33 Bab III Metodologi Penelitian III.1 Tahapan Penelitian Metodologi penelitian ini dapat dilihat pada Gambar III.1 berikut. Gambar III.1 Diagram alir penelitian Mulai Persiapan Penelitian - Studi Literatur - Persiapan Reaktor dan Limbah Artifisial - Inventarisasi Alat dan Bahan Penelitian Penelitian Pendahuluan Pengoperasian reaktor dengan sistem batch menggunakan beberapa jenis limbah Penelitian Utama - Pengoperasian reaktor dengan sistem resirkulasi dengan variasi debit resirkulasi 1, 2, 3, 4, dan 5 ml/menit - Pengoperasian reaktor dengan debit resirkulasi optimum dengan variasi pH awal air limbah 4, 7, 8, dan 9 - Uji analisis ion magnesium, nutrien, dan struvite Analisis dan Pembahasan - Pengaruh debit resirkulasi terhadap penyisihan dan pemulihan nutrien - Pengaruh pH awal terhadap penyisihan dan pemulihan nutrien - Analisis penyisihan nitrogen dan fosfat - Analisis pembentukan struvite - Analisis produksi listrik - Analisis kinetika penyisihan dan pemulihan nutrien - Analisis karakteristik struvite yang terbentuk Kesimpulan dan Saran Selesai 34 Penelitian dimulai dengan melakukan persiapan penelitian yakni studi literatur mengenai latar belakang masalah dari penelitian ini. Kemudian dilakukan pembuatan reaktor skala laboratorium serta persiapan alat dan bahan yang diperlukan selama penelitian berlangsung. Selanjutnya dilakukan penelitian pendahuluan berupa pengoperasian reaktor dengan sistem batch menggunakan beberapa jenis limbah artifisial guna mengidentifikasi jenis limbah yang dapat mendukung terjadinya proses penyisihan dan pemulihan nutrien dalam air limbah di dalam reaktor. Kemudian dilakukan penelitian utama berupa pengoperasian reaktor dengan sistem resirkulasi menggunakan limbah artifisial terpilih guna mengidentifikasi pengaruh debit resirkulasi dan pH awal air limbah terhadap penyisihan dan pemulihan nutrien. Dari proses elektrokoagulasi yang terjadi dalam reaktor, selanjutnya dilakukan pengamatan terkait kecenderungan konsentrasi ion magnesium dan konsentrasi nutrien yang terjadi selama 24 jam proses pengoperasian reaktor dilakukan. Dilakukan pula uji identifikasi struvite yang terbentuk melalui metode Scanning Electron Microscope (SEM) dan X-Ray Diffration (XRD). Kemudian dilakukan penarikan kesimpulan dari penelitian utama yang telah dilakukan guna menjawab tujuan penelitian yang telah ditetapkan sebelumnya. III.2 Alat dan Bahan Dalam penelitian ini, diperlukan beberapa alat dan bahan untuk melancarkan proses penelitian. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel III.1, sedangkan bahan-bahan yang digunakan dapat dilihat pada Tabel III.2. Bahan-bahan pada penelitian ini menggunakan bahan pro analis tanpa harus memerlukan pemurnian lebih lanjut. Tabel III.1 Alat-alat yang digunakan dalam penelitian No Jenis peralatan Kegunaan 1 Spektrofotometer JENWAY 6305 Mengukur konsentrasi ortofosfat (PO4) 2 Scanning Electron Microscope (SEM), Jeol IT300 Mengetahui morfologi dan topografi dari sampel struvite 35 No Jenis peralatan Kegunaan 3 Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), Jeol 2300 Mengetahui unsur yang terkandung pada sampel struvite 4 X-Ray Diffration (XRD) Mengidentifikasi fasa kristalin dalam material struvite yang terbentuk 5 Hot plate, leher angsa, dan pipa destilasi Melakukan destilasi untuk mengukur konsentrasi ammonium (NH 4) 6 Reaktor ACEC Menyisihkan dan memulihkan nutrien yang terdapat dalam air limbah 7 External resistance Memberikan hambatan pada reaktor 8 Volt meter Mengukur volt yang dihasilkan selama proses pengoperasian reaktor 9 pH meter Mengukur pH air limbah artifisial 10 Konduktiviti meter Mengukur konduktivitas air limbah artifisial 11 Gelas ukur Mengukur volume air yang dibutuhkan untuk membuat air limbah artifisial 12 Gelas kimia Persiapan larutan limbah artifisial 13 Erlenmeyer Proses destilasi serta titrasi 14 Pipet volume Pengukuran volume limbah artifisial yang diuji 15 Buret Proses titrasi untuk mengetahui konsentrasi Mg dan NH3 16 Timbangan analitik Penimbangan bahan untuk membuat limbah artifisial 17 Oven Pengeringan sampel struvite 18 Kuvet Pengukuran nilai absorbansi PO4 19 Botol sampel kaca 50 ml Penampungan sampel yang akan diuji 20 Pompa peristaltik Resirkulasi aliran air limbah artifisial 21 Selang Pengaliran air limbah artifisial Tabel III.2 Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian No Nama bahan Kegunaan 1 Ammonium klorida (NH4Cl) bubuk Sumber nitrogen dalam pembuatan limbah artifisial 2 Dikalium fosfat (K 2HPO4.3H2O) kristal Sumber fosfat dalam pembuatan limbah artifisial 3 Natrium klorida (NaCl) bubuk Elektrolit pendukung dalam limbah artifisial 36 No Nama bahan Kegunaan 4 Ammonium molibdat Pengujian fosfat dengan metode kolorimetri 5 Larutan SnCl2 Pengujian fosfat dengan metode kolorimetri 6 Buffer borat Pengujian ammonium dengan metode destilasi 7 Larutan NaOH 50% Pengujian ammonium dengan metode destilasi 8 Asam borat Pengujian ammonium dengan metode destilasi 9 Indikator metil biru Pengujian ammonium dengan metode destilasi 10 Indikator metil merah Pengujian ammonium dengan metode destilasi 11 Asam sulfat Titrasi hasil proses destilasi untuk mengetahui konsentrasi ammonium 12 Larutan Buffer 10 Pengujian magnesium dengan metode titrasi kesadahan 13 Indikator EBT Pengujian magnesium dengan metode titrasi kesadahan 14 Larutan EDTA Titrasi sampel untuk mengetahui konsentrasi ion magnesium 15 Kertas saring Menyaring struvite yang terbentuk 16 Aquades Pembuatan limbah artifisial III.3 Metode Kerja III.3.1 Penelitian Terdahulu Berdasarkan penelitian Kim, An, Lim, dan Park (2018), dapat digunakan beberapa kondisi operasional optimum pada pengoperasian reaktor ACEC. Kondisi operasional optimum yang akan digunakan pada penelitian ini adalah konsentrasi elektrolit pendukung optimum (penambahan NaCl sebagai elektrolit pendukung sebesar 0,01 M) yang memberikan hasil penyisihan fosfat terbaik, serta hambatan eksternal optimum (R sebesar 5Ω) yang didapatkan dari proses pembuatan kurva polarisasi dimana hambatan tersebut telah terbukti memberikan hasil penyisihan fosfat dan produksi listrik terbaik dalam kondisi steady state diantara nilai hambatan lainnya pada proses nutrient recovery menggunakan reaktor ACEC. 37 III.3.2 Persiapan Reaktor Reaktor terbuat dari acrylic dengan volume kerja sebesar 75 ml dan jarak antar elektroda adalah 3 cm. Anoda yang digunakan pada penelitian ini berbentuk pelat dengan luas permukaan sebesar 25 cm 2 . Elektroda anoda diletakan pada ujung ruang anoda, sedangkan elektroda katoda diletakan di ujung ruang katoda. Kawat titanium dengan diameter 1 mm digunakan untuk menghubungkan antara elektroda anoda dan katoda. Anoda yang digunakan adalah Magnesium yang terdiri dari pelat setebal 0,30 mm dengan komposisi Mg 96%, Alumunium 3%, dan Zinc 1%. Katoda yang digunakan adalah carbon cloth yang sudah dilapisi dengan Pt catalyst (0,5 mg/cm 2 ) yang terdiri dari 3 lapisan yaitu (1) lapisan katalis, (2) lapisan pengumpul arus, dan (3) lapisan untuk difusi udara. Gambar III.2 Skematik diagram dari reaktor Air Cathode Electrocoagulation 38 Gambar III.3 Struktur pembentuk reaktor Air Cathode Electrocoagulation Gambar III.4 Reaktor Air Cathode Electrocoagulation skala laboratorium 39 III.3.3 Persiapan Limbah Artifisial Pada penelitian ini, akan digunakan air limbah artifisial dengan konsentrasi nutrien yang merujuk pada berbagai macam limbah. Pembuatan air limbah artifisial dilakukan dengan cara mencampurkan ammonium klorida (NH 4Cl) sebagai sumber nitrogen serta dikalium fosfat (K 2HPO4.3H2O) sebagai sumber fosfat. Digunakan pula natrium klorida sebagai elektrolit pendukung dengan konsentrasi sebesar 0,01 M yang merupakan kondisi optimum dalam penyisihan fosfat pada penelitian Kim, An, Lim, dan Park (2018). III.3.4 Metode Uji Analisis Ion Magnesium Analisis ion magnesium dilakukan dengan metode pengukuran kesadahan secara titrasi. Kesadahan yang diukur terbagi ke dalam dua jenis kesadahan yakni kesadahan total dan kesadahan kalsium. Karena konsentrasi kalsium dan magnesium dalam air jauh lebih tinggi jika dibandingkan dengan konsentrasi logam bervalensi dua lainnya, maka kontribusi terbesar penyebab kesadahan dalam air adalah kalsium dan magnesium (kesadahan total). Konsentrasi ion magnesium didapatkan dari hasil pengukuran kesadahan total dikurangi dengan hasil pengukuran kesadahan kalsium. Karena pada air limbah artifisial dan proses pengolahan yang terjadi dalam reaktor tidak menghadirkan ion kalsium, maka dapat disimpulkan bahwa nilai kesadahan total akan sama dengan nilai kesadahan magnesium. Metode pengukuran dilakukan dengan metode titrasi kompleksometri-EDTA. Prinsip pengukurannya yakni berdasarkan kemampuan senyawa EDTA membentuk senyawa kompleks dengan kalsium dan magnesium pada kondisi pH tertentu. Untuk mengukur kesadahan total, sampel air dalam suasana pH 10 dititrasi dengan larutan Na 2 EDTA dengan indikator EBT (Erio chrom Black T.) membentuk senyawa kompleks Ca-EDTA dan Mg-EDTA. Titik akhir titrasi diamati dengan perubahan warna dari merah-ungu menjadi biru laut. Nilai kesadahan total, dalam hal ini kesadahan magnesium, dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut. 40 �‡•ƒ†ƒŠƒ� L srrr �Ž•ƒ�’‡Ž š�Žššˆš ”‰ ˜ƒŽ‡�•‹‰ (III.1) Dimana kesadahan dihitung dalam satuan mg/l, N adalah normalitas, f adalah faktor EDTA-EBT, Ar adalah berat molekul yakni untuk magnesium bernilai 24 gram/mol, dan valensi magnesium adalah 2. III.3.5 Metode Uji Analisis Nitrogen Analisis kandungan nitrogen yang terdapat dalam air limbah dilakukan dengan metode pengukuran nitrogen dalam bentuk ammonium. Pengukuran ammonium dilakukan dengan cara metode destilasi, yang dilanjutkan dengan titrasi asam basa. Sampel air dibasakan dengan NaOH dan ditambahkan buffer borat, kemudian didestilasi, maka NH 3 akan menguap dan ditangkap dengan pelarut kimia asam yakni asam borat (H 3BO3) yang telah ditambahkan indikator metil biru dan metil merah. Selanjutnya NH 3 yang tertangkap dititrasi oleh asam yakni asam sulfat (H 2SO4). Nilai konsentrasi ammonium dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut. L srrrš�Žƒ•ƒ�šƒ•ƒ�š” �Ž•ƒ�’‡Ž (III.2) Dimana C adalah konsentrasi ammonium yang dihitung dalam satuan mg/l, N adalah normalitas, dan Ar adalah berat molekul yakni untuk nitrogen bernilai 14 gram/mol. III.3.6 Metode Uji Analisis Fosfat Analisis kandungan fosfat yang terdapat dalam air limbah dilakukan dengan metode pengukuran fosfat dalam bentuk ortofosfat secara kolorimetri. Pengukuran fosfat dilakukan dengan metode ammonium molybdate spektrofotometri. Sampel air yang jernih ditambahkan ammonium molybdate dan pereduksi SnCl 2 sehingga akan terbentuk senyawa kompleks yang berwarna biru. Warna biru yang terbentuk diukur intensitasnya dengan spektrofotometri pada panjang gelombang 690 nm. 41 Nilai konsentrasi fosfat dapat dihitung menggunakan persamaan kalibrasi sebagai berikut. › L sás{wtš E rárrx{ (III.3) šL › F rárrx{ sás{wt (III.4) Dimana x adalah konsentrasi fosfat dalam satuan mg/l serta y adalah absorbansi yang terukur oleh spektrofotometer. III.3.7 Metode Uji Analisis Struvite Uji analisis struvite yang terbentuk dilakukan menggunakan metode Scanning Electron Microscope (SEM) yang dilengkapi dengan Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) dan X-Ray Diffration (XRD). SEM digunakan untuk melihat morfologi dan topografi dari sampel dan EDS digunakan untuk mengetahui unsur yang terkandung pada sampel, sedangkan XRD digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi. III.4 Penelitian Pendahuluan Dilakukan penelitian pendahuluan berupa pengoperasian reaktor dengan sistem batch menggunakan beberapa jenis limbah artifisial guna mengidentifikasi jenis limbah yang dapat mendukung terjadinya proses penyisihan dan pemulihan nutrien dalam air limbah di dalam reaktor. Karakteristik jenis limbah yang akan digunakan sebagai penelitian pendahuluan ini dirangkum dari berbagai sumber yang menerangkan bahwa limbah tersebut berpotensi untuk proses nutrient recovery karena memiliki kandungan nutrien yang cukup tinggi dibandingkan jenis limbah lain pada umumnya. Dari proses elektrokoagulasi yang terjadi dalam reaktor, selanjutnya dilakukan pengamatan terkait kecenderungan pemulihan nutrien yang terlihat dari pembentukan struvite (endapan putih) setelah 24 jam proses pengoperasian reaktor dilakukan.