5  

Bab II Tinjauan Pustaka

II.1 Deterjen

Secara umum istilah dari deterjen digunakan untuk bahan atau produk yang

mempunyai fungsi meningkatkan kemampuan pemisahan suatu materi dari

permukaan benda, misalnya kotoran dari pakaian, sisa makanan dari piring atau

buih sabun dari permukaan benda serta mendispersi dan menstabilisasi dalam

matriks seperti suspensi butiran minyak dalam fase seperti air (Showell, 2006).

Kemampuan deterjen tersebut tergantung kepada komposisi dari formulanya,

persyaratan penggunaan, sifat alami dari permukaan yang akan dibersihkan, sifat

dari bahan yang akan dipisahkan. Oleh karena itu, penentuan formula deterjen

merupakan proses yang rumit karena harus memperhitungkan beberapa hal,

seperti kebutuhan pengguna, nilai ekonomi, pertimbangan lingkungan dan

kemampuan spesifik yang dibutuhkan supaya fungsi deterjen menjadi efektif.

II.1.1 Kandungan Deterjen

Deterjen yang digunakan untuk keperluan rumah tangga dan industri

menggunakan formula yang sangat kompleks yaitu lebih dari 25 bahan. Namun

secara umum penyusun deterjen dikelompokan menjadi empat, yaitu surfaktan,

builders, bleaching agent dan bahan aditif (Smulders, 2002).

Surfaktan berfungsi untuk mengangkat kotoran pada pakaian baik yang larut

dalam air maupun yang tak larut dalam air. Setelah surfaktan, kandungan lain

yang penting adalah penguat (builders) yang meningkatkan efisiensi surfaktan.

Builders digunakan untuk melunakkan air sadah dengan cara mengikat mineral-

mineral yang terlarut, sehingga surfaktan dapat berfungsi dengan lebih baik.

Selain itu, builders juga membantu menciptakan kondisi keasaman yang tepat

agar proses pembersihan dapat berlangsung dengan lebih baik serta membantu

mendispersikan dan mensuspensikan kotoran yang telah lepas. Senyawa kompleks

6  

fosfat, natrium sitrat, natrium karbonat, natrium silikat atau zeolit dan fluorescent

sering digunakan dalam builders.

Senyawa fosfat dapat mencegah menempelnya kembali kotoran pada bahan yang

sedang dicuci. Senyawa fosfat yang digunakan oleh semua merk deterjen

memberikan andil yang cukup besar terhadap terjadinya proses eutrofikasi yang

menyebabkan alga blooming (meledaknya populasi tanaman air). Formulasi yang

tepat antara kompleks fosfat dengan surfaktan menjadi kunci utama kehebatan

daya cuci deterjen.

Menurut Connell (1995) berdasarkan sifat ionisasi senyawa aktifnya, surfaktan

diklasifikasikan ke dalam 3 kelompok, yaitu :

1. Surfaktan anionik

Jenis ini memiliki sisi permukaan aktif negatif. Secara umum gugusnya

adalah sulfat dan sulfonat yang dapat larut dalam air. Surfaktan yang

tergolong ke dalam kelompok ini adalah sodium dodecylbenzene

sulphonate (SDS). Surfaktan anionik banyak digunakan dalam produk

pembersih pakaian dan peralatan rumah tangga, serta produk pembersih

pribadi. Surfaktan jenis ini merupakan produk terbesar hingga saat ini.

Gambar II.1. Struktur dari SDS

2. Surfaktan kationik

Jenis ini memiliki sisi permukaan positif. Senyawa utamanya yaitu alkil

dengan gugus utama ammonium. Surfaktan yang tergolong jenis ini adalah

dialkyldimethylammonium chlorides .

7  

Gambar II.2. Struktur dari Dialkyldimethylammonium chlorides

3. Surfaktan nonionik

Jenis ini merupakan produk kondensasi alkilfenol atau alkohol lemak

dengan etilenoksida. Surfaktan jenis nonionik banyak pula digunakan

sebagai pembersih pakaian.

Gambar II.3. Struktur dari Ethylated Alkohol

Pada awalnya surfaktan (senyawa aktif) yang digunakan dalam komposisi deterjen

yaitu dari jenis BAS (Branched Alkylbenzene Sulphonate) yang memiliki rantai

karbon bercabang. BAS ini dikenal sebagai sebagai hard detergent karena sifatnya

yang tahan penguraian biologis. Rantai cabang BAS inilah yang membuat BAS

tidak terurai sehingga peningkatan konsentrasinya berjalan cepat. Oleh karena itu

BAS dikenal sebagai senyawa pencemar yang toksik terhadap biota perairan

(Connell, 1995).

Para ahli terus berusaha menemukan bahan aktif deterjen sintesis baru yang

mudah terurai, akhirnya pada tahun 1965 mulai dikenal LAS (Linear Alkylbenzene

Sulphonate). Seperti halnya BAS, senyawa ini pun dibuat dari senyawa

hidrokarbon minyak bumi. Senyawa aktif LAS termasuk ke dalam kriteria

surfaktan anionik yang memiliki rantai alkil lurus. Dengan struktur demikian LAS

ini bila tidak segera terurai seluruhnya akibat akumulasi yang terus-menerus maka

akan bersifat lebih toksik dibandingkan BAS. Struktur rantai alkilnya yang lurus

membuat senyawa LAS ini lebih bersifat lipofilik sehingga menyebabkan

kerusakan yang lebih besar pada membran sel. Sebagai surfaktan, LAS dapat

menurunkan tegangan permukaan dan mengemulsi lemak sehingga dimanfaatkan

8  

sebagai pelarut lemak dan denaturasi protein. Dengan sifat ini LAS berpotensi

merusak membran sel organisme dan mematikan bakteri-bakteri yang berguna di

perairan.

II.1.2 Mekanisme Deterjen sebagai Pembersih

Sebagai bahan aktif deterjen, surfaktan yang juga disebut zat aktif permukaan

(surface active agent) memiliki kemampuan menurunkan tegangan permukaan

cairan khususnya air dari sekitar 73 dyne/cm menjadi 30 dyne/cm. Selain itu

kemampuan surfaktan membentuk gelembung serta pengaruh permukaan lainnya

membuat surfaktan bertindak sebagai zat pembersih dan pengemulsi dalam

industri dan rumah tangga. Secara struktur, surfaktan memiliki polaritas lipofilik

dan hidrofilik. Kutub lipofilik terletak pada rantai alkil yang bersifat larut dalam

minyak atau lemak, sedangkan kutub hidrofilik terletak pada gugus aril (yang

mengandung garam) yang larut dalam air.

Gambar III.4. Kondisi gugus surfaktan dalam air

Kutub lipofilik cenderung muncul keluar dari fase air menghadap ke udara,

sedangkan kutub hidrofilik menghadap ke fase air (Gambar II.3), yaitu tempat

ion-ion bermigrasi menuju batas antara air-udara yang bekerja mengurangi energi

bebas permukaan sehingga tegangan permukaan berkurang. Pada konsentrasi

surfaktan yang cukup tinggi di air, gugus lipofilik saling tarik menarik dan

membentuk agregat atau micelle, sedangkan gugus hidrofilik terdapat disebelah

luar micelle. Dengan demikian zat yang lipofil dapat tertimbun dalam inti lipofilik

9  

dari micelle dan dengan cara inilah kotoran dilarutkan (disolubilisasi). Mekanisme

tersebut di atas memungkinkan surfaktan bertindak sebagai pembersih kotoran.

Proses pembersihan oleh surfaktan terdiri atas tiga tahap, yaitu :

1. Pembahasan (wetting) kotoran oleh larutan deterjen

2. Lepasnya kotoran dari permukaan bahan

3. Pembentukan suspensi kotoran yang stabil.

Menurut Showell, 2006 mekanisme pembersihan kotoran (umumnya berupa

tanah) terdiri beberapa tahapan, yaitu :

1. Perpindahan surfaktan ke interfase. Hal ini terjadi pada kondisi surfaktan

dalam bentuk monomer, dimana kinetika perpindahannya sangat cepat

(10-5 cm2/detik) atau juga terjadi pada kondisi surfaktan berbetuk agregat

atau micelle dimana kinetika perpindahannya relatif lambat (10-7

cm2/detik). Kinetika perpindahan surfaktan dan adsorpsi pada permukaan

dapat diukur dengan tegangan permukaan dinamik.

2. Adsorpsi surfaktan pada interfase air-tanah, interfase air-udara, dan

interfase permukaan-air. Tahapan ini terjadi dengan menurunkan tegangan

permukaan pada masing-masing interfase tersebut.

3. Membentuk kompleks surfaktan-tanah. Hal ini menunjukkan bahwa

surfaktan akan menyelimuti tanah yang akan dipisahkan dalam satu

lapisan atau pada konsentrasi surfaktan yang tinggi akan menghasilkan dua

lapisan. Pada tahapan ini surfaktan dapat mendorong padatan tanah

menjadi lunak dan berbentuk cairan. Tahapan ini merupakan tahapan yang

kritis untuk menuju proses emulsi yang dapat terjadi jika tanah berbentuk

cairan.

4. Desorpsi kompleks surfaktan-tanah. Untuk tanah yang berminyak, proses

ini dapat terjadi melalui mekanisme penggulungan atau melalui pelarutan

minyak menjadi agregat micelle dari surfaktan.

5. Perpindahan kompleks surfaktan-tanah menjauh dari permukaan. Pada

tahapan ini tanah yang mengandung minyak dengan massa jenis yang

lebih rendah dari air akan mengapung di permukaan. Padahal dibutuhkan

10  

energi mekanik atau pengadukan untuk menjauhkan kompleks surfaktan-

tanah dari permukaan.

6. Stabilisasi tanah yang terdispersi untuk mencegah terjadinya redeposisi

II.2. Proses Laundry

Laundry merupakan proses kompleks yang melibatkan interaksi antara beberapa

faktor fisik dan kimiawi. Pada proses ini kotoran yang melekat pada pakaian

dibersihkan dengan mempergunakan air dan deterjen. Tahapan yang terjadi pada

proses ini adalah kotoran yang melekat pada pakaian akan dilepaskan oleh larutan

deterjen dan dilanjutkan dengan stabilisasi air yang berisi kotoran supaya kotoran

tersebut tidak menempel kembali pada permukaan pakaian. Kemampuan

membersihkan pakaian dalam proses laundry sangatlah tergantung pada beberapa

faktor seperti jenis bahan pakaian, jenis kotoran, kualitas air, peralatan mencuci,

dan komposisi deterjen (Smulders, 2002). Diantara faktor tersebut yang

memegang peranan penting adalah komposisi deterjen.

Air pada proses laundry berfungsi sebagai pelarut bagi deterjen dan kotoran yang

menempel di pakaian. Air juga berfungsi sebagai media perpindahan untuk

komponen tanah yang terlarut maupun terdispersi. Proses laundry dimulai dengan

membasahi dan penetrasi larutan deterjen pada pakaian yang kotor. Air

mempunyai tegangan permukaan yang sangat tinggi yaitu 72 mN/m padahal

proses pembasahan pakaian dapat berjalan lebih cepat dan efektif jika tegangan

permukaannya berkurang sampai 30 mN/m. Pada proses inilah peranan dari

surfaktan sebagai bahan baku deterjen untuk menurunkan tegangan permukaan.

Kualitas air yang jelek dapat mempengaruhi proses pencucian dan menimbulkan

masalah pada mesin cuci. Ion kalsium dan magnesium yang bertanggung jawab

terhadap kesadahan air dapat menimbulkan terbentuknya endapan. Endapan ini

disebabkan oleh terbentuknya residu pada proses laundry dan dapat membentuk

kerak pada mesin cuci sehingga berakibat pada terganggunya fungsi dari elemen

pemanas dan komponen mesin cuci yang lain. Kandungan kalsium yang tinggi

dalam air dapat menghalangi proses menghilangkan partikel tanah pada kotoran

yang melekat pada pakaian. Selain itu, keberadaan ion logam seperti besi,

11  

tembaga dan mangan dapat merugikan proses laundry. Ion-ion tersebut dapat

menjadi katalis dari dekomposisi agen pemutih (bleaching agents) sehingga

fungsinya menjadi terganggu.

Kotoran yang melekat pada pakaian dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu : debu

dari udara, kotoran yang dihasilkan badan (misalnya keringat), pengotor yang

berasal dari aktifitas domestik, komersial dan industri. Menurut Smulders, 2002

jenis kotoran tersebut dapat digolongkan menjadi :

a. Bahan yang mudah larut, seperti : garam, gula, urea, dan keringat

b. Partikel, seperti : oksida logam, karbonat, silika, humus, dan arang

c. Minyak dan lemak, seperti : minyak hewani, minyak nabati, pelembab,

minyak dan logam mineral, dan lemak yang berasal dari serangga

d. Protein yang berasal dari : darah, telur, susu dan keratin dari kulit

e. Karbohidrat, seperti : kanji

f. Zat pewarna dari : buah-buahan, sayuran, anggur, kopi dan teh.

II.3. Air Limbah Laundry

Air limbah yang dihasilkan dari proses laundry mempunyai komposisi dan

kandungan yang bervariasi. Hal ini disebabkan variasi kandungan kotoran di

pakaian, komposisi dan jumlah deterjen yang digunakan serta teknologi yang

dipakai. Selain itu terdapat perbedaan konsentrasi antara air limbah laundry yang

dihasilkan dari rumah tangga dengan jasa laundry. Untuk jasa laundry,

kandungan air limbahnya mengandung deterjen dengan jumlah yang lebih sedikit,

dikarenakan pemakaian yang lebih ekonomis dan juga penggunaan peralatan

pelunakan air.

Sedangkan karakteristik dari air limbah laundry yang diperoleh dari beberapa

penelitian dapat dilihat pada Tabel II.1.

12  

Tabel II.1. Karakteristik air limbah laundry

Parameter Eriksson et.al (2002)

Hoinkis (2008)

Ge et.al. (2004)

Savitri (2007)

Suhu (oC) 28-32 15-30 27

Konduktivitas (µS/cm) 190-1400 1900 786-1904 1256-1335

pH 9.3-10 9-11 7.83-9.56 8.29-8.87

Kekeruhan (NTU) 50-210 - 471-583 -

Surfaktan (mg/L) - 72.3-64.5 210.6

COD (mg/L) 725 1050 785-1090 1815

BOD (mg/L) 150-380 - - 1087

TSS (mg/L) 120-280 - - -

Fosfat (mg/L) 4-15 5 - 7.64

Total N (mg/L) 6-21 40 - -

Konsumsi air untuk kegiatan mencuci di rumah tangga mempunyai jumlah yang

signifikan, yaitu sekitar 22% dari total kebutuhan air bersih (Woodwell et.al.,

1995). Sedangkan menurut Smulders (2002) penggunaan air untuk kegiatan

laundry sekitar 17 L atau 13% dari kebutuhan air bersih atau sekitar 8% dari air

yang masuk ke sistem air buangan. Selain kontribusi volume air, air limbah

laundry menyumbang beban kontaminan yang cukup tinggi ke dalam air buangan.

Pada Tabel II.2 dapat terlihat bahwa air limbah laundry menyumbang sekitar

10% untuk COD, BOD dan TSS sedangkan untuk fosfat dan nitrogen cenderung

lebih rendah.

Tabel II.2. Kontribusi air limbah laundry terhadap air buangan perkotaan

Parameter Kons. di air limbah laundry

(mg/L)

Beban per kapita air limbah

laundry (g/hari)

Beban per kapita air buangan

perkotaan (g/hari)

Kontribusi air limbah laundry terhadap air

buangan (%) COD 600 10.2 120 8.5 BOD 350 5.95 60 10 TSS 450 7.65 72 10.6 Total N 7 0.12 12 1 Total P 2 0.03 2.4 1

Sumber : Smulders, 2002

Untuk mengurangi beban pencemaran yang berasal dari aktifitas laundry maka

perlu dilakukan pengolahan terutama di tempat jasa laundry yang menghasilkan

13  

volume air limbah yang cukup besar. Terdapat beberapa sistem pengolahan yang

dapat digunakan, misalnya sedimentasi dan filtrasi (Ahmad, 2008), oksidasi

elektrokimia (Kong, 2006 dan Koparal et al., 2006), ultrasonik (Abu-Hassan et.

al, 2006), koagulasi dan membran filtrasi (Sostar-Turk, 2005), membran

bioreaktor (Buchheistera et. al, 2006 dan Hoinkis, 2008), oksidasi Fenton (Lin

et.al, 1999), ultraviolet (Tabrizi, 2006), adsorpsi (Adak et.al, 2005), koagulasi

flokulasi (Aboulhassan et.al, 2006) dan elektrokoagulasi (Ge, 2004).

II.4 Elektrokoagulasi

Elektrokoagulasi merupakan metode pengolahan air secara elektrokimia dimana

pada anoda terjadi pelepasan koagulan aktif berupa ion logam (biasanya

alumunium atau besi) ke dalam larutan, sedangkan pada katoda terjadi reaksi

elektrolisis berupa pelepasan gas hidrogen (Holt et al., 2004). Sedangkan menurut

Mollah, (2004), elektrokoagulasi adalah proses kompleks yang melibatkan

fenomena kimia dan fisik dengan menggunakan elektroda untuk menghasilkan ion

yang digunakan untuk mengolah air limbah.

Gambar II.5. Diagram Venn (Holt et al., 2001)

Diidentifikasi terdapat tiga proses mendasar yang terjadi dalam elektrokoagulasi,

yaitu elektrokimia, koagulasi dan flotasi. Ketiga proses ini dapat digambarkan

dengan diagram Venn dimana kombinasi dari ketiganya menghasilkan teknologi

14  

elektrokoagulasi, sedangkan kombinasi yang lain menghasilkan teknologi yang

berbeda.

Elektrokoagulasi bukan merupakan teknologi baru, dari literatur yang ada

menunjukkan bahwa teknologi ini telah ditemukan lebih dari seratus tahun yang

lalu. Contoh aplikasi yang ada misalnya adalah pada akhir abad 19, telah terdapat

beberapa instalasi pengolahan air bersih yang cukup besar di London yang

mempergunakan teknologi ini (Matteson et al., 1995 dalam Holt et al., 2004).

Sementara instalasi pengolahan lumpur secara elektrolisis dioperasikan di

beberapa tempat di Amerika Serikat pada awal tahun 1911 yang memiliki ukuran

yang serupa dengan instalasi pengolahan air limbah pada masa tersebut (Vik et al.,

1984 dalam Holt et al., 2004). Namun sejak tahun 1930-an semua instalasi

tersebut tidak dioperasikan lagi dikarenakan biaya operasional yang tinggi dan

adanya alternatif lain berupa penggunaan bahan kimia sebagai koagulan (Holt et

al., 2004).

Pada masa sekarang penggunaan teknologi elektrokoagulasi mulai dikembangkan

kembali untuk meningkatkan kualitas effluen air limbah. Elektrokoagulasi

digunakan untuk mengolah effluen dari beberapa air limbah yang berasal dari

industri makanan, limbah tekstil, limbah rumah makan, limbah yang mengandung

senyawa arsenik, air yang mengandung fluorida, dan air yang mengandung

partikel yang sangat halus, bentonit dan kaolinit.

Pada sistem pengolahan limbah yang konvensional, reaktor elektrokoagulasi dapat

menggantikan beberapa unit pengolahan sehingga menghasilkan instalasi

pengolahan yang lebih sederhana dan tidak membutuhkan lahan yang luas.

15  

Gambar II.6 Diagram alir IPAL konvensional dan unit yang dapat digantikan oleh

Elektrokoagulasi (ket : A: air limbah, B: bar screen, C: grit chamber, D:bak distribusi, E: primary sedimentation, F: Oxidation Ditch, G: pengolahan lumpur, H: Clarifier, I:klorinasi, J: effluen) (Mollah, 2004) Untuk pertimbangan penentuan penggunaan elektrokoagulasi maka Mollah (2001)

telah memberikan gambaran tentang keuntungan dan kerugiannya. Keuntungan

dari penggunaan elektrokoagulasi adalah sebagai berikut :

1. Elektrokoagulasi membutuhkan peralatan yang sederhana dan mudah

dioperasikan.

2. Air limbah yang diolah dengan elektrokoagulasi menghasilkan effluen

yang jernih, tidak berwarna, dan tidak berbau.

3. Lumpur yang dihasilkan elektrokaogulasi realtif stabil dan mudah

dipisahkan karena terutama berasal dari oksida logam. Selain itu jumlah

lumpur yang dihasilkan sedikit.

4. Flok yang terbentuk pada elektrokoagulasi memiliki kesamaan dengan

flok yang berasal dari koagulasi kimia. Perbedaannya adalah flok dari

elektrokoagulasi berukuran lebih besar dengan kandungan air yang

sedikit, lebih stabil dan mudah dipisahkan secara cepat dengan filtrasi.

Unit ini dapat digantikan dengan elektrokoagulasi

16  

5. Elektrokoagulasi menghasilkan effluen yang mengandung TDS dalam

jumlah yang lebih sedikit dibandingkan pengolahan kimiawi. Jika air hasil

pengolahan ini digunakan kembali, kandungan TDS yang rendah akan

mengurangi biaya recovery.

6. Proses elektrokoagulasi mempunyai keuntungan dalam mengolah partikel

koloid yang berukuran sangat kecil karena dengan pemakaian arus listrik

menyebabkan proses koagulasi lebih mudah terjadi dan lebih cepat.

7. Proses elektrokoagulasi tidak memerlukan pemakaian bahan kimia

sehingga tidak bermasalah dengan netralisasi kelebihan bahan kimia dan

tidak membutuhkan kemungkinan pengolahan berikutnya jika terjadi

penambahan senyawa kimia yang terlalu tinggi seperti pada penggunaan

bahan kimia.

8. Gelembung gas yang dihasilkan selama proses elektrolisis dan membawa

polutan yang diolah untuk naik ke permukaan (flotasi) dimana flok

tersebut dengan mudah terkonsentrasi, dikumpulkan dan dipisahkan.

9. Perawatan reaktor elektrokoagulasi lebih mudah karena proses elektrolisis

yang terjadi cukup dikontrol dari pemakaian listrik tanpa perlu

memindahkan bagian di dalamnya.

10. Teknologi elektrokoagulasi dapat dengan mudah diaplikasikan di daerah

yang tidak terjangkau layanan listrik yakni dengan menggunakan panel

matahari yang cukup untuk terjadinya proses pengolahan.

Sedangkan kerugian dari penggunaan elektrokoagulasi adalah :

1. Elektroda yang digunakan dalam proses pengolahan ini harus diganti

secara teratur.

2. Penggunaan listrik kadang kala lebih mahal pada beberapa daerah.

3. Terbentuknya lapisan di elektroda dapat mengurangi efisiensi

pengolahan.

4. Teknologi ini membutuhkan konduktivitas yang tinggi pada air limbah

yang diolah.

5. Hidroksida seperti gelatin cenderung solubilize pada beberapa kasus.

17  

II.4.1 Mekanisme Dalam Elektrokoagulasi

Reaktor elektrokimia merupakan sebuah sel elektrokimia dimana kutub anoda

yang berupa logam (biasanya aluminum atau terkadang besi) dimana ion logam

yang terlepas berfungsi sebagai agen koagulan. Dan secara simultan terjadi

gelembung gas hidrogen di kutub katoda.

Elektrokoagulasi mempunyai kemampuan untuk mengolah berbagai macam

polutan termasuk padatan tersuspensi, logam berat, tinta, bahan organik (seperti

air limbah domestik), minyak dan lemak, ion dan radionuklida. Karakteristik fisik

kimia dari polutan mempengaruhi mekanisme pengolahan, misalnya polutan

berbentuk ion akan diturunkan melalui proses presipitasi sedangkan padatan

tersuspensi yang bermuatan akan diabsorbsi ke koagulan yang bermuatan.

Kemampuan elektrokoagulasi untuk mengolah berbagai macam polutan menarik

minat industri untuk menggunakannya.

Pada gambar dibawah ini memperlihatkan proses elektrokoagulasi yang sangat

kompleks. Dimana koagulan dan produk hidrolisis saling berinteraksi dengan

polutan atau dengan ion yang lain atau dengan gas hidrogen.

Gambar II.7. Mekanisme dalam elektrokoagulasi (Holt, 2001)

18  

Menurut Mollah (2004) mekanisme penyisihan yang umum terjadi di dalam

elektrokoagulasi terbagi dalam tiga faktor utama, yaitu : (a) terbentuknya

koagulan akibat proses oksidasi elektrolisis pada elektroda, (b) destabilisasi

kontaminan, partikel tersuspensi dan pemecahan emulsi, dan (c) agregatisasi dari

hasil destabilisasi untuk membentuk flok. Sedangkan proses destabilisasi

kontaminan, partikel tersuspensi dan pemecahan emulsi terjadi dalam tahapan

sebagai berikut :

- Kompresi dari lapisan ganda (double layer) difusi yang terjadi disekeliling

spesies bermuatan yang disebabkan interaksi dengan ion yang terbentuk

dari oksidasi di elektroda.

- Netralisasi ion kontaminan dalam air limbah dengan menggunakan ion

berlawanan yang dihasilkan dari elektroda. Dengan adanya ion tesebut

menyebabkan berkurangnya daya tolak menolak antar partikel dalam air

limbah sehingga gaya van der Waals sehingga proses koagulasi bisa

berlangsung.

- Terbentuknya flok, dimana flok ini terbentuk akibat proses koagulasi

sehingga terbentuk sludge blanket yang mampu menjebak dan

menjembatani partikel koloid yang masih ada di air limbah.

II.4.2 Pelarutan Logam di Elektroda

Pada percobaan elektrokoagulasi, elektroda yang digunakan selalu dihubungkan

dengan sumber listrik DC. Jumlah logam yang larut tergantung pada jumlah arus

listrik yang mengalir pada elektroda tersebut. Hukum Faraday membuat hubungan

antara kuat arus (I) yang mengalir dengan jumlah massa yang terlepas ke larutan,

hal ini merupakan pendekatan secara teoritis untuk menghitung jumlah aluminium

yang terlepas ke larutan. Adapun rumus dari hukum Faraday adalah sebagai

berikut :

FZMWtIm.

..= (II.1)

dimana

m = berat aluminium yang larut (g)

19  

I = kuat arus yang digunakan (A)

t = waktu detensi (detik)

MW = berat molekul aluminium, yaitu 27 g mol

Z = valensi aluminium, yaitu 3

F = konstanta Faraday, 96500 C/mol

Jika menggunakan kerapatan arus (A/m2) maka satuan dari m adalah g/m2.

Dengan menggunakan persamaan tersebut kita dapat membandingkan antara

jumlah logam yang larut secara teoritis dengan percobaan di lapangan. Seringkali

diperoleh hubungan yang cukup baik antara hasil percobaan dengan teori.

Walaupun kadangkala terdapat perbedaan/error yang signifikan yang dapat terjadi

karena tidak memperhatikan bentuk dan ukuran elektroda yang tepat serta

pemasangan elektroda yang kurang baik.

Salah satu yang dapat menimbulkan ketidak tepatan pengukuran adalah

tegangan/potensial yang digunakan pada reaktor elektrokoagulasi. Tegangan yang

diukur merupakan gabungan dari tiga komponen (Bard, 2001), yaitu :

(II.2)

dimana :

ηAP = overpotensial yang digunakan (V)

ηK = overpotensial kinetik (V)

ηMt = overpotensial konsentrasi (V)

ηIR = overpotensial yang disebabkan hambatan larutan atau IR-drop

(V)

IR-drop berkaitan dengan jarak (d dalam cm) antara elektroda, luas permukaan (A

dalam m2) dari katoda dan konduktivitas spesifik dari larutan (K dalam µS/cm)

dan kuat arus (I dalam A) yang dapat dinyatakan dalam persamaan :

(II.3)

20  

Nilai IR-drop dapat diminimalkan dengan cara mengurangi jarak antara elektroda

dan meningkatkan luas penampang elektroda serta menaikkan konduktivitas

spesifik dari larutan.

Overpotensial konsentrasi (ηMt) juga dikenal sebagai tegangan transfer massa

atau difusi yang disebabkan perubahan konsentrasi analit yang terjadi di

permukaan elektroda akibat reaksi di elektroda tersebut. Overpotensial ini

disebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi spesies elektroaktif antara bulk

larutan dan permukaan elektroda. Kondisi ini terjadi ketika reaksi elektrokimia

yang cukup cepat menurunkan konsentrasi permukaan spesies elektroaktif di

bawah larutan bulk. Overpotensial tegangan ini dapat diabaikan ketika konstanta

laju reaksi lebih kecil dari koefisien transfer massa. Overpotensial transfer massa

dapat dikurangi dengan cara meningkatkan transportasi ion logam dari permukaan

anoda ke larutan dan hal ini dapat dicapai dengan meningkatkan turbulensi dari

larutan.

Overpotensial kinetik atau juga disebut potensial aktifasi merupakan penghalang

alami energi aktifasi dari reaksi transfer elektron.Overpotensial aktifasi akan

menjadi tinggi ketika timbul gas pada elektroda. Selain itu overpotensial kinetik

dan konsentrasi akan mengalami peningkatan ketika arus listrik yang mengalir

juga meningkat.

II.4.3 Reaksi di Elektroda

Seperti disebutkan diatas bahwa reaktor elektrokoagulasi merupakan sel

eleketrokimia, dimana dalam reaktor tersebut disusun elektroda-elektroda yang

akan kontak dengan air yang akan diolah. Untuk menghasilkan koagulan

diperlukan beda potensial diantara elektroda. Perbedaan potensial ini diperlukan

untuk menimbulkan reaksi elektrokimia pada masing-masing elektroda.

Dari berbagai penelitian yang ada telah didesain berbagai macam konfigurasi

elektroda seperti pemakaian pellet aluminium dengan reaktor fluidized bed

(Barkley et al., 1993), elektroda aluminium bipolar (Mameri et al., 1998),

elektroda mesh (Matteson et al., 1995), baja bipolar berbentuk lingkaran

21  

(Ogutveren et al., 1992) dan juga elektroda sederhana berbentuk lempengan (Vik

et al., 1984; mameri et al., 1998; Holt et al., 2001). Selain itu berbagai jenis

elektroda telah dicoba seperti aluminium, besi, baja dan platinum. Bahan

elektroda digunakan untuk mengetahui jenis koagulan yang timbul.

Aluminium merupakan elektroda yang paling banyak digunakan, dimana pada

proses elektrokoagulasi terjadi proses pelarutan anodik yang reaksinya adalah

sebagai berikut :

Al ↔ Al3+ + 3 e E0A = 1.66 V (II.4)

Pembentukan oksigen juga terjadi di anoda (Mameri et al., 1998) walaupun tidak

terdeteksi oleh analisa Przhegorlinskii et al., 1987, reaksinya adalah :

4 OH- → O2 + 2 H2O + 4e E0A = - 0.40 V (II.5)

Selain itu secara simultan terjadi reaksi di kutub katoda, biasanya pembentukan

gas hidrogen. Reaksi yang terjadi di katoda tergantung pada pH air yang diolah.

Pada kondisi netral atau basa, gas hidrogen terjadi dengan reaksi :

2 H2O + 2e → 2 OH- + H2 E0C = - 0.83 V (II.6)

Sedangkan pada kondisi asam, reaksi pembentukan gas hidrogen adalah sebagai

berikut :

2 H+ + 2e → H2 E0C = 0 V (II.7)

Reaktor yang mempergunakan aluminium pada kedua elektroda yaitu anoda dan

katoda dilaporkan proses pelarutan aluminium melebihi 100% (Przhegorlinskii et

al., 1987 ; Donini et al., 1994 ; Mameri et al., 1998 ; Bozin and Mikhailov, 1990

dalam Holt, 2002).

Untuk pengunaan aluminium pada kedua elektroda, reaksinya adalah sebagai

berikut :

Al3+ + 3 H2O → Al(OH)3 + 1.5 H2 (II.8)

Sedangkan proses pelepasan aluminium pada kutub katoda adalah sebagai berikut

22  

Al3+ + 4 H2O + e → Al(OH)-4 + 2 H2 (II.9)

Persamaan II.4 sampai II.7 merupakan reaksi separuh sel yang dominan terjadi

pada reaktor dengan anoda aluminium dan katoda logam inert. Potensial dari

reaksi yang terjadi tergantung pada bahan yang digunakan pada elektroda dan

kondisi larutan.

II.4.4 Proses Koagulasi

Proses koagulasi merupakan faktor kunci dalam elektrokoagulasi, proses ini

mengambarkan interaksi antara koagulan dengan bahan polutan yang hendak

diolah. Prinsip dari koagulasi adalah destabilisasi partikel koloid dengan cara

mengurangi semua gaya yang mengikat, kemudian menurunkan energi

penghalang dan membuat partikel menjadi bentuk flok. Proses ini tergantung pada

karakteristik fisik dan kimia dari larutan, jenis polutan dan koagulan, jenis

mekanisme koagulasi yang terjadi. Pada reaktor elektrokoagulasi, mekanisme

koagulasi yang dominan terjadi akan bervariasi tergantung kondisi pengoperasian

reaktor, jenis dan konsentrasi polutan dan konsentrasi koagulan.

Elektrokoagulasi dapat dibandingkan dengan koagulasi kimiawi untuk

menunjukkan efisiensi dan keuntungannya. Pada koagulasi kimiawi, bahan kimia

yang ditambahkan sebagai koagulan yang berbentuk garam dan di dalam larutan

akan mengalami disosiasi melalui hidrolisis dari kation aluminium (dan

berhubungan dengan anion larutan) yang diukur dengan kondisi larutan dan nilai

pH. Penambahan aluminium sulfat pada kaogulasi kimiawi akan membuat air

menjadi asam sedangkan pada penambahan aluminium pada elektrokoagulasi

yang tidak menyebabkan disosiasi pada anion garam di larutan, akan

menyebabkan nilai pH relatif stabil dalam kisaran basa (Koparal and Ogutveren,

2002). Namun menurut Donini et al. (1994) dan Musquere et al. (1983)

menyatakan bahwa mekanisme koagulasi antara elektrokoagulasi dengan

koagulasi kimiawi relatif sama, walaupun pernyataan ini tidak didukung dengan

data penelitian yang memadai.

23  

Pada elektrokoagulasi, stabilitas polutan diukur dari karakteristik fisik kimia dari

polutan tersebut. Polutan tersusun atas partikel bermuatan yang sama yang terikat

satu dengan lainnya dan dengan gaya repulsive menyebabkan menjadi stabil.

Proses perubahan ion yang berlawanan menjadi polutan yang bermuatan akan

membentuk lapisan ganda elektrik (electric double layer) yang disebut lapisan

diffuse dan Stern (Letterman et al., 1999; Thomas et al., 1999; Hunter, 1993;

Lyklema, 1978 dalam Holt,2002). Repulsif elektrostatik diantara lapisan ganda

elektrik akan membuat partikel terpisah, sedangkan gaya van der Waals akan

menyatukan partikel tersebut.

Untuk memperoleh pemisahan yang kecil, terlebih dahulu dibutuhkan energi

barrier yang repulsif. Zeta potensial dapat digunakan untuk mengukur secara

eksperimen muatan efektif dari partikel untuk bergerak dalam larutan, hal ini

merupakan indikator langsung dari stabilitas larutan (Letterman et al., 1999).

Sedangkan Holt et al., (2002) melaporkan pada pengukuran di reaktor yang batch

nilai titik isoelektrik berkaitan dengan tingkat removal polutan yang tinggi. Oleh

sebab itu, pengukuran zeta potensial dapat menunjukkan karakteristik penting dari

sistem elektrokoagulasi (Clemens, 1981; Ramirez, 1982) dan juga menunjukkan

indikasi dari stabilitas dan indikasi kemungkinan mekanisme koagulasi yang

terjadi.

Aluminum merupakan logam yang sering digunakan sebagai anoda dalam proses

elektrokoagulasi. Ion positif (kation) aluminium yang terlepas (tergantung pada

kondisi polutan, pH dan konsentrasi larutan) secara langsung akan berinteraksi

dengan polutan dan akan terjadi hidrolisa membentuk kompleks hidro-aluminium

atau juga terjadi presipitasi. Proses pembentukan kation ini sangat penting untuk

dapat memahami meknisme elektrokoagulasi.

Thermodinamika dapat digunakan untuk mengukur dan menghitung zat yang

bereaksi dalam larutan. Adapun reaksi yang terjadi pada aluminium ketika

terlepas ke larutan adalah sebagai berikut :

Al3+ + H2O → Al(OH)2+ + H+ (II.10)

Al(OH)2+ + H2O → Al(OH)2+ + H+ (II.11)

24  

Al(OH)2+ + H2O → Al(OH)3

0 + H+ (II.12)

Al(OH)30 + H2O → Al(OH)4

- + H+ (II.13)

Reaksi tersebut menggambarkan reaksi yang sederhana dari ion aluminium dalam

air karena setelah itu terjadi reaksi spontan yang menghasilkan dimeric, trimeric

dan polynuclear (Gambar II.7).

Gambar II.8. Reaksi hidrolisa ion aluminium (Letterman, 1999)

Pada awalnya air ion logam aluminium di dalam air akan mengikat enam atom

oksigen dari air disekelilingnya dan ikatan atom oksigen hidrogen pada air relatif

lemah menyebabkan ion H+ terlepas atau mengalami deprotonasi (Gambar II.9).

25  

.

Gambar II.9 Deprotonasi ion aquo aluminum (Letterman, 1999)

Kemudian pada reaksi hidrolisa ion Al3+ akan menghasilkan Al(H2O)63+,

Al(H2O)5OH2+, Al(H2O)4(OH)2+ dan selanjutnya produk hidrolisa menghasilkan

berbagai bentuk spesies monomer dan polimer seperti Al(OH)2+, Al(OH)2+,

Al2(OH)24+, Al(OH)4

-, Al6(OH)153+, Al7(OH)17

4+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)24

7+,

Al13(OH)345+ dimana spesies tersebut tergantung pada nilai pH.

Dengan memperhatikan hanya pembentukan mononuclear, jumlah aluminium

dalam larutan (α) dengan nilai pH pada larutan dapat digambarkan dengan grafik

dibawah ini. Dimana pada diagram tersebut, distribusi yang ada menggambarkan

proses hidrolisis yang tergantung pada konsentrasi total dari logam dan pH

larutan.

26  

Gambar II.10. Diagram distribusi Al-H2O untuk mononuklear (Holt, 2002)

Sedangkan untuk kelarutan dari aluminium hidroksida, Al(OH)3(s) dapat dilihat

pada diagram berikut ini.

Gambar II.11. Diagram Kelarutan dari Aluminium Hidroksida (Holt, 2002)

27  

Batas kelarutan ditentukan oleh kesetimbangan termodinamika yang terjadi

diantara kandungan aluminium yang dominan di larutan pada pH yang diberikan

dengan padatan aluminium hidroksida. Minimum kelarutan (yaitu 0.03 mg Al/L)

terjadi pada pH 6.3, dan nilai kelarutan bertambah apabila larutan menjadi

semakin asam atau basa.

Sehingga kation logam aktif yang diproduksi pada anoda akan bereaksi dengan

ion hidroksida yang diproduksi di katoda untuk membentuk logam hidroksida

yang akan berfungsi sebagai agen koagulan. Ketika berinteraksi dengan partikel

polutan, logam hidroksida akan membentuk agregat yang memungkinkan untuk

mengalami pengendapan atau juga dapat terbawa oleh gelembung gas hidrogen

(yang dihasilkan di katoda) ke permukaan. Pada penambahan koagulan, setiap

presipitasi logam dari aluminium hidroksida menyebabkan removal polutan

melalui mekanisme sweep coagulation (Gambar II.12).

Gambar II.12. Proses sweep coagulation (Duan, 2003)

28  

II.4.5 Reaktor Elektrokoagulasi

Pada bentuk yang sederhana, reaktor elektrokoagulasi berupa reaktor elektrokimia

dengan satu anoda dan satu katoda. Ketika dihubungkan dengan sumber listrik

maka bahan anoda mengalami korosi akibat oksidasi sedangkan katoda menjadi

subyek yang pasif. Namun susunan seperti ini tidak mencukupi untuk pengolahan

air limbah dikarenakan kebutuhan laju pelepasan ion logam yang besar menuntut

permukaan elektroda yang luas. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan

reaktor yang memakai konfigurasi elektroda monopolar dengan rangkaian paralel.

Susunan reaktor elektrokoagulasi dengan konfigurasi monopolar menggunakan

rangkaian paralel dapat dilihat pada Gambar II.13.

Gambar II.13. Reaktor elektrokoagulasi dengan konfigurasi monopolar (Mollah, 2001)

Selain konfigurasi monopolar, reaktor elektrokoagulasi dapat mempergunakan

konfigurasi bipolar (Gambar II.14). Pada konfigurasi ini, hanya satu elektroda

yang dihubungkan dengan kutub positif (anoda) dan satu elektroda dihubungkan

dengan kutub negatif (katoda). Rangkaian seperti ini membuat reaktor

elektrokoagulasi menjadi lebih sederhana dan mudah dalam perawatannya

(Mollah, 2004). Ketika arus listrik dialirkan melalui dua elektroda, maka

elektroda yang tidak dialiri akan berubah dari kondisi netral menjadi dua kutub

yang berbeda pada masing-masing sisi, yaitu sisi yang menghadap kutub positif

29  

menjadi negatif dan sisi yang menghadap kutub negatif menjadi postif. Elektroda

yang memiliki sifat seperti ini disebut “bipolar”.

Gambar II.14. Reaktor elektrokoagulasi dengan konfigurasi bipolar (Mollah, 2001)

Menurut Mollah (2004) untuk menghasilkan efisiensi pengolahan yang

maksimum maka dalam mendesain reaktor elektrokoagulasi perlu

mempertimbangkan beberapa faktor berikut ini :

a. IR-drop antara elektroda harus diminimalkan

b. Akumulasi gas O2 dan H2 dipermukaan elektroda harus diminimalkan

c. Penghalang proses transfer massa melewati daerah antar elektroda harus

diminimalkan.

Sedangkan nilai IR-drop tergantung kepada :

- Konduktivitas dari larutan elektrolit

- Jarak di antara dua elektroda

- Bentuk geometri dari elektroda

Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka dapat dilakukan beberapa cara,

seperti : menggunakan larutan dengan konduktivitas yang tinggi, mengurangi

jarak antar elektroda.

Sebagai bagian dari reaktor elektrokimia maka reaktor elektrokoagulasi dapat

dibedakan berdasarkan mode pengoperasian, yaitu reaktor batch (SBR), reaktor

30  

aliran tersumbat (PFR) dan reaktor teraduk kontinu (CSTR). Skema dari reaktor

tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini :

Gambar II.15. Skema reaktor elektrokimia (a) Single Batch Reactor, (b) Continuous Stirred Tank Reactor, (c) Plug Flow Reactor

Di dalam mendesain reaktor elektrokimia, Rajeshwar (1997) menyatakan bahwa

persamaan yang dapat digunakan dalam reaktor elektrokimia sebagai fungsi dari

fraksi yang disisihkan (x) adalah sebagai berikut :

a. Reaktor batch (SBR)

1 (II.14)

b. Reaktor kontinu (PFR)

- single pass

1 (II.15)

- dengan resirkulasi

, 1 / (II.16)

(a) (b)

(c)

31  

- cascade

, 1 (II.17)

c. Reaktor teraduk kontinu (CSTR)

- single pass

1 1 (II.18)

- dengan resirkulasi

, 1 / (II.19)

- cascade

, 1 1 (II.20)

dimana :

VR = volume reaktor

A = luas penampang elektroda

km = koefisien transfer massa

τR = waktu tinggal rata-rata

τt = waktu tinggal rata-rata di tangki resirkulasi

n = jumlah reaktor cascade

Q = debit

Beberapa peneliti yang lain (Emamjomeh, 2006; Ni’am et.al,2007; Mameri

et.al,1998; Kong, 2006)) menyatakan bahwa laju penyisihan kontaminan di dalam

reaktor elektrokoagulasi mengikuti reaksi orde satu, yaitu :

(II.21)

32  

Apabila persamaan diatas diintegralkan akan menghasilkan persamaan :

(II.22)

dimana Ct adalah konsentrasi pada waktu t, Co adalah konsentrasi di awal

percobaan (t=0) dan k adalah nilai kinetika perubahan konsentrasi

Sedangkan hubungan antara nilai kinetika laju perubahan konsentrasi dengan

konstanta transfer massa, dinyatakan oleh Bard (2001) dalam persamaan berikut :

(II.23)

II.5. Penelitian tentang pengolahan air limbah laundry dengan reaktor

elektrokoagulasi

Aplikasi proses elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah sangat banyak,

termasuk dalam pengolahan air limbah laundry. Beberapa penelitian yang telah

dilakukan antara lain :

a. Penelitian yang dilakukan Onder et.al (2007) yaitu mengolah surfaktan LAS

dan SLES menggunakan elektroda Fe dengan konfigurasi monopolar.

Kerapatan arus yang digunakan adalah 0.275, 0.368 dan 0.460 mA/cm2

dengan waktu detensi 0-60 menit. Reaktor yang digunakan adalah batch

dengan volume 1 L dan dilakukan variasi pH yaitu 3, 9, dan 11. Hasil yang

diperoleh adalah penyisihan COD, BOD dan kekeruhan sebesar 60, 67 dan

73%, sedangkan untuk penyisihan surfaktan mendekati 100% .

b. Penelitian yang dilakukan oleh Kong (2006) yaitu mengolah surfaktan LAS

dengan menggunakan elektroda Ti/Co/SnO2–Sb2O3 dengan konfigurasi

monopolar. Reaktor batch yang digunakan memiliki volume 0.25 L dengan

variasi kerapatan arus sebesar 38.1, 57.1 dan 71.4 mA/cm2 dan variasi pH 3,

6.5 dan 10. Hasil yang diperoleh untuk penyisihan COD sebesar 86% untuk

waktu detensi 60 menit.

33  

c. Penelitian oleh Ciorba (2000) yaitu mengolah surfaktan dengan

menggunakan elektroda Al konfigurasi monopolar. Percobaannya

menggunakan reaktor batch dengan volume air limbah yang diolah

sebanyak 0.3 L. Dilakukan variasi pH 4, 7.5 dan 9 dan kerapatan arus 10

dan 30 A/m2. Hasil yang diperoleh adalah penyisihan surfaktan yang diukur

dengan nilai COD sebesar 40 - 60%.

d. Penelitian yang dilakukan Ge (2004) yaitu mengolah air limbah laundry

dengan menggunakan elektroda Al dan Ti dengan konfigurasi bipolar.

Percobaan menggunakan reaktor kontinu dengan volume 2.8 L dan waktu

detensi 0 – 30 menit. Variasi percobaannya adalah pH antara 3-10 dan kuat

arus 0.8, 1, 1.2, 1.5 dan 2. Hasil yang diperoleh adalah penyisihan surfaktan,

fosfat dan kekeruhan mencapai 90% sedangkan penyisihan COD mencapai

70%.