TEKNOLOGI ELEKTROKIMIA DAN ELEKTROPLATING
PERLINDUNGAN KATODA
Disusun oleh: Wahida Nurhayati
L2C009032
Nugraha Bayu Samodra
L2C009035
Addina Pradita Nur
L2C009037
Laela Khaerunnisa Eugenia
L2C009040
Dwi Putri Julyanti
L2C009050
Nadia Zahrotul Firdausi
L2C009053
Anisah Nirmala
L2C009051
Rosiana Irta Purnomo
L2C009056
Supriyandi
L2C009060
Apsari Puspita Aini
L2C009135
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2012
Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
1
PENDAHULUAN
Korosi merupakan suatu masalah yang sangat umum terjadi pada industri. Apabila tidak ditangani dengan baik, korosi dapat menyebabkan kerugian yang sangat besar bagi perusahaan. Oleh karena itu, banyak metode yang dilakukan untuk mencegah hal ini, seperti:
Dilakukan pengecatan pada permukaan logam.
dengan
Coating
logam-logam
yang
memiliki potensial reduksi yang tinggi seperti emas, khrom, tembaga, nikel, stainless steel .
Perlindungan katoda. Kita sebagai sarjana teknik kimia harus
mengetahui penyebab terjadinya korosi di industri dan bagaimana cara yang efektif untuk mengurangi laju korosi bahkan mencegahnya. Akhir-akhir
ini
banyak
dikembangkan
perlindungan logam dari korosi dengan cara perlindungan katoda. Berikut akan dijelaskan dengan rinci salah satu cara perlindungan logam dari korosi dengan metode perlindungan katoda. Gambar 1. Upaya pencegahan korosi
dengan cara pengecatan permukaan (atas) dan coating (bawah).
KOROSI
Korosi (korosi elektrokimia) merupakan proses oksidasi yang terjadi pada logam. Proses korosi pada logam seperti besi didukung dengan adanya air dan udara di sekitarnya. Pada proses korosi, besi yang memiliki potensial reduksi yang lebih rendah dibandingkan dengan udara dan air, akan lebih cenderung mengalami proses oksidasi. Dalam hal ini terjadi proses sel galvani, besi sebagai anoda yang mengalami reaksi oksidasi sedangkan udara dan air sebagai katoda yang mengalami reaksi reduksi. Reaksi: Anoda: 2Fe -
Katoda: O2 + H2O + 4e
2Fe + O2 + H2O
2+
-
2Fe + 4e
E = + 0.44 v
4OH
-
E = + 0.40 v
2Fe(OH)2
Ecell = + 0.84 v
Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
2
Pada reaksi diatas, diperoleh potensial sel bernilai positif yang berarti
reaksi
redoks
diatas
berlangsung secara spontan. Diperoleh hasil reaksi berupa oksida besi yang disebut karat. Karat ini memiliki sifat yang mudah rapuh sehingga akan merusak struktur dari besi sendiri. Karat
ini
industri
sangat karena
dihindari akan
dalam
merusak Gambar 2. Pipa-pipa yang terkorosi.
bangunan ataupun alat-alat proses.
Pada proses oksidasi logam lain, akan menghasilkan senyawa oksida yang memiliki sifat yang berbeda-beda. Pada oksidasi logam aluminium akan menghasilkan oksida aluminium berupa lapisan tipis Al 2O3 yang akan melindungi lapisan aluminium yang ada di dalamnya agar tidak teroksidasi lebih lanjut. Hal ini menyebabkan aluminium tidak dapat terkorosi. SEL ELEKTROLISIS DAN SEL GALVANI
Sebelum membahas lebih rinci mengenai perlindungan logam dari korosi dengan metode perlindungan katoda, kita harus mengetahui prinsip dasar dari sel elektrolisis dan sel galvani. Berikut akan dijelaskan mengenai sel elektrolisis dan sel galvani. Sel Elektrolisis
Pada sel elektrolisis, terjadi proses reaksi kimia karena adanya arus listrik searah (Direct Current ). Logam yang terhubung dengan sumber
arus negatif (katoda) akan mengalami reaksi reduksi dan logam yang terhubung dengan sumber arus positif (anoda) akan mengalami reaksi oksidasi.
Gambar 3. Skema elektroplating,
Contoh industri yang menggunakan proses sel
pelapisan sendok logam dengan
elektrolisis adalah industri elektroplating. Pada
logam perak.
industri elektroplating, logam yang akan dilapis (benda kerja) terhubung dengan sumber arus negatif sedangkan untuk logam pelapis terhubung dengan sumber arus positif. Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
3
Dari Gambar 3 dapat dilihat sumber arus DC berasal dari baterei. Katoda yaitu sendok terhubung dengan sumber arus bermuatan negatif dari baterei akan dilapisi dengan logam perak yang berasal dari anoda maupun larutan elektrolit AgNO3. Reaksi: Anoda: Ag +
-
Katoda: Ag + e
+
-
Ag + e
Ag +
Pada anoda terjadi proses oksidasi Ag menjadi Ag dengan melepas satu elektron. +
Ag akan melarut kelarutan elektrolit, mengalir, dan tertempel pada katoda. Di +
katoda terjadi proses reduksi Ag dari larutan elektrolit menjadi Ag, Ag akan mengendap di permukaan katoda dengan bantuan satu elektron. Sehingga sendok akan terlapis oleh logam perak. Sel Galvani
Pada sel galvani, terjadi arus listrik searah yang diakibatkan dari adanya reaksi kimia karena beda
potensial
elektroda.
Sama
elektrolisis,
pada
yang
ada
seperti sel
dimasing-masing
halnya
galvani,
pada
pada
sel
katoda
berlangsung reaksi reduksi sedangkan pada anoda berlangsung reaksi oksidasi. Perbedaannya adalah jika pada sel galvani, katoda sebagai kutub postif dan anoda sebagai kutub negatif. Pada sel galvani, terjadinya proses reaksi Gambar 4. Skema sel baterei alkaline.
redoks yang menghasilkan arus listrik tergantung dari beda potensial reduksi pada masing-masing
elektroda yang dapat dilihat pada deret volta. Pada deret volta, logam yang mempunyai potensia reduksi yang tinggi lebih cenderung mudah tereduksi dibandingkan dengan logam yang mempunyai potensial reduksi yang tinggi, logam dengan potensial reduksi rendah cenderung terjadi proses oksidasi. Banyak aplikasi dari sel galvani yang diaplikasikan dikehidupan sehari-hari, seperti pada sel accumulator dan baterai alkaline. Sebagai contoh pada baterai alkaline terjadi reaksi: Anoda: Zn
2+
-
Zn + 2e
Katoda: 2MnO2 + H2O + 2e
Mn2O3 + 2OH
E = + 0.78 v
Zn + 2MnO2 + H2O
Mn2O3 + Zn(OH)2
Ecell = + 1.54 v
-
E = + 0.76 v -
Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
4
Dari reaksi diatas, diperoleh potensial sel sebesar 1.54 volt. Seperti halnya proses korosi, reaksi redoks pada baterai alkaline berlangsung secara spontan saat digunakan. PERLINDUNGAN KATODA
Perlindungan katoda merupakan salah satu cara untuk mencegah terjadinya korosi pada logam. Prinsip kerjanya adalah dengan mengubah benda kerja menjadi katoda. Perlindungan katoda dilakukan dengan mengalirkan elektron tambahan ke dalam material. Terdapat dua jenis perlindungan katoda, yaitu metode impressed current dan galvanic couple.
Sistem perlindungan katoda ini biasanya digunakan untuk melindungi baja, jalur pipa, tangki, tiang pancang, kapal, anjungan lepas pantai dan casing (selubung) sumur minyak di darat. Efek samping dari penggunaan yang tidak tepat adalah timbulnya molekul hidrogen yang dapat terserap ke dalam logam sehingga menyebabkan hydrogen embrittlement (kegetasan hidrogen). Berikut akan dibahas mengenai perlindungan katoda dengan cara impressed current dan galvanic couple. Metode Galvanic Couple
Metode galvanic couple yang juga bisa disebut metode anoda korban (sacrificial anodes), adalah metode perlindungan katoda dengan menggunakan anoda yang lebih reaktif. Mekanisme prosesnya adalah sama pada sel galvani, yaitu perpindahan elektron dari logam yang lebih reaktif (cenderung teroksidasi) ke logam yang dilindungi (cenderung tereduksi) melalui elektrolit yang korosif dengan penghubung konduktor. Dimana meterial anoda yang bisa digunakan dalam metode anoda korban adalah logam-logam yang mempunyai potensial reduksi lebih negatif terhadap lingkungan dari potensial reduksi baja, misalnya paduan aluminium, seng dan magnesium. Pemilihan anoda sebagai korban berdasarkan dari nilai potensial reduksinya, dipilih anoda dengan potensial reduksi yang lebih rendah dibandingkan dengan potensial reduksi katoda sebagai logam yang akan dilindungi. Sehingga akan terjadi reaksi oksidasi dari anoda, yang mengakibatkan semakin lama anoda akan semakin habis karena teroksidasi. Elektron dari oksidasi anoda akan mengalir menuju katoda melalui konduktor yang menghubungkan. Penggunaan metode galvanic couple dikarenakan pada praktiknya mudah untuk dilakukan karena ongkos pemasangan yang murah dan tidak rumit, tidak diperlukan adanya sumber energi lain dan tidak perlu dioperasikan. Dengan metode galvanic couple kita hanya perlu untuk mengganti secara periodik anoda yang habis
karena terkorosi. Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
5
Anoda yang sering digunakan pada proses perlindungan katoda dengan metode galvanic couple antara lain magnesium, seng, dan aluminium. Berikut akan dibahas mengenai sifat dari masing-masing anoda.
Magnesium (Mg)
Harga relatif mahal.
Dengan
berat
yang
kecil
dapat
memproteksi katoda dengan luasan yang lebih besar.
Overprotection .
Karena
magnesium
mempunyai potensial reduksi yang paling rendah diantara logam-logam lain, sehingga hal ini menyebabkan magnesium mudah sekali teroksidasi. Karena mudah teroksidasi, maka akan
Gambar 5. Anoda magnesium dan
memroteksi logam lain disekitarnya
aplikasinya untuk tower listrik.
yang
seharusnya
proteksi.
Hal
ini
tidak
perlu
di
mengakibatkan
magnesium sendiri akan lebih cepat habis sehingga tidak efektif.
Waktu operasi pendek. Karena sangat mudah teroksidasi dibanding logam lain sehingga cepat habis.
Digunakan jika medium/elektrolit memiliki konduktivitas yang rendah.
Potensial listrik yang dihasilkan tinggi.
Seng (Zn)
Umum digunakan karena harga relatif murah.
Potensial
listrik
yang
dihasilkan
rendah.
Kapasitas luasan yang diproteksi kecil.
Waktu operasi lama. Karena memiliki beda potensial reduksi yang kecil dengan baja/besi sebagai katoda.
Digunakan untuk melindungi katoda yang terpendam dalam tanah. Gambar 6. Anoda seng dan aplikasinya untuk
pipa-pipa bawah tanah pada sistem pengairan sawah di Jepang. Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
6
Aluminium (Al)
Kapasitas luasan yang diproteksi besar.
Waktu operasi lama sehingga hemat.
Potensial listrik yang dihasilkan besar.
Harus di padukan dengan logam lain karena jika tidak aluminium akan bertindak sebagai logam pasif.
Perpaduan
antara
Al-Zn-In
dapat
digunakan untuk memroteksi pipa-pipa lepas pantai. Gambar 7. Anoda aluminium dan
aplikasinya untuk kapal laut.
Metode Impressed Current
Metode impressed current adalah metode perlindungan katoda dengan menggunakan bantuan arus listrik DC dan sebuah katoda inert. Mekanisme prosesnya sama pada sel elektrolisis, yaitu katoda (benda yang dilindungi) dihubungkan dengan sumber arus negatif dan pada anoda dihubungkan dengan sumber arus positif. Pada perlindungan katoda dengan metode impressed current ini digunakan anoda inert yang tidak akan habis sehingga sistem dapat digunakan untuk waktu lama. Digunakan arus listrik untuk menyuplai elektron ke katoda agar berlangsung proses reduksi secara paksa pada katoda dan karena digunakan anoda inert maka anoda tidak akan teroksidasi. Penggunaan metode impressed current
dikarenakan
dapat
diatur
besarnya arus yang digunakan untuk melindungi katoda terhadap oksidasi sehingga tidak memerlukan banyak anoda. Namun diperlukan pengendalian agar tidak terjadi overprotection dan kerusakan cat pada katoda. Dengan metode impressed current diperlukan biaya operasi dan pengoperasian sistem agar dapat berjalan optimal. Gambar 8. Penggunaan impressed current dalam
perlindungan pipa minyak. Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
7
Sebagai contoh akan melindungi logam Fe sebagai katoda dengan metode impressed current dan menggunakan anoda Pt sebagai anoda inert. Sumber arus
berasal dari rectifier , pada kutub arus negatif dihubungkan dengan katoda Fe, dan pada kutub arus positif dihubungkan dengan anoda Pt.
Gambar 9. Skema perlindungan katoda dengan menggunakan metode
galvanic couple (kiri) dan impressed current (kanan).
Kelebihan dan kekurangan dari penggunaan galvanic couple dan impressed current dapat dilihat di table berikut. Galvanic Couple Kelebihan:
Tidak diperlukan adanya sumber energi.
Mudah dilakukan (ongkos murah).
Kemungkinan terjadi overprotecting
Impressed Current Kelebihan:
Level proteksi dapat diatur jika terjadi perubahan kondisi lingkungan.
Arus (driving force) yang digunakan
kecil.
tinggi, sehingga dapat melindungi
Sistem berjalan sendiri.
struktur yang besar
Bila proteksi kurang, anoda tambahan
coating dengan baik.
bisa langsung ditambahkan.
Kelemahan:
Arus terbatas, jika luasan area proteksi Anoda yang habis harus diganti.
Anoda menambah berat struktur.
Waktu operasi lama.
Kelebihan:
besar diperlukan banyak anoda.
Dapat melindungi struktur yang tidak di-
Kemungkinan terjadi overprotecting sangat besar.
Adanya biaya untuk energi eksternal dan perawatan.
Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
8
Waktu operasi singkat.
Sistem berjalan saat ada arus listrik.
Tidak bisa menyesuaikan terhadap
Hubungan arus tidak boleh terbalik,
perubahan kondisi lingkungan.
karena jika terbalik, akan terjadi korosi lebih cepat dari benda yang akan dilindungi.
KESIMPULAN
1. Pada pemilihan metode untuk perlindungan katoda, diperhitungkan kondisi lingkungan dan benda yang akan dilindungi. 2. Pada metode Galvanic Couple, anoda yang biasa digunakan yaitu logam Mg, Zn, dan Al. 3. Pada metode Impressed Current , digunakan anoda inert yaitu Pt dan arus listrik DC dari rectifier .
Teknologi Elektrokimia dan Elektroplating
Perlindungan Katoda
9
