Kinerja Microbial Fuel Cell (MFC) Berbasis Biochar Tongkol Jagung sebagai Material Elektroda

Abstract

Microbial Fuel Cell (MFC) merupakan salah satu teknologi bio-elektrokimia yang secara simultan dapat mengubah energi kimia dalam limbah organik menjadi biolistrik dengan bantuan mikroorganisme sebagai biokatalis. Aplikasi MFC skala besar selama ini terkendala oleh tingginya biaya material anoda komersial berbasis karbon seperti carbon felt dan grafit. Oleh karena itu, pemanfaatan biochar limbah tongkol jagung teraktivasi KOH dikembangkan sebagai material anoda alternatif yang murah, efisien, dan berkelanjutan. Sintesis biochar dilakukan melalui metode pirolisis pada suhu 650 °C selama 2 jam, dilanjutkan aktivasi kimia menggunakan larutan KOH 4 M, dan pirolisis ulang untuk pembentukan porositas. Serbuk biochar teraktivasi kemudian difabrikasi menjadi pelet elektroda komposit dengan memvariasikan rasio biochar, agen konduktif grafit, dan binder PTFE (seperti Reaktor 3 berbasis rasio 80:10:10 % dan Reaktor 4 berbasis rasio 85:10:5 %), untuk kemudian dibandingkan terhadap anoda komersial carbon felt (Reaktor 6). Pengoperasian sistem MFC dual-chamber dengan substrat limbah cair tahu dilakukan selama 30 hari. Parameter kinerja bioelektrokimia dievaluasi melalui luaran tegangan, kerapatan daya, Efisiensi Coulomb (CE), dan persentase penurunan kadar COD, serta disinkronkan dengan hasil karakterisasi fisik-kimia material meliputi konduktivitas listrik (metode 2-point probe), FTIR, SEM, dan BET/BJH. Hasil penelitian mengonfirmasi bahwa elektroda Reaktor 3 (rasio 80:10:10 %) menghasilkan kinerja paling optimal di antara variasi elektroda biochar, mencatatkan konduktivitas listrik sebesar 105,26 S/cm, luaran tegangan puncak 75 mV, dan nilai CE sebesar 9,23 %. Berdasarkan analisis statistik Independent Sample t-Test perbandingan kinerja elektroda biochar dan elektroda carbon felt memperoleh tegangan potensial tanpa beban pada reaktor 3 sebesar (75 mV) yang tidak berbeda signifikan (ā > 0,05) jika dibandingkan dengan anoda komersial carbon felt (75,6 mV), hal ini mengindikasikan bahwa kemampuan awal kedua material dalam menghasilkan beda potensial sel adalah setara. Meskipun carbon felt menunjukkan keunggulan yang berbeda signifikan (ā < 0,05) pada parameter konduktivitas (222,22 S/cm), rapat arus puncak (251,11 mA/m²), dan rapat daya (11,35 mW/m² dibandingkan 6,27 mW/m² pada biochar) akibat struktur serat makroporinya yang kontinu tanpa hambatan binder hidrofobik, elektroda biochar reaktor 3 mampu menyamai efektivitas pengolahan limbah secara kompetitif. Reaktor 3 berhasil mencatatkan efisiensi penurunan kadar COD sebesar 98% (menurun dari 13.280 mg/L menjadi 265,6 mg/L) dalam pengolahan limbah cair tahu, yang bernilai sama dan setara dengan efisiensi penyisihan COD pada Reaktor 6 (carbon felt) yang juga mencapai 98%. Tingginya performa Reaktor 3 dijelaskan oleh perpaduan sifat fisik dan kimia materialnya. Analisis SEM menunjukkan pembentukan morfologi pori sarang lebah (honeycomb) yang terdistribusi merata dan ideal bagi kolonisasi matriks biofilm bakteri elektrogenik. Luas permukaan spesifik yang tinggi (ĂBET = 343,515 m 2 /g) mempercepat transportasi serta difusi substrat organik, sementara spektrum FTIR mengonfirmasi peningkatan aromatisasi ikatan C=C hasil aktivasi KOH yang memfasilitasi kelancaran alir elektron ekstraseluler (Extracellular Electron Transfer/EET). Hasil yang didapatkan ini mengkonfirmasi bahwa biochar tongkol jagung teraktivasi KOH dengan formulasi 80:10:10 % terbukti memiliki potensi yang sangat unggul sebagai material anoda alternatif yang ramah lingkungan untuk menggantikan material karbon komersial dalam aplikasi MFC.