Proses elektrokimia dapat
menghasilkan kontribusi yang benilai untuk menlindungi lingkungan saat
melaksanakan perawatan sungai dan proses produksi yang terpadu untuk
meminimalkan limbah dan senyawa beracun. Misalnya pada perawatan anak sungai,
reactor elektrokimia untuk menghilangkan ion logam dari air limbah, destruksi
anodik dari pulutan organik dan teknik elektrokimia baru untuk memurnikan
corong gas akan di deskripsikan. Contoh lain termasuk memisahkan garam dengan
teknik membrane. Sebagai contoh untuk proses industri dasar elektrolisis fluida
untuk memperoleh logam kembali pada produksi selulosa asetat, proses membrane
untuk industry elektrolisis klor-alkali, dan elektroreduktase dari asam
dikloroasetat telah dipertimbangkan.
Peningkatan populasi di dunia seiring dengan
berkembangnya industrialisasi telah menghasilkan situasi dimana perlindungan
lingkungan menjadi isu yang besar dan factor krusial untuk perkembangan proses
industri dimasa depan,sehingga dibutuhkan perkembangan yang berkelanjutan.
Elektrokimia menjanjikan suatu pendekatan untuk mencegah masalah polusi pada
proses industri keuntungan yang pasti didapat adalah kecocokan pada lingkungan,
disebabkan oleh fakta bahwa reagen utamanya berupa elektron merupakan ‘reagen
yang bersih’. Strategi ini termasuk didalamnya perawatan anak sungai dan limbah
serta mengembangkan proses atau produk yang baru dengan efek yang lebih aman,
seringkali disebut sebagai proses perindungan lingkungan terpadu :
1. Perlindungan
katodik dan anodic pada anak sungai dan limbah. Hal ini termasuk semua teknik
dimana bahan beracun akan dihilangkan dari gas,cairan, atau bahkan padatan pada
step terakhir dari proses industri.
2. Proses
pelindungan lingkungan terpadu. Hal ini termasuk mendaur ulang bahan bahan yang
msih bernilai pada proses penghasilan limbah dengan teknologi elektrokimia
tyang lebih bersih dengan produksi limbah yang lebih sedikit atau tidak ada
sama sekali.
Spesies polusi dapat dihilangkan dan
didestruksi secara langsung atau tidak langsung dengan proses oksidasi/reduksi
elektrokimia di sel elektrokimia tanpa pengaruh berkelanjutan dari zat kimia
redoks. Selanjutnya, selektifitas yang lebih tinggi dari banyak proses
elektrokimia akan membantu mencegah produk yang tidak diinginkan pada proses
produksi, dimana pada banyak kasus hal ini harus di tangani sebagai limbah.
Keuntungan mengunakan proses
elektrokimia secara umum:
1. Keuntungan
dalam beberapa hal : oksidasi dan reduksi secara langsung atau tidak langsung,
pemisahan fasa, konsentrasi atau dilusi.
2. Efisiensi
energi : pada umumnya proses elektrokimia membutuhkan suhu yang lebih rendah,
misalnya insenerasi termal. Elektroda dan sel di desain untuka meminimalisir
kehilangan daya yang disebabkan karena distribusi arus inhomogen, tegangan
turun dan reaksi samping.
3. Dapat
melakukan automatisasi : sistem menghasilkan variabel yang melekat, misalnya
potensial elektroda dan arus sel.
4. Biaya
terjangkau : konstruksi sel dan alat periferal pada umumnya sederhana dan jika
dibutuhkan suata desain juga tidak mahal.
A. Perlindungan
Katodik pada Air dan Sungai
Air
limbah dari sektor industri berbeda, seperti electroplating, perkembangan
fotografi, perkembangan papan sirkuit atau teknologi baterai,membutuhkan
perawatan spesial untuk menghilangkan ion logam berbahya atau mendur ulang
bahan yang masih bernilai. Disebabkan karena meningkatnya meningkatnya
perputaran yang lebih ketat pada sungai, konsentrasi dari ion logam telah
menurun beberapa tahun terakhir. Tabel 1. Menunjukan perkembangan dari beberapa
ion logam di Jerman dari 1983 – 1991 dan untuk perbandingan nilai terakhir di
Switzerland. Selebihnya, biaya untuk membuang lumpur yang mengandung logam
bebahaya juga meningkat beberapa tahun terakhir. Teknik ion pengganti sebagai
alternatif dari pengendapan hidroksida juga menghasilkan peningkatan yang
berarti. Dengan demikian metode ini terlalu mahal untuk beberapa sungai dan
resin ion pengganti yang tepat tidak tersedia untuk semua jenis logam. Situasi
ini menjadi insentif untuk perkembangan teknologi baru dan proses yang lebih
efisien untuk pengolahan limbah dalam air.
Tabel
1. Nilai effluent dan konsentrasi logam pada pengendapan hidroksida.
Sejak ion logam
dapat dihilangkan dengan cara katodik maka proses elektrokimia terus
dikembangkan, beberapa diantara nya telah digunakan secara komersial telah
digunakn diindustri. Dilihat dari sudut pandang termodinamika, dengan persamaan
Nernst kita dapat memprediksikan konsentrasi logam pada larutan sehingga dapat
diturunkan. Namun, pada konsentrasi yang sangat rendah rata rata proses
transpor massa sangat rendah. Dalam percobaan, elektrolisis pada konsenrasi
dibawah 0,05 ppm tidak lagi ekonomis
karena meningkatnya waktu elektrolisis dan hasil waktu yang tidak dapat
diterima. Karena densitas arus pada konsentrasi ion logam yang rendah terlalu
kecil, peningkatan energy pada proses pemurnian limbah pada umumnya terlalu
rendah, umumnya mendekati 0,05 DM m-3 . Dengan persamaan sebagai berikut:
Bedasarkan pada
hukum Faraday dm sebanding dengan muatan elektrolisis :
Dimana φe
adalah efisiensi arus, A adalah luas elektroda sebenarnya dan M adalah massa
molekul ion logam. Proses kondisi yang optimal berlangsung ketika rata rata
reaksi heterogen mencapai densitas arus difusi, i=i1 :
Sehingga hasil dapat
ditunjukkan dengan rumus berikut :
Rumus ini merupakan
kunci untuk desain dan konstruksi reactor elektrokimia untuk pengolahan limbah
dan daur ulang logam. Kinerja reactor tidak trgantung pada kandungan limbah.
Sehingga, Kreysa mengenalkan definisi dari kecepatan normalisai ruang sebagai
berikut :
Sel elektrokimia diklasifikasikan
menjadi 3 kelompok :
1. Peningkatan
transport masa dan meningkatnya densitas arus dengan pengaturan elektroda pada
pergerakan atau dengan memakai turbulansi promotor.
2. Usaha
untuk mengakomodasi luas elektroda pada volume sel kecil yang dihasilkan pada
perkembangan seperti sel multiple katoda.
3. Peningkatan
koefisien transfer massa dan perbesaran luas eletroda spesifik dibutuhkan
mengunakan elektroda tridimensional. Misalnya RETEC sel.
Berikut ini beberapa
contoh dari konstruksi sel ditunjukkan pada Gambar 1 – 10 :
Gambar 1. Sketsa sel pompa, merupakan
analog yang merotasi celah sel kapiler, sel ini belum digunakan pada skala industry.
Gambar 2. Sketsa sel Chemelec,
ditemukan oleh Bewt Water Engineers, Alcaster, England, digunakan sebagai dasar
fluida bola gelas pada promotor turbulansi untuk meningkatkan transfer massa
pada elektroda yang mengandung elektroda logam.
Gambar 3. Pengilangan ion Ni2+ pada
air bilasan dan mendaur ulangnya pada wadah galvanic.
Gambar 4. Konfigurasi Cascade pada
sel ECO, di desain di UK, dan sudah dipakai pada skala industry.
Gambar 5. Sel Beat rod, dengan kurva
konsentrasi-waktu dalan penghilangan perak.
Gambar 6. Sketsa sel
Swiss roll dengan elektroda foil dan pemisah plastik, merupakan jalan yang
effisien untuk elektroda dengan luas penampang besar.
Gambar 7. Flow-troungh dan flow-by
bagian sel dengan elektroda 3D, umumnya digunakan pada electroplating yang
kecil.
Gambar 8. Design sel Packed-bed dari sel
enViro, digunakan untuk sel elektrokimia dengan konsentrasi rendah, dimana
konsentrasi logam dapat di reduksi menjadi factor 1/1000. Sel en Viro yang
terlah tersebar luas dan digunakan pada skala industri ditunjukkan pada Tabel
2.
Tabel 2. Aplikasi enViro dalam
industry.
Gambar 9. Sel elektroda Fluidished
bed, menurut Flrischmann dan Goodridge.
Gambar 10. Sel tabung berputar.
Untuk membandingkan reactor dan
desain sel yang berbeda diatas, kesimpulan dari data operasi ditunjukan pada
Tabel 3. Karena data yang diperoleh bergantung pada sel yang memiliki ukuran
berbeda dan kondisi pemrosesan. Cara lain yang dapat digunakan untuk
membandingkan proses yang berbeda ini ditunjukan pada data Table 4. Data ini
mendekati efesiensi ekonomis yang berhubungan.
| Tabel 3. Data operasi pada sel elektrokimia berbeda untuk air limbah. |
Tabel 4. Konsumsi energy spesifik
pada skala indutri berbeda.
B.
ELEKTRODA PADA PEMURNIAN GAS
Meningkatnya pemurnian gas, terutama pembangkit listrik
tenaga kecil, pemanasan pada pembakaran unit atau pabrik kimia telah mendorong
pengembangan konsep baru berupa teknik pemurnian gas secara elektrokimia.
Banyak polutn gas, seperti hidrogen sulfida, oksida nitrat, atau belerang
dioksida memungkinkan dikonversi dalam sel elektrokimia,karena potensial
standarnya berada pada stabilitas yang baik dalam larutan elektrolit :
Beberapa konsep pemurnian gas secara
elektrokimia dapat ditemukan dalam literatur.
Proses perkembangan yang baru telah
dikembangkan karena gas yang dikeluarkan dari corong tidah hanya mengandung SO2 tetapi juga NOX.
perkembangan proses untuk menstimulasi penghapusan kedua komponen telah
diinvestigasi, dan menghasilakan skema reaksi alternative sebagai berikut:
C.
Proses Perlindungan lingkungan terpadu
Pada industry kimia
khususnya cabang sel galvani, konsep teknologi zero effluent telah diterima
secara luas, karena lebih bersih dan sehat. Perrangkat yang berbeda untuk
pengelektrolitik pengolahan limbah dan pemurnian logam dari air limbah secara
electroplating juga dapat digunakan untuk mendaur ulang air. Faktanya,daur
ulang menjadi lebih mudah dari pada perawatan akhir dari sungai.
Pemisahan NOx
secara tidak langsung
Kombinasi dari membran penukar ion
dan resi penukar ion konvensional untuk perawatan air sungai telah dijelaskan
dalam literature. Konsep ini secara signifikan mengurangi resistensi, konsumsi
daya, dan kenaikan luas permukaan dari poses elektrodialisis konvensional.
Bahan penukar ion terus menerus di regenerasi secara elektrokmia oleh H+
dan OH-. Ion yang dihasilkan oleh pemisahan air di sirkuit listrik
DC yang padat. Aplikasi utama dari teknologi ini merupakan, produksi air ultra
murni dan pemindahan serta pemulihan logam berat dan logam mulia dari limbah industri.
Sel membrane
untuk pemisahan garam menggunakan membrane bipolar.
Sejumlah proses elektrokimia dan
beberapa perangkat telah dikembangkan pada skala industry dalam beberapa tahun
terakhir untuk perlindungan lingkungan. Beberapa diantaranya telah dibahas
diatas, tetapi tidak semua, hal ini telah diuji di laboratorium dan bahkan pada
skala besar. Beberapa diantaranya sudah
dikomersialisasikan karena keunggulan spesifikasinya. Karena beberapa keuntungan, proses pengolahan
limbah dan pencegahan polusi secra elektrokimia akan meningkat dan diterima
dimasa depan. Pada proses diindustri yang melibatkan reaksi reduksi oksidasi
dapat dengan mudah digantikan dengan langkah elektrolisis yang menghemat
ruang,waktu, dan energi sehingga menghasilkan
teknologi yang terpadu dan lingkungan yang bersih.