistem batch. Hal ini dikarenakan pada sistem kontinyu subtrat organik baru dan yang belum terdegradasi akan terus menerus dimasukkan ke dalam kompartemen anoda. Adanya penambahan tersebut menyebabkan meningkatnya nilai BOD, sehingga penurunan hingga 100% tidak mampu tercapai. Pada sistem batch, tidak ada substrat yang ditambahkan setelah awalpercobaan, sehingga nilai BOD akan terus menurun, sehingga presentase removal pada sistem batch lebih baik.



IV.5



Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Penambahan Elemen Jejak Cu2+ Terhadap



Penurunan Kadar Cr6+ Cr6+ atau biasa disebut dengan kromium heksavalen merupakan salah satu senyawa yang berbahaya jika terlalu banyak terdapat pada perairan. Oleh karena itu, penurunan kadar kromium pada penelitian ini diperhatikan. Reduksi kromium heksavalen terjadi dengan memanfaatkan hasil metabolisme bakteri Shewanella oneidensis MR-1 yang berupa proton (H+) dan elektron (e-) dari kompartemen anoda yang akan mengalir ke kompartemen katoda yang berisi larutan yang mengandung kromium heksavalen dan kromium heksavalen akan tereduksi.



9



Konsentrasi Cr6+ (mg/L)



8 7



6 5



Variabel Kontrol



4



Cu2+ 1 Mikrogram



3



Cu2+ 10 Mikrogram



2



Cu2+ 100 Mikrogram



1 0 -1 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.13. Hasil Reduksi Cr6+ Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth



IV-14



Konsentrasi Cr6+ (mg/L)



9 8 7 6



5



Variabel Kontrol



4



Cu2+ 1 Mikrogram



3



Cu2+ 10 Mikrogram



2



Cu2+ 100 Mikrogram



1 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.14. Hasil Reduksi Cr6+ Terhadap Waktu Pada Jenis Elektroda Activated Carbon.



Berdasarkan hasil percobaan yang telah diperoleh seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.13 dan 4.14 kadar kromium heksavalen menurun secara stabil dari awal hingga akhir percobaan pada seluruh variabel. Adanya penambahan atau tidaknya ion Cu2+ pada sistem MFC tidak terlalu mempengaruhi laju reduksi Cr6+, justru variabel kontrol yaitu tanpa adanya penambahan elemen jejak menunjukkan laju reduksi tercepat dibandingkan dengan variabel dengan penambahan elemen jejak. Berdasarkan gambar 4.13 dan 4.14 penurunan konsntrasi kromium heksavalen cenderung sama, sehingga untuk membandingkan hsil secara keseluruhan dilakukan perhitungan secara integralistik untuk mengetahui besarnya removal selama proses. Dari hasil perhitungan integral, diperoleh removal kromium heksavalen terbesar terjadi pada variabel kontrol yaitu sebesar 99,60% pada jenis elektroda carbon cloth. Pada jenis elektroda activated carbon, removal kromium heksavalen tertinggi juga dicapai oleh variabel kontrol sebesar 99,40%. Dari data yang didapatkan dapat disimpulkan bahwa jenis elektroda terbaik untuk removal Cr6+ adalah carbon cloth. Hak ini terjadi karena carbon cloth memiliki konduktivitas elektrik yang tinggi dan resistansi yang rendah sehingga memudahkan elektron untuk berpindah dari kompartemen anoda ke katoda (Li,2017) dan variabel tanpa penambahan Cu2+ variabel paling efektif untuk memperoleh removal Cr6+ yang maksimal.



Tabel 4.2. Hasil Reduksi Kromium Heksavalen Variabel (Penambahan Cu2+ - Modifikasi elektroda)



Removal Cr6+



Kadar Cr6+ Terendah* Kadar Cr6+ Jam ke Terendah (ppm)



IV-15



Klasifikasi Baku Air**



Variabel Kontrol- Carbon Cloth



99.60%



Cu2+ 1 μg/L-Carbon Cloth



99.70%



Cu2+ 10 μg/L -Carbon Cloth



98.68%



Cu2+ 100 μg/L -Carbon cloth Variabel Kontrol- Activated Carbon Cu2+ 1 μg/L -Activated Carbon Cu2+ 10 μg/L -Activated Carbon Cu2+ 100 μg/L -Activated Carbon



0,031



72



I,II,III



0,022



72



I,II,III



0,105



72



IV



93.51%



0,521



72



IV



99.40%



0,042



72



I,II,III



99.33%



0,054



72



IV



97.42%



0,206



72



IV



86.20%



1,112



72



-



*) Pencapaian kadar kromium paling rendah selama rentang variabel **) Berdasarkan PP no.82 Tahun 2001 Profil reduksi kromium heksavalen pada masing-masing dirangkum pada tabel 4.1. Untuk klasifikasi mutu air, digunakan pencapaian kadar Cr6+ paling rendah. Seperti gambar 4.13 dan 4.14 reduksi kromium terjadi secra linear dengan sedikit fluktuasi seiring dengan waktu running percobaan. Variabel Kontrol- Carbon Cloth,Cu2+ 1 mikrogram-Carbon Cloth ,dan Variabel Kontrol - Activated Carbon , mampu mencapai baku mutu kelas I,II,dan III. Sedangkan variabel Cu2+ 1 mikrogram-Activated Carbon, Cu2+ 10 mikrogram-Carbon Cloth, Cu2+ 1 mikrogramActivated Carbon, dan Cu2+ 10 mikrogram-Activated Carbon mampu mencapai baku mutu air IV. Secara umum, Klasifikasi air dibagi menjadi 4 kelas menurut PP no.82 Tahun 2001, yaitu



Kelas I,II,III, dan IV. Kelas I adalah air yang peruntukannya untuk air minum. Kelas II adalah untuk prasarana/sarana rekreasi air.Kelas III adalah air yang peruntukannya untuk pembudidayaan air tawar, peternakan, dan pengairan tanaman. Sedangkan kelas IV adalah air untuk pengairan tanaman dan unutk tujuan lain.



IV.6



Pengaruh pH KatodaTerhadap Penurunan Kadar Cr6+ Reduksi limbah kromium heksavalen menjadi salah satu fokus utama dalam penelitian



ini. Oleh karena itu pH dalam kompartemen katoda selalu dianalisa setiap 6 jam sekali. Berdasarkan analisa, pH tidak mengalami perubahan yang signifikan karena dijadikan variabel tetap dan terus di kontrol nilainya. Profil pH pada katoda ditunjukkan pada gambar 4.13 dan 4.14.



IV-16



4 3.5 3



pH



2.5 Variabel Kontrol



2



Cu2+1 Mikrogram



1.5



Cu2+ 10 Mikrogram



1



Cu2+ 100 Mikrogram



0.5 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.15. Nilai pH Kompartemen Katoda Pada Jenis Elektroda Carbon Cloth 5 4.5 4 3.5



pH



3



Variabel Kontrol



2.5



Cu2+ 1 Mikrogram



2



Cu2+ 10 Mikrogram



1.5



Cu2+ 100 Mikrogram



1 0.5 0 0



20



40



60



80



Waktu (Jam)



Gambar 4.16. Nilai pH Kompartemen Katoda Pada Jenis Elektroda Activated Carbon



Pada penelitian ini,pH kompartemen katoda ditetapkan pada nilai 2-3 karena merupakan nilai pH yang terbaik untuk reduksi kromium heksavalen (Li dkk,2018). Reaksi yang terjadi pada kompertemen katoda adalah : Cr2O72- + 14H+ + 6e-  2Cr3+ + 7H2O……………………………………………………..(10) Kondisi asam mempengaruhi reduksi kromium heksavalen dalam hal adsorpsi/desorpsi ion kromium dan protonasi/deprotonasi gugus fungsi dinding sel. Pada pH 1-4, terjadi peningkatan muatan negatif pada permukaan sel karena deprotonasi situs pengikatan logam sehingga menarik kromium trivalen yang dihasilkan dari reduksi Cr6+. Penghilangan kromium total pada pH rendah terjadi karena protonasi kuat gugus fungsi, sehingga membuat biomassa lebuh bermuatan positif dan menciptakan daya tarik elektrostatik dengan spesies Cr6+ IV-17



BAB V KESIMPULAN DAN SARAN



V.1 Kesimpulan Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa : 1.



Microbial Fuel Cell (MFC) dual chamber sistem resirkulasi kontinyu dengan substrat limbah pabrik gula (molases) mampu mereduksi logam Cr (VI), menghasilkan energi listrik dengan bantuan bakteri Shewanella oneidensis MR-1 serta menurunkan nilai BOD dengan removal terbesar dicapai pada variabel carbon cloth dengan penambahan Cu2+ sebesar 1 mikrogram yaitu 56,16%. Variabel Penambahan ion Cu2+ dengan jenis elektroda carbon cloth memproduksi listrik paling optimum dengan total power density sebesar 338,18 mW/m2. Sedangkan variabel tanpa penambahan Cu2+ pada jenis elektroda carbon cloth menghasilkan removal Cr6+ paling besar yaitu 99,60%.



2.



Konsentrasi ion Cu2+ sebesar 1 mikrogram per liter dan elektroda carbon cloth dapat memproduksi listrik yang lebih besar dan dapat mereduksi lebih banyak logam kromium heksavalen Cr6+.



V.2 Saran Saran untuk peningkatan hasil dari penelitian ini adalah sebagai berikut. 1.



Kompartemen anoda dan katoda dalam MFC harus lebih dijaga pH pada nilai optimumnya agar jumlah populasi dan metabolisme bakteri serta kecepatan reduksi Cr6+ selalu stabil.



2.



Media transfer proton sebaiknya menggunakan Proton Exchange Membrane (PEM) agar transfer proton lebih maksimal dibandingkan dengan menggunakan jembatan garam KCl.



V-1



DAFTAR PUSTAKA



Akhadiarto, S. (2008). Pemanfaatan Limbah Tanaman Tebu untuk Pakan Sapi . Jurnal Peternakan Volume 4, 150. Aziz, H., Tetra, O. N., & Alif, A. (2017). Performance Karbon Aktif Dari Limbah Cangkang Kelapa Sawit Sebagai Bahan Elektroda Superkapasitor. Jurnal Zarah Volume 5 , 2. Baron, D., & La Belle, E. (2009). Electrochemical Measurement of Electron Transfer Kinetics by Shewanella oneidensis MR-1. The Journal of Biological Chemistry, 28865-28866. Edelynna, & Wirespathi. (2012). Pengaruh Kromium Heksavalen (VI) terhadap Tingkat Kelangsungan Hidup Ikan Nila (Oreochromis niloticus). Jurnal lentera biologi UNESA, 75-76. Fifendy, M., Eldini, & Irdawati. (2013). Pengaruh Pemanfaatan Molase Terhadap Jumlah Mikroba Dan Ketebalan Nata Pada Teh Kombucha. Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung (hal. 68). Lampung: FMIPA UNILA. Flimban, S. (2018). Overview of Microbial Fuel Cell (MFC) Recent Advancement from Fundamentals to Applications: MFC Designs, Major Elements,and Scalability. Journal of Bioresource, 15-21. Hasan, A. (2007). Aplikasi Sistem Fuel Cell sebagai Energi Ramah Lingkungan di Sektor Transportasi dan Pembangkit. Jurnal Teknik Lingkungan Volume 8, 277-279. Hendrata, S. (2001). Fuel Cell Sebagai Penghasil Energi Abad 21. Jurnal Teknik Mesin Vol. 3, 95-97. Hidup, K. L. (2018). PERATURAN MENTERI LINGKUNGAN HIDUP DAN KEHUTANAN. Jakarta: Pemerintah Republik Indonesia. Indonesia, P. R. (2001). PERATURAN PEMERINTAH REPUBLIK INDONESIA NOMOR 82 TAHUN 2001 PENGELOLAAN KUALITAS AIR DAN PENGENDALIAN PENCEMARAN AIR PRESIDEN REPUBLIK INDONESIA. Jakarta: DPR . Kalathil, S., & Patil, S. (2017). Microbial Fuel Cells: Electrode Materials. Electrode Materials Encyclopedia & Journal, 6-7. Karmakar, S., Kundu, K., & Kundu, S. (2010). Design and Development of Microbial Fuel cells . Journal of Applied Microbiology, 1031.



xi



Li, M., & Zhou, S. (2018). Simultaneous Cr(VI) reduction and bioelectricity generation in a dual. Chemical Engineering Journal, 1622-1623. Liu, H. (2008). Microbial Fuel Cell: Novel Anaerobic Biotechnology for Energy Generation from Wastewater. Dalam S. K. Kanal, Anaerobic Biotechnology for Bioenergy Production: Principles and Applications (hal. 225-227, 236-241). John Wiley. Miroliaei, M., Samimi, A., & Mohebbi-Kalhori, D. (2015). Competition between E.coli and Shewanella s. for electricity in Air Cathode MFC in presence of Methylene Blue as Artificial Mediator. Environmental progres & Sustainable energy Vol.34 no. 4, 4. Mokhtarian, N. (2012). Effect of Different Substrate on Performance of Microbial Fuel Cell. African Journal of Biotechnology Vol. 11, 3365, 3368. Moncekova, M., Novotny, R., & Koplik, J. (2016). Hexavalent chromium reduction by ferrous sulphate heptahydrate addition into the Portland clinker. International Journal of Ecology and new Building materials and products, 73-74. Palar, H. (1994). Pencemaran dan Toksikologi Logam Berat. Jakarta: PT. Rineka Cipta. Rabaey, K., Boon, N., & Siciliano, S. (2004). Biofuel cells select for Microbial consortia that self-mediate electron transfer. Journals of Environment Microbiol, 5374. Rahmawati, R., & Suhendar. (2015). Sintetis nanokomposit ỹ-Al2O3-Fe2O3 untuk adsorpsi logam Cr (VI). Jurnal Istek Volume 8 (1), 117. Regia, P., & Ihyari, F. N. (2019). Pengaruh Modifikasi Elektroda dan Konsentrasi Bakteri Pada Efektivitas Microbial Fuel Cell (MFC) dari Limbah Molases dan Reduksi Logam Berat Cr (VI) dengan Reaktor Dual Chamber Sistem Kontinyu. Skripsi Departemen Teknik Kimia ITS. Revelo Romo, M. e. (2018). Bacterial diversity in the Cr(VI) reducing biocathode of Microbial Fuel Cell with salt bridge. Revista Argentina De Microbiologia, 3-4. Rochani, A., & Yuniningsih, S. (2016). Pengaruh Konsentrasi Gula Larutan Molases terh Kadar Etanol pada Proses Fermentasi. Jurnal Reka Buana Volume 1, 43-44. Saravanan, N., & Karthikeyan, M. (2018). Study Of Single Chamber And Double Chamber Efficiency And Losses Of Wastewater Treatment. International Research Journal of Engineering and Technology Vol 5, 1226. Shang Xu, Y., & Zheng, T. (2016). Trace heavy metal ions promoted extracellular electron transfer. Bioresource Technology, 544-545. Sugihartono. (2016). Pemisahan krom pada limbah cair industri penyamakan kulit menggunakan gelatin dan flokulan anorganik . Majalah Kulit, Karet, dan Plastik, Volume 32 no.1 , 21. xii



Sundstrom, D. (1979). Waste Water Treatment. Connecticut: Prentice-Hall Inc. Thygesen, Ander. (2016). A Viable Electrode Material for Use in Microbial Fuel. MDPI Energy Journal, 2,11. Venkateswaran, K., & Duane, M. (1999). Polyphasic taxonomy of the genus Shewanella and description of Shewanella oneidensis sp. now. International Journal of Systematic Bacteriology, 721. Wei Li, W., & Pin Sheng, G. (2011). Recent advances in the separators for microbial fuel cells. Bioresource Technology, 244, 247-248. Wei, X., Qiang Gan, Z., & Shen, Y. J. (2019). Negatively-charged nanofiltration membrane and its hexavalent chromium removal performance. Journal of Colloid and Interface Science, 475-476. Wu, G., & Jin, F. (2019). Pellicle development of Shewanella oneidensis is an aerotaxispiloted and energy-dependent process. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1. Xafenias, N., & Zhang, Y. (2013). Enhanced performance of hexavalent chromium reducing cathodes in the presence of Shewanella oneidensis MR-1 and lactate. Environmental Science and Technology Substrate, 5. Yanuartono, & Alfarisa, N. (2017). Molasses: dampak negatif pada ruminansia. Jurnal IlmuIlmu Peternakan 27, 25-26. Zhang, T.-t., & Hu, L. (2019). Cr(VI) removal from soils and groundwater using an integrated adsorption and microbial fuel cell (A-MFC) technology. Journal of Environmental Pollution 252, 1400.



xiii



APPENDIKS A PERHITUNGAN PEMBUATAN LARUTAN 1. Pembuatan larutan logam Cr6+ berkonsentrasi 8 mg/L dari padatan K2Cr2O7 dalam 10 L volume reaktor di katoda. Massa serbuk K2Cr2O7 yang dibutuhkan 𝐵1 = 𝐵2 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑟2 = 𝑀𝑟 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 𝑀𝑟 𝐶𝑟2 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 =



𝑀𝑟 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐶𝑟2 𝑋 𝑋 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑅𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑀𝑟 𝐶𝑟2 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟



𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 =



293,98 𝑔𝑟𝑎𝑚/𝑚𝑜𝑙 8 𝑚𝑔 𝑋 𝑋 10 𝐿 2 𝑥 51,9 𝑔𝑟𝑎𝑚/𝑚𝑜𝑙 1𝐿



𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐾2 𝐶𝑟2 𝑂7 = 226,574 𝑚𝑔 Asam Nitrat dan Natrium Sitat yang dibutuhkan Untuk 100 mL larutan buffer pH 3, dibutuhkan 46,5 mL asam sitrat; 3,5 mL Natrium Sitrat dan 50 mL aquadest. Sehingga, untuk volume 7500 mL larutan buffer dibutuhkan : Larutan Asam Sitrat



= 46,5 mL



x 75 = 3487,5 mL



Larutan Natrium Sitrat



= 3,5 mL



x 75 = 262,5 mL



Aquadest



= 50 mL



x 75 = 3750 mL



Dengan demikian larutan 10 L yang memiliki konsentrasi 8 mg/L Cr6+ dapat dibuat dengan komposisi seperti pada tabel berikut.



No



Komponen



Jumlah



1



Padatan K2Cr2O7



226,574 mg



2



Asam Sitrat



3487,5 mL



3



Natrium Sitrat



262,5 mL



4



Aquadest



6250 mL 1000 mL



Total



A-1



2. Regenerasi Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Sebelum diinokulasi kedalam media Nutrient Broth (NB) cair, bakteri Shewanella oneidensis MR-1 diregenerasi dari indukan kedalam tabung-tabung reaksi menggunakan media Nutrient Broth Agar (NBA).



Pembuatan Nutrient Broth Agar dengan volume 500 mL adalah sebagaimana berikut : a. Menyiapkan Nutrient Broth 4 gram, D-Glucose 1,5 gram, agar batang 6,25 gram, dan aquadest 500 mL. b. Menyiapkan peralatan seperti, tabung reaksi besar sebanyak 6 buah, penanggas air, dan autoclave. c. Melarutkan Agar Batang pada 500 mL aquadest mendidih. d. Memasukkan Nutrient Broth dan D-Glucose kedalam larutan agar. e. Memanaskan hingga larutan NBA homogen (tercampur merata). f. Membuat sumbat tabung reaksi menggunakan kapas berlemak. g. Melakukan pemanasan dan setelah homogen, memasukkan NBA kedalam tabungtabung reaksi. h. Menutup tabung reaksi yang berisi NBA yang masih cair dengan kapas lemak. i. Mensterilisasi tabung reaksi berisi NBA menggunakan autoclave selama 15 menit pada suhu 121℃ dan bertekanan 15 psig. j. Setelah sterilisasi, Mengeluarkan dari autoclave lalu memiringkan tabung reaksi sebesar 15° hingga media NBA memadat.



Menginokulasi Shewanella oneidensis MR-1 pada NBA Setelah media NBA dalam tabung reaksi dingin dan memadat, bakteri Shewanella oneidensis MR-1 dari indukan awal diinokulasi dengan teknik gores pada media agar miring. Penggoresan dilakukan pada seluruh permukaan NBA pada tabung reaksi secara maksimal, sehingga biakan Shewanella oneidensis MR-1 dapat tumbuh memenuhi seluruh permukaan media. Setelah inokulasi dilakukan maka selanjutnya memasukkan biakan ke dalam inkubator yang bekerja pada temperatur 30 ℃. Biakan baru dapat digunakan satu hari setelah dimasukkan dalam inkubator. Agar bakteri bisa



A-2



tetap hidup, maka segera setelah dikeluarkan dari inkubator, bakteri dimasukkan kedalam kulkas. 3. Pembuatan larutan untuk kompartemen Anoda Dalam pembuatan substrat untuk feed kompartemen anaoda pada microbial fuel cell (MFC) dual chamber memerlukan 10 L larutan yang terdiri atas molase, biakan bakteri dan larutan buffer fosfat dengan konsentrasi molase sebesar 5 % dan biakan bakteri sebesar 15 %. Berikut merupakan tahapan dalam pembuatan larutan untuk feed kompartemen anoda Pembuatan larutan molase konsentrasi 5 % dari volume total feed 5



= 100 𝑥 10 𝐿 = 0,5 𝐿 = 500 𝑚𝐿



Kebutuhan molase



Pembuatan biakan bakteri konsentrasi 15 % dari volume total feed Kebutuhan media bakteri



15



= 100 𝑥 10 𝐿 = 1,5 𝐿 = 1500 𝑚𝐿



Pembuatan larutan buffer fosfat pH 7 Dalam pembuatan larutan buffer fosfat pH 7 membutuhkan 0,9247 gram Na2HPO4, 0,4063 gram NaH2PO4, dan aquadest. Maka, untuk volume 7500 mL larutan buffer dibutuhkan : Padatan Na2HPO4



= 0,9247 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑥 15 = 13,8705 𝑔𝑟𝑎𝑚



Padatan NaH2PO4



= 0,4063 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑥 15 = 6,0945 𝑔𝑟𝑎𝑚



Aquadest



= 500 𝑚𝐿



𝑥 15 = 7500 𝑚𝐿



Dengan demikian larutan feed untuk kompartemen anoda sebanyak 10 L yang memiliki konsentrase molase sebesar 5 % dan biakan bakteri sebesar 15 % dapat dibuat dengan komposisi sebagaimana ditampilkan pada tabel berikut No



Komponen



Jumlah



1



Molase



500 mL



2



Biakan Bakteri



1500 mL



3



Larutan Buffer Fosfat



7500 mL



4



Aquadest



500 mL 10000 mL



Total



4. Pembuatan larutan HCl 1 M dalam 3 L aquadest untuk aktivasi elektroda Diketahui massa jenis HCl = 1,19 Kg/L dengan BM = 36,5 Mencari massa sebenarnya dari larutan HCl pekat 37 % per liter



A-3



= 37 % 𝑥 1 𝐿 𝑥



1,19 𝐾𝑔 𝐿



= 0,4403 𝐾𝑔 = 440,3 g Molaritas (M) HCl 37 % per liter =



440,3 36,5



𝑥



1000 1000



= 12,063 𝑀



Rumusan pengenceran menjadi HCl 1 M 𝑉1 𝑥 𝑀1 = 𝑉2 𝑥 𝑀2 𝑉1 𝑥 12,063 = 3000 𝑥 1 𝑉1 = 248,6941 𝑚𝐿 Maka larutan HCl 1 M dapat dibuat dengan melarutkan 248,6941 mL HCl 37% dengan aquadest hingga volumenya 3000 mL.



5. Pembuatan larutan NaOH 1 M dalam 3 L aquadest ntuk aktivasi elektroda 𝑔𝑟



1000



𝑔𝑟



1000



NaOH 1 M = 𝑀𝑟 𝑥 1 = 40 𝑥



𝑚𝐿 3000



Massa NaOH = 120 𝑔𝑟𝑎𝑚 Maka larutan NaOH 1 M dapat dibuat dengan melarutkan 120 gram padatan NaOH dalam 3 L aquadest.



A-4



A-v



APPENDIKS B HASIL PENGAMATAN DAN PERHITUNGAN



1. Populasi Bakteri Shewanella oneidensis MR-1 Dalam perhitungan populasi bakteri pada penelitian ini menggnakan metode counting chamber, yang mana menggunakan mikroskop dengan bantuan hemasitometer. Berikut ini disajikan contoh perhitungan populasi bakteri Shewanella oneidensis MR-1 pada variabel elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ pada jam ke 12.



Jumlah rata-rata per kotak = 178 sel/kotak Luas Kotak = 1/25 mm2 Kedalaman Hemasitometer = 0,1 mm Faktor Pengenceran = 1000000 kali Jumlah sel/mm2 = 178



𝑠𝑒𝑙 𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘



Jumlah sel/mm3 = 4450 Jumlah sel/ml = 44500



× 25



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑚2 𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑚3



𝑘𝑜𝑡𝑎𝑘 𝑚𝑚2



= 4450



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑚2



÷ 0,1 𝑚𝑚 = 44500



× 1000



𝑚𝑚3 𝑚𝑙



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑚3



= 44500000



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑙



Dikalikan dengan faktor pengenceran 1000000 kali, maka Jumlah sel/ml = 44500000



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑙



= 4,45 × 1013



× 1000000 = 44500000000000



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑙



Digunakan cara yang sama untuk perhitungan yang lain.



B-1



𝑠𝑒𝑙 𝑚𝑙



Tabel B- 1 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



22



15



25



23



19



104



1000000



2,5 x 1013



12



26



61



40



21



30



178



1000000



4,45 x 1013



24



51



84



53



49



55



292,3333



1000000



7,30833 x 1013



36



24



53



34



24



40



175,3333



1000000



4,38333 x 1013



48



31



51



41



19



74



216



1000000



5,4 x 1013



60



96



100



103



86



97



481,6667



1000000



1,20417 x 1014



72



71



87



64



61



55



338,6667



1000000



8,46667 x 1013



Tabel B- 2 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



20



22



30



19



24



115



1000000



3,2 x 1013



12



25



25



48



20



20



138



1000000



3,45 x 1013



24



26



27



13



35



40



140



1000000



3,5 x 1013



36



15



11



13



16



20



75,66667



1000000



1,89167 x 1013



48



15



15



18



12



22



83



1000000



2,075 x 1013



60



23



25



24



19



20



111,3333



1000000



2,78333 x 1013



72



48



56



64



46



50



263



1000000



6,575 x 1013



Tabel B- 3 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak) 0



20



25



16



11



13



85 B-2



(sel/ml) 1000000



2,103 x 1013



12



15



15



18



22



34



104,6667



1000000



2,61667 x 1013



24



18



22



28



11



10



89



1000000



2,225 x 1013



36



19



50



19



27



24



139,6667



1000000



3,49167 x 1013



48



14



18



27



10



15



82,66667



1000000



2,06667 x 1013



60



12



17



36



14



17



96,66667



1000000



2,41667 x 1013



72



50



64



53



55



45



267



1000000



6,675 x 1013



Tabel B- 4 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



17



15



14



22



27



95



1000000



2,321 x 1013



12



27



22



16



7



29



100,6667



1000000



2,51667 x 1013



24



33



15



38



42



27



155,6667



1000000



3,89167 x 1013



36



13



17



18



20



16



83,66667



1000000



2,09167 x 1013



48



14



19



21



16



17



88



1000000



2,2 x 1013



60



15



13



15



13



19



75,33333



1000000



1,88333 x 1013



72



13



15



12



16



13



69



1000000



1,725 x 1013



Tabel B- 5 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



23



24



20



17



18



102



1000000



2,542 x 1013



12



22



26



29



16



24



115,6667



1000000



2,89167 x 1013



24



18



14



21



16



19



88,66667



1000000



2,21667 x 1013



36



17



14



18



16



14



79,66667



1000000



1,99167 x 1013



48



15



13



16



17



16



75,66667



1000000



1,89167 x 1013



60



19



21



21



20



17



74



1000000



1,85 x 1013



72



19



21



21



20



17



97



1000000



2,425 x 1013



B-3



Tabel B- 6 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



19



16



15



21



20



91



1000000



2,2781 x 1013



12



26



23



23



18



16



105,6667



1000000



2,64167 x 1013



24



20



33



24



23



27



127,3333



1000000



3,18333 x 1013



36



26



27



29



18



21



120,6667



1000000



3,01667 x 1013



48



14



23



15



20



19



89,66667



1000000



2,24167 x 1013



60



18



20



26



25



21



109,3333



1000000



2,73333 x 1013



72



27



23



20



34



23



126



1000000



3,15 x 1013



Tabel B- 7 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



21



25



30



29



22



127



1000000



3,182 x 1013



12



38



24



30



24



26



141,6667



1000000



3,54167 x 1013



24



27



22



23



31



22



124,6667



1000000



3,11667 x 1013



36



28



18



29



32



19



125,6667



1000000



3,14167 x 1013



48



25



35



26



20



28



135



1000000



3,375 x 1013



60



30



20



34



41



26



151,3333



1000000



3,78333 x 1013



72



22



22



20



13



27



105,6667



1000000



2,64167 x 1013



Tabel B- 8 Hasil perhitungan populasi bakteri pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg Cu2+ Jam ke-



Jumlah per Kotak A



B



C



D



E



Jumlah



Faktor



Jumlah



rata-rata



Pengenceran



Bakteri



(sel/kotak)



(sel/ml)



0



19



23



21



18



29



112



1000000



2,465 x 1013



12



25



25



17



21



26



114



1000000



2,85 x 1013



B-4



24



29



24



22



23



21



128,6667



1000000



3,21667 x 1013



36



18



31



35



27



21



131,3333



1000000



3,28333 x 1013



48



15



24



25



25



20



110



1000000



2,75 x 1013



60



23



29



12



20



14



97,33333



1000000



2,43333 x 1013



72



24



19



26



23



18



110,3333



1000000



2,75833 x 1013



2. Listrik yang dihasilkan Dalam sistem microbial fuel cell yang mengolah limbah molase dan juga Cr6+ dihasilkan listrik yang dianalisa tegangan dan arus nya menggunakan multimeter digital setiap 6 jam. Berikut ini disajikan perhitungan dalam analisa listrik yang diproduksi. Perhitungan luas permukaan 1 buah elektroda carbon cloth. Dengan pengukuran diketahui : Panjang = 6,5 cm ; Lebar = 6,255 cm Luas Penampang (A) = (2 × 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔 × 𝐿𝑒𝑏𝑎𝑟 ) = (2 × 9,025 𝑐𝑚 × 9,025 𝑐𝑚) = 163 𝑐𝑚2 = 0,0163 𝑐𝑚2 Sedangkan untuk elektroda activated carbon perhitungan untuk luasannya ialah sebagaimana berikut, Diameter 4 cm ; 𝑟 = 2 𝑐𝑚 ; ℎ = 12 𝑐𝑚 Luas Penampang = (2𝜋𝑟 2 ) + (2𝜋𝑟ℎ) = (2 × 3,14 × 2,52 𝑐𝑚) + (2 × 3,14 × 2 × 12 𝑐𝑚) = 163 𝑐𝑚2 = 0,0163 𝑚2 Berikut ini disajikan contoh perhitungan power density dalam analisa listrik sistem microbial fuel cell (MFC) pada variabel elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ pada jam ke-24 Diketahui : Tegangan Listrik = 0,15 Arus Listrik = 0,46 mA Luas permukaan elektroda = 0,0163 m2 𝑚𝑊



Power Density ( 𝑚2 ) =



𝐼 (𝑚𝐴)×𝑉(𝑉) 𝐴(𝑚2 )



B-5



=



0,46 ×0,15 0,0163 𝑚𝑊



= 4,233 ( 𝑚2 ) Digunakan cara yang sama untuk perhitungan yang lain.



Tabel B- 9 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,2



0,29



0,0163



3,558282



12



0,13



0,27



0,0163



2,153374



18



0,12



0,3



0,0163



2,208589



24



0,15



0,46



0,0163



4,233129



30



0,12



0,4



0,0163



2,944785



36



0,12



0,37



0,0163



2,723926



42



0,14



0,44



0,0163



3,779141



48



0,13



0,4



0,0163



3,190184



54



0,16



0,5



0,0163



4,907975



60



0,14



0,39



0,0163



3,349693



66



0,13



0,27



0,0163



2,153374



72



0,15



0,12



0,0163



1,104294



Tabel B- 10 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,165



0,29



0,0163



2,935583



B-6



12



0,24



0,41



0,0163



6,03681



18



0,184



0,4



0,0163



4,515337



24



0,245



0,55



0,0163



8,266871



30



0,286



0,6



0,0163



10,52761



36



0,187



0,38



0,0163



4,359509



42



0,207



0,41



0,0163



5,206748



48



0,151



0,25



0,0163



2,315951



54



0,182



0,3



0,0163



3,349693



60



0,133



0,26



0,0163



2,121472



66



0,155



0,25



0,0163



2,377301



72



0,197



0,36



0,0163



4,35092



Tabel B- 11 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,21



0,35



0,0163



4,509202



12



0,12



0,3



0,0163



2,208589



18



0,1



0,19



0,0163



1,165644



24



0,09



0,21



0,0163



1,159509



30



0,09



0,19



0,0163



1,04908



36



0,08



0,17



0,0163



0,834356



42



0,08



0,19



0,0163



0,932515



48



0,08



0,19



0,0163



0,932515



54



0,09



0,21



0,0163



1,159509



60



0,13



0,27



0,0163



2,153374



66



0,165



0,36



0,0163



3,644172



72



0,215



0,48



0,0163



6,331288



B-7



Tabel B- 12 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,11



0,17



0,0163



1,147239



12



0,11



0,19



0,0163



1,282209



18



0,13



0,2



0,0163



1,595092



24



0,12



0,25



0,0163



1,840491



30



0,08



0,17



0,0163



0,834356



36



0,09



0,19



0,0163



1,04908



42



0,15



0,42



0,0163



3,865031



48



0,13



0,34



0,0163



2,711656



54



0,11



0,27



0,0163



1,822086



60



0,11



0,26



0,0163



1,754601



66



0,11



0,25



0,0163



1,687117



72



0,12



0,26



0,0163



1,91411



Tabel B- 13 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,193



0,01



0,0163



0,118405



12



0,128



0,01



0,0163



0,078528



18



0,33



0,02



0,0163



0,404908



24



0,112



0,33



0,0163



2,267485



30



0,115



0,18



0,0163



1,269939



36



0,155



0,27



0,0163



2,567485



B-8



42



0,12



0,29



0,0163



2,134969



48



0,135



0,28



0,0163



2,319018



54



0,125



0,35



0,0163



2,684049



60



0,173



0,3



0,0163



3,184049



66



0,175



0,49



0,0163



5,260736



72



0,178



0,36



0,0163



3,931288



Tabel B- 14 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,13



0,18



0,0163



1,435583



12



0,153



0,18



0,0163



1,689571



18



0,18



0,26



0,0163



2,871166



24



0,171



0,21



0,0163



2,203067



30



0,188



0,23



0,0163



2,652761



36



0,199



0,24



0,0163



2,930061



42



0,187



0,3



0,0163



3,441718



48



0,186



0,55



0,0163



6,276074



54



0,16



0,2



0,0163



1,96319



60



0,173



0,24



0,0163



2,547239



66



0,172



0,24



0,0163



2,532515



72



0,29



0,24



0,0163



4,269939



B-9



Tabel B- 15 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,107



0,02



0,0163



0,131288



12



0,119



0,17



0,0163



1,241104



18



0,117



0,2



0,0163



1,435583



24



0,119



0,22



0,0163



1,606135



30



0,1



0,14



0,0163



0,858896



36



0,139



0,17



0,0163



1,449693



42



0,099



0,17



0,0163



1,032515



48



0,098



0,13



0,0163



0,781595



54



0,104



0,15



0,0163



0,957055



60



0,096



0,13



0,0163



0,765644



66



0,109



0,14



0,0163



0,936196



72



0,096



0,13



0,0163



0,765644



Tabel B- 16 Hasil perhitungan power density pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg Cu2+ Jam ke-



Tegangan (V)



Arus (mA)



Luas



Power



Permukaan



Density



Elektroda



(mW/m2)



(m2) 0



0



0



0,0163



0



6



0,121



0,22



0,0163



1,633129



12



0,129



0,29



0,0163



2,295092



18



0,12



0,17



0,0163



1,251534



24



0,141



0,2



0,0163



1,730061



30



0,11



0,1



0,0163



0,674847



36



0,106



0,12



0,0163



0,780368



B-10



42



0,099



0,11



0,0163



0,668098



48



0,087



0,13



0,0163



0,693865



54



0,069



0,09



0,0163



0,380982



60



0,063



0,09



0,0163



0,347853



66



0,075



0,14



0,0163



0,644172



72



0,078



0,12



0,0163



0,574233



3. Hasil uji kadar Cr6+ Dalam penelitian ini, kadar Cr6+ diambil sampelnya setiap 12 jam dalam tiga hari kerja per variabel dan lalu dianalisa. Tabel B- 17 Hasil analisa kadar Cr6+ pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth Kadar Cr6+



Jam ke



Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g Cu2+



10 𝛍g Cu2+



100 μg Cu2+



Cu2+ 0



8,021



8,126



7,985



8,04



12



2,58



2,127



3,234



3,251



24



0,113



2,051



3,122



3,212



36



0,069



1,229



2,523



3,056



48



0,055



0,231



2,216



2,512



60



0,034



0,058



1,512



1,513



72



0,031



0,022



0,105



0,521



Tabel B- 18 Hasil analisa kadar Cr6+ pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon Kadar Cr6+



Jam ke



Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g Cu2+



10 𝛍g Cu2+



100 μg Cu2+



Cu2+ 0



8,023



8,115



7,987



8,058



12



4,324



5,343



5,731



5,875



B-11



24



4,123



4,498



4,672



4,617



36



3,764



3,54



4,541



3,564



48



2,133



3,323



2,246



3,012



60



2,321



2,46



1,544



1,987



72



0,042



0,054



0,206



1,112



4. Perhitungan integralistik Power Density Aturan trapezoidal adalah suatu metode pendekatan integral numerik dengan polinom orde satu. Dalam metode ini, kurva yang berbentuk lengkung didekatkan dengan garis lurus sedemikian hingga bentuk dibawah kurvanya seperti trapesium. Dalam penelitian ini, metode trapezoidal digunakan untuk menghitung luasan di bawah kurva untuk memperoleh total power density selama 72 jam sehingga power density tiap variabel dapat dibandingkan. Persamaan trapezoidal ialah sebagaimana berikut, 𝑁



𝑏



∫ 𝑓(𝑥)𝑑𝑥 ≈ ∑ 𝑎



=



𝑘=1



𝑓(𝑥𝑘−1 ) + 𝑓(𝑥𝑘 ) ∆𝑥𝑘 2



∆𝑥 (𝑓(𝑥0 ) + 2𝑓(𝑥1 ) + 2𝑓(𝑥2 ) + 2𝑓(𝑥3 ) + 2𝑓(𝑥4 ) + ⋯ + 2𝑓(𝑥𝑁−1 ) + 𝑓(𝑥𝑁 ) 2



F(x) merupakan nilai data power density tiap 6 jam. Interval setiap data adalah jarak 𝑓1 dan 𝑓2 , 𝑓2 dan 𝑓3 , dan seterusnya, sedangkan nilai interval sama yaitu tiap 6 jam. Maka nilai ∆x = 6. Trapezoidal memiliki faktor perkalian dengan pola = 𝑓1 + 2𝑓2 + 2𝑓3 … + 𝑓𝑛 Berikut merupakan contoh perhitungan total power density 1) Masing-masing f(x) dikalikan dengan masing-masing fp 𝑓(2) = 3558,282 × 2 = 7116,654 Dan dilakukan untuk semua nilai f(x)



Tabel B- 19 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth tanpa penambahan larutan Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1 B-12



0



1



3558,282



2



7116,564



2



2153,374



2



4306,748



3



2208,589



2



4417,178



4



4233,129



2



8466,258



5



2944,785



2



5889,571



6



2723,926



2



5447,853



7



3779,141



2



7558,282



8



3190,184



2



6380,368



9



4907,975



2



9815,951



10



3349,693



2



6699,387



11



2153,374



2



4306,748



12



1104,294



1



1104,294



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



71509,2



Kemudian hasil 𝑓(𝑥) × 𝑓𝑝 dijumlahkan sehingga diperoleh nilai 71509,2 2) Perhitungan (1) digunakan untuk menghitung integral 𝑓(𝑥) sesuai dengan persamaan trapezoidal 72



∫ 𝑓(𝑥) = 0



=



∆𝑥 (𝑓(1) + 2𝑓(2) + 2𝑓(3) + ⋯ 𝑓(𝑛)) 2 6 × 71509,2 2



= 214527,6 Sehingga total power density adalah 214527,6 mW/m2 Dengan menggunakan langkah-langkah diatas maka dapat dihitung total power density untuk variabel-variabel yang lainnya.



Tabel B- 20 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 1 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



2935,583



2



5871,166



B-13



2



6036,81



2



12073,62



3



4515,337



2



9030,675



4



8266,871



2



16533,74



5



10527,61



2



21055,21



6



4359,509



2



8719,018



7



5206,748



2



10413,5



8



2315,951



2



4631,902



9



3349,693



2



6699,387



10



2121,472



2



4242,945



11



2377,301



2



4754,601



12



4350,92



1



4350,92



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



108376,7



Total power density



325130,1



Tabel B- 21 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



4509,202



2



9018,405



2



2208,589



2



4417,178



3



1165,644



2



2331,288



4



1159,509



2



2319,018



5



1049,08



2



2098,16



6



834,3558



2



1668,712



7



932,5153



2



1865,031



8



932,5153



2



1865,031



9



1159,509



2



2319,018



10



2153,374



2



4306,748



11



3644,172



2



7288,344



12



6331,288



1



6331,288



B-14



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



45828,22



Total power density



137484,7



Tabel B- 22 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth dengan penambahan 100 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



1147,239



2



2294,479



2



1282,209



2



2564,417



3



1595,092



2



3190,184



4



1840,491



2



3680,982



5



834,3558



2



1668,712



6



1049,08



2



2098,16



7



3865,031



2



7730,061



8



2711,656



2



5423,313



9



1822,086



2



3644,172



10



1754,601



2



3509,202



11



1687,117



2



3374,233



12



1914,11



1



1914,11



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



41092,02



Total power density



123276,1



Tabel B- 23 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon tanpa penambahan larutan Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



118,4049



2



236,8098



2



78,52761



2



157,0552



B-15



3



404,908



2



809,816



4



2267,485



2



4534,969



5



1269,939



2



2539,877



6



2567,485



2



5134,969



7



2134,969



2



4269,939



8



2319,018



2



4638,037



9



2684,049



2



5368,098



10



3184,049



2



6368,098



11



5260,736



2



10521,47



12



3931,288



1



3931,288



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



48510,43



Total power density



145531,3



Tabel B- 24 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 1 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



1435,583



2



2871,166



2



1689,571



2



3379,141



3



2871,166



2



5742,331



4



2203,067



2



4406,135



5



2652,761



2



5305,521



6



2930,061



2



5860,123



7



3441,718



2



6883,436



8



6276,074



2



12552,15



9



1963,19



2



3926,38



10



2547,239



2



5094,479



11



2532,515



2



5065,031



12



4269,939



1



4269,939



B-16



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



65355,83



Total power density



196067,5



Tabel B- 25 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 10 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



131,2883



2



262,5767



2



1241,104



2



2482,209



3



1435,583



2



2871,166



4



1606,135



2



3212,27



5



858,8957



2



1717,791



6



1449,693



2



2899,387



7



1032,515



2



2065,031



8



781,5951



2



1563,19



9



957,0552



2



1914,11



10



765,6442



2



1531,288



11



936,1963



2



1872,393



12



765,6442



1



765,6442



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



23157,06



Total power density



69471,17



Tabel B- 26 Hasil perkalian f(x) dan fp pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon dengan penambahan 100 μg/L Cu2+ 𝒙𝒏



𝒇(𝒙)



𝒇𝒑



Power Density



Faktor Perkalian



𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



(mW/m2) 0



0



1



0



1



1633,129



2



3266,258



2



2295,092



2



4590,184



B-17



3



1251,534



2



2503,067



4



1730,061



2



3460,123



5



674,8466



2



1349,693



6



780,3681



2



1560,736



7



668,0982



2



1336,196



8



693,865



2



1387,73



9



380,9816



2



761,9632



10



347,8528



2



695,7055



11



644,1718



2



1288,344



12



574,2331



1



1148,466



Total 𝒇(𝒙) × 𝒇𝒑



22774,23



Total power density



68322,7



5. Perhitungan Removal Cr6+ Berikut ini disajikan contoh perhitungan untuk removal Cr6+ untuk variabel elektroda carbon cloth tanpa penambahan larutan Cu2+ 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑖 𝐶𝑟 6+ 𝑎𝑤𝑎𝑙 − 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑖 𝐶𝑟 6+ 𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 × 100% 𝐾𝑜𝑛𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑠𝑖 𝐶𝑟 6+ 𝑎𝑤𝑎𝑙 8,021 − 0,031 = × 100% 8,021



𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐶𝑟 6+ = 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐶𝑟 6+



𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐶𝑟 6+ = 99,613 % Demikian cara diatas juga digunakan untuk menghitung % removal Cr6+ untuk variabel yang lain. Tabel B- 27 % Removal Cr6+ pada tiap variabel penelitan MFC dual chamber No



Variabel



Removal Cr6+ (%)



1



Elektroda carbon cloth tanpa



99,613



penambahan larutan Cu2+ 2



Elektroda carbon cloth dengan



99,730



penambahan 1 μg/L Cu2+ 3



Elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg/L Cu2+



B-18



98,685



4



Elektroda carbon cloth dengan



93,520



penambahan 100 μg/L Cu2+ 5



Elektroda activated carbon tanpa



99,470



penambahan larutan Cu2+ 6



Elektroda activated carbon dengan



99,335



penambahan 1 μg/L Cu2+ 7



Elektroda activated carbon dengan



97,421



penambahan 10 μg/L Cu2+ 8



Elektroda activated carbon dengan



86,200



penambahan 100 μg/L Cu2+



6. Hasil uji BOD (Biochemical Oxygen Demand) Dalam penelitian ini, sampel diambil setiap 12 jam dari kompartemen anoda dalam tiga hari kerja per variabel dan lalu dianalisa. Tabel B- 28 Hasil analisa BOD5 pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth Kadar BOD5 (mg/L)



Jam ke



Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



438,1



439,4



441,3



438,9



12



402,5



411,8



522,1



544,4



24



324,7



323,1



433,3



522,4



36



365,2



305,2



332,8



334,9



48



442,1



224,6



313,6



211,2



60



313,1



213,4



276,3



225



72



225,2



192,6



265,2



256,8



B-19



Tabel B- 29 Hasil analisa BOD5 pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon Kadar BOD5 (mg/L)



Jam ke



Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



437,2



431,4



437,7



439,2



12



433,3



422,4



465,4



432,3



24



520,2



322,5



345,4



389,3



36



425,9



401,8



322,1



401,5



48



323,1



223,4



342,4



245,6



60



211,6



212,6



211,2



234,4



72



201,4



201,4



213,3



311,2



7. Perhitungan Removal BOD (Biochemical Oxygen Demand) Berikut ini disajikan contoh perhitungan untuk removal BOD (Biochemical Oxygen Demand) untuk variabel elektroda carbon cloth tanpa penambahan larutan Cu2+ 𝑁𝑖𝑙𝑎𝑖 𝐵𝑂𝐷 𝑎𝑤𝑎𝑙 − 𝑁𝑖𝑙𝑎𝑖 𝐵𝑂𝐷 𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟 × 100% 𝑁𝑖𝑙𝑎𝑖 𝐵𝑂𝐷 𝑎𝑤𝑎𝑙 438,1 − 225,2 = × 100% 438,1



𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐵𝑂𝐷 = 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐶𝑟 6+



𝑅𝑒𝑚𝑜𝑣𝑎𝑙 𝐶𝑟 6+ = 48,6 %



Demikian cara diatas juga digunakan untuk menghitung % removal BOD untuk variabel yang lain. Tabel B- 30 % Removal BOD pada tiap variabel penelitan MFC dual chamber No



Variabel



Removal BOD (%)



1



Elektroda carbon cloth tanpa



48,6



penambahan larutan Cu2+ 2



Elektroda carbon cloth dengan



56,167



penambahan 1 μg/L Cu2+ 3



Elektroda carbon cloth dengan penambahan 10 μg/L Cu2+



B-20



39,905



4



Elektroda carbon cloth dengan



41,5



penambahan 100 μg/L Cu2+ 5



Elektroda activated carbon tanpa



53,934



penambahan larutan Cu2+ 6



Elektroda activated carbon dengan



53,314



penambahan 1 μg/L Cu2+ 7



Elektroda activated carbon dengan



51,268



penambahan 10 μg/L Cu2+ 8



Elektroda activated carbon dengan



29,144



penambahan 100 μg/L Cu2+



8. pH Salah satu faktor yang berpengaruh dari penelitan ini ialah pH, maka setiap 12 jam dilakukan pengontrolan pada pH kompartemen baik anoda maupun katoda.



Tabel B- 31 pH kompartemen katoda pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth Jam ke



pH Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



3



3



3



3



12



3,27



3,12



2,87



2,87



24



3,12



3,02



3,2



3,2



36



3,14



3,08



3,16



2,92



48



3,09



3,08



3,06



3,14



60



3,5



2,81



3,12



3,07



72



3,1



2,96



3,21



3,19



B-21



Tabel B- 32 pH kompartemen katoda pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon Jam ke



pH Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



3



3



3



3



12



2,52



3,105



3,78



4,508



24



3,127



3,232



3,45



3,68



36



2,473



3,26



3,729



3,91



48



2,732



3,294



3,369



3,576



60



2,662



3,481



3,263



3,72



72



2,668



3,54



3,161



3,71



Tabel B-33. pH kompartemen anoda pada variabel MFC dengan elektroda carbon cloth Jam ke



pH Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



7



7



7



7



12



5,51



6,99



6,81



6,81



24



4,72



6,92



7,18



7,18



36



4,67



6,95



6,65



6,705



48



4,51



6,85



6,8



6,8



60



4,57



6,84



6,32



6,72



72



4,2



6,53



6,4



6,63



B-22



Tabel B- 34 pH kompartemen anoda pada variabel MFC dengan elektroda activated carbon Jam ke



pH Variabel Tanpa



Penambahan



Penambahan



Penambahan



penambahan



1 𝛍g/L Cu2+



10 𝛍g/L Cu2+



100 μg/L Cu2+



Cu2+ 0



7



7



7



7



12



6,261



6,058



6,739



6,652



24



6,196



6,146



6,735



6,686



36



5,98



6,278



6,826



6,751



48



5,951



6,076



6,864



6,653



60



5,923



6,162



6,912



6,503



72



6,01



6,181



6,907



6,517



B-23



RIWAYAT PENULIS



Awaludin Rauf Firmansyah Penulis dilahirkan di Sidoarjo, 8 Juni 1998, merupakan anak pertama dari dua bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal di SD Negeri Sawojajar V Kota Malang, SMP Negeri 21 Kota Malang, dan SMA Negeri 3 Kota Malang. Penulis pernah melaksanakan kerja praktek di PT. Semen Indonesia (Persero), Tbk Pabrik Tuban dan PT. Ispat Indo Sidoarjo. Penulis mengambil penelitian di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri dan menyelesaikan penelitian dengan judul “Pengaruh Penambahan Elemen Jejak Cu2+ dan Variasi Elektroda pada Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Reaktor Dual Chamber Sistem Kontinyu dalam Reduksi Cr6+ dan Produksi Biolistrik” Kontak Email : [email protected]



xiv



RIWAYAT PENULIS



Syahadana Putra Yuzansa Penulis dilahirkan di Malang, 23 Februari 1998, merupakan anak pertama dari tiga bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal di SMA Negeri 1 Kota Sidoarjo. Penulis pernah melaksanakan kerja praktek di PT. Semen Indonesia (Persero), Tbk Pabrik Gresik. Penulis mengambil penelitian di Laboratorium Pengolahan Limbah Industri dan menyelesaikan penelitian dengan judul “Pengaruh Penambahan Elemen Jejak Cu2+ dan Variasi Elektroda pada Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Reaktor Dual Chamber Sistem Kontinyu dalam Reduksi Cr6+ dan Produksi Biolistrik” Kontak Email : [email protected]



xv