Bagaimana Anda mempertimbangkan jenis elektroda pH untuk aplikasi Anda?

Sebelum air limbah dilepaskan ke lingkungan, haruslah dipastikan bahwa pH air limbah tersebut telah sesuai dengan nilai yang tertera pada baku mutu. Menurut Peraturan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2014 maupun Tahun 2022, keberterimaan pH air limbah adalah berkisar pada rentang 6 hingga 9. Meski terlihat mudah, namun sebenarnya pengukuran pH pada air limbah memiliki tantangan tersendiri dimana hasilnya dipengaruhi oleh metode yang digunakan. Metode yang biasanya dilakukan yakni pengukuran secara kontinu, pengukuran secara insitu dan pengukuran dengan teknik sampling secara laboratorium. Ketiga cara inilah yang membedakan jenis elektroda pH yang seharusnya digunakan.

Elektroda pH adalah sensor yang dapat membaca pergerakan ion hidrogen (H⁺) dalam suatu larutan atau sampel yang berair. Umumnya, elektroda pH dapat digunakan apabila dikombinasikan dengan display meter, meski beberapa pH meter juga dikombinasikan dengan display meternya sehingga memiliki bentuk yang lebih ringkas dan praktis. Bagaimanapun bentuk dan tipe nya sekarang, pH meter berawal dari alat sederhana yang terdiri dari sensor, display pembaca dan juga kabel yang disebut sebagai sel Galvani (Galvanic cell) yang terdiri dari katoda, anoda dan cairan elektrolit. Alat ini kemudian dikembangkan lebih lanjut sehingga dihasilkan 2 macam elektroda single cell yang terdiri dari elektroda referensi dan elektroda uji. Namun seiring berkembangnya teknologi, kedua elektroda ini diringkas menjadi satu elektroda yang disebut elektroda kombinasi (combination electrode). Ketiga sistem ini diilustrasikan pada Gambar 1.

Gambar 1. Sistem pengukuran pH secara 1) Sel Galvani, 2) Single / Half cell dan 3) Elektroda kombinasi 

Pada prinsipnya, setiap pH meter memiliki dasar yang sama yakni pengukuran beda potensial akibat adanya interaksi ion hidrogen dalam sampel dengan ion hidrogen pada balb elektroda. Saat terjadi interaksi, potensial ion hidrogen pada sampel akan terukur oleh elektroda uji dan dibandingkan nilainya dengan hasil dari elektroda referensi. Hasil perbandingan ini pun nantinya akan dikirim dan diterjemahkan oleh sistem sehingga nilai hasil pengukuran dapat terdisplay pada meter. 

Struktur dan Material Elektroda

Mengapa banyak tipe elektroda yang beredar di pasaran? Faktor apa yang membedakan satu elektroda dengan elektroda lainnya? Tiga faktor utama yang membedakan elektroda satu dengan elektroda lainnya adalah struktur, material penyusun dan ukurannya. Dari segi struktur dan material penyusunnya, bagian - bagian elektroda secara umum dapat diilustrasikan pada Gambar 2.

Gambar 2. Bagian - Bagian Elektroda

Dari Gambar 2, dapat diketahui bahwa terdapat bagian - bagian dari badan elektroda, elektroda referensi, elektrolit, balb sensor dan junction. Setiap bagian tersebut memiliki fungsinya masing - masing dimana badan elektroda berfungsi untuk melindungi, membungkus seluruh sistem, serta tempat cairan elektrolit pada elektroda. Elektrolit berfungsi sebagai media untuk merendam elektroda referensi dan elektroda uji sehingga terjadi interaksi antar ion. Elektroda referensi pun memiliki peran yang penting yakni sebagai kontrol atau kutub yang digunakan sebagai pembanding terhadap potensial yang dihasilkan oleh elektroda uji dimana nilai potensial elektroda referensi bersifat tetap. Balb sensor berfungsi sebagai membran keluar masuknya ion hidrogen, sedangkan junction merupakan poros membran yang berfungsi sebagai tempat aliran elektrolit yang membawa arus positif dari ion hidrogen. Berbagai tipe dan aplikasi dari seluruh bagian ini dapat ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Elektroda dan Bagiannya

 

Tipe Elektroda Berdasarkan Aplikasi dan Cara Pemakaiannya

 

Elektroda single cell/ half cell memang masih diperkenankan untuk digunakan, namun tidak sedikit analis yang telah menggunakan elektroda kombinasi. Salah satu alasannya karena beberapa elektroda kombinasi telah dibekali dengan double junction atau sistem junction yang lebih kuat. Hal ini sangat berguna ketika elektroda digunakan untuk sampel yang sifatnya terlalu asam atau terlalu basa, memiliki suhu yang tinggi atau berada pada tekanan yang cukup tinggi, serta karakteristik khusus lainnya. Beberapa kondisi yang disebutkan dapat menyebabkan aliran arus positif pada elektrolit dapat berbalik yang menyebabkan sampel uji mengalir pada kompartemen referensi dan mengakibatkan tercemarnya elektroda referensi atau bahkan merusak elektroda itu sendiri. Adanya junction tambahan atau junction kedua berfungsi dalam menyediakan ruang tambahan antara larutan uji dan elektroda referensi yang dapat menyangga dan memperlambat laju perubahan larutan elektrolit elektroda referensi sehingga pada konteks ini dapat mempertahankan elektroda dari ancaman kontaminasi oleh sampel.

 

Tidak hanya berdasarkan struktur, elektroda juga dapat digolongkan berdasarkan aplikasi penggunaannya. Berdasarkan cara pemakaian dan aplikasinya, elektroda dibagi menjadi 3 golongan yakni elektroda untuk aplikasi laboratorium, elektroda untuk lapangan dan elektroda untuk pengukuran kontinu secara in situ.

1. Elektroda laboratorium (Laboratory Electrode)

Pengukuran parameter pH secara laboratorium membutuhkan teknik sampling yang mana dalam hal ini analis harus mengumpulkan sampel terlebih dahulu ke dalam suatu wadah yang bersih. Lalu sampel yang dikumpulkan kemudian diukur nilai pH nya pada wadah tertentu menggunakan alat pH meter. Biasanya, pH meter yang digunakan adalah pH meter tipe benchtop yang menggunakan arus listrik sebagai sumber kekuatannya. Pada aplikasi laboratorium, jenis elektroda pH yang digunakan pun dapat beragam, yakni dapat menggunakan elektroda half cell /single cell atau elektroda kombinasi, baik gel filled ataupun tipe refillable, maupun dengan material polimer ataupun kaca. Hal ini karena pengukuran secara laboratorium tidak terlalu beresiko pada alat dimana biasanya analisa pada laboratorium berlangsung pada suhu ruang dengan tekanan standar.

Meski tipe benchtop lebih disukai pada pengukuran laboratorium, namun tidak jarang analis juga memilih pH meter tipe portable atau pH meter praktis guna untuk mobilitas uji yang dilakukan. Hal ini juga tentunya sangat berguna untuk kebutuhan uji sampel air limbah yang membutuhkan mobilitas tinggi. Contoh tampilan alat dari pH meter benchtop, portable, maupun pH meter praktis dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Tipe pH meter A) Benchtop, B) Portable, C)Ringkas dan Praktis

2. Elektroda Lapangan (Field Electrode)

Dalam aplikasi lapangan, terdapat 2 teknik pengukuran yang dapat diaplikasikan seperti teknik sampling atau pengukuran secara langsung pada site. Untuk aplikasi ini, akan lebih baik jika analis menggunakan elektroda dengan tipe material polimer atau stainless steel yang diperuntukan untuk pengukuran lapangan. Hal ini tentunya didasarkan pada kekuatan dan ketahanan bahan polimer dan stainless steel terhadap benturan maupun guncangan baik pada saat proses pengukuran maupun pada saat elektroda tersebut dibawa. 

Secara teknik, pengukuran pada lapangan biasanya dilakukan dengan menentukan titik pengukuran terlebih dahulu yang didasarkan pada jarak dan kedalaman. Penggunaan teknik sampling dilakukan dengan mengambil sampel pada jarak dan kedalaman tertentu menggunakan suatu wadah berukuran besar, dimana pengukuran pH dilakukan dengan mencelupkan elektroda pada sampel yang telah homogen tersebut. Lain halnya dengan pengukuran secara langsung, beberapa elektroda mungkin diaplikasikan untuk dilontarkan langsung pada area yang hendak diukur.

Dalam hal teknik pengukuran langsung, dianjurkan untuk menggunakan elektroda dengan material stainless steel dengan tipe elektrolit berupa gel (gel-filled electrode). Hal ini dimaksudkan agar tidak ada kontaminasi sampel yang masuk ke dalam elektroda melalui jalur apapun, termasuk filling hole (lubang pengisi elektrolit). Hal ini tentunya juga sangat berguna jika sampel pada site memiliki kecepatan tertentu. Selain itu, untuk menunjang mobilitas analis untuk pengukuran satu titik ke titik lainnya, disarankan untuk menggunakan pH meter jenis portable.

3. Elektroda untuk Sistem Online (Pengukuran secara in situ dan kontinu)

Berbeda dengan pH meter tipe laboratory dan tipe lapangan, pH meter Online diperuntukan untuk pemasangan secara permanen dan pengukuran sampel dalam lingkungan yang cukup ekstrim (extreme). Fungsi dari aplikasi pH meter Online ini beragam dimana hal ini bergantung pada sistem dimana alat ditempatkan. Beberapa fungsinya antara lain untuk memantau dan mengontrol proses secara kontinu, mengetahui nilai pH secara pasti pada keluaran (output) dari hasil keseluruhan proses, mengoptimalkan serta memantau proses agitasi (agitation) ataupun pencampuran (mixing process), membantu memantau dan penambahan dosis secara otomatis (automatic dosing) dengan tepat, serta pengukuran nilai pH secara kontinu dengan adanya interval waktu tertentu.

Sistem pH meter online terdiri dari elektroda dan controller. Alat controller biasanya dilengkapi dengan sinyal relay 4-20 mA yang dapat mendukung proses dosing pada sistem pengolahan air limbah (Wastewater Treatment Plant/ WWTP) secara otomatis. Beberapa modul (module) pun juga dapat dikoneksikan pada alat untuk menunjang kebutuhan koneksi eksternal seperti Modbus dan Profibus. Alat Controller pun biasanya dilengkapi dengan sistem data logger yang menyimpan data selama pengukuran berlangsung dimana kapasitas data yang tersedia jauh lebih banyak dibandingkan pH meter untuk benchtop ataupun portable. 

 

Dari segi elektroda, terdapat berbagai pilihan sensor untuk sistem Online berdasarkan karakteristik sampel, tipe teknologi, jenis sistem dan tempat peletakannya. Untuk penempatannya, analis harus menentukan apakah sensor hendak ditempatkan pada pipa atau pada tanki karena hal ini akan berpengaruh kecepatan aliran sampel serta diameter sensor yang dibutuhkan, sedangkan dari segi sistem terdapat seri analog dan digital. Disisi lain, karakteristik sampel yang diukur juga akan berkaitan dengan tipe teknologi sensor yang akan dipilih. Terdapat dua jenis tipe yakni tipe differentials dan tipe kombinasi.

Sensor pH tipe kombinasi terdiri dari sistem sel referensi yang memiliki fitur double junction yang disertai dengan solution electrode ground. Tipe sensor differentials menggabungkan 3 elektrode seperti elektroda proses, elektroda referensi dan elektroda ground ke dalam 1 sensor. Secara prinsip, elektroda proses dan elektroda referensi akan mengukur nilai pH secara berbeda dan dihubungkan dengan elektroda ketiga (ground electrode) yang kemudian memberikan sinyal yang diterjemahkan oleh pre-amplifier untuk dimunculkan nilainya pada display. 

 

Gambar 4. Tampilan Alat Online A) Sensor tipe differentials, B) Sensor kombinasi dan C) Alat Controller

 

 

Dari beberapa tipe dan jenis elektroda yang telah dijabarkan, biasanya user yang menggunakan ketiga aplikasi baik pengukuran secara laboratorium, di lapangan maupun pengukuran secara in situ melakukan perbandingan antara nilai dari satu alat ke alat lainnya agar sistem pengolahan air limbah terpantau maksimal dan optimal. Fungsinya adalah untuk membuktikan bahwa alat berjalan dengan baik serta memperketat sistem validasi dan verifikasi sebelum sampel diolah ke tahap berikutnya atau dibuang ke lingkungan . Namun, hal ini bukanlah suatu hal yang wajib untuk dilakukan melainkan optional sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan. Jadi, sistem mana yang cocok untuk aplikasi Anda?

 

 

 

Referensi 

 

Hach Company. 2015. Application Note : pH Control Systems. Diakses pada 15 Desember 2022 dari www.hach.com 

Keeza. (2016). Komponen pH Meter. Diakses pada 13 Desember 2022 dari https://artikel-teknologi.com/komponen-ph-meter/ 

Menteri Lingkungan Hidup dan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia. 2014. Peraturan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2014 Tentang “Baku Mutu Air Limbah”. Tersedia dari Berita Negara Republik Indonesia.

Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia. 2022. Peraturan Menteri Lingkungan Hidup dan Kehutanan Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2022 Tentang “Pengolahan Air Limbah Bagi Usaha Dan/ Atau Kegiatan Pertambangan dengan Menggunakan Metode Lahan Basah Buatan”. Diakses pada 29 November 2022, dari https://jdih.menlhk.go.id/new/uploads/files/2022pmlhk005_menlhk_04112022102337.pdf

Thermo Fisher Scientific. 2013. PH Measurement Handbook. Diakses pada 9 Desember 2022 dari www.thermofisher.com