2 Tinjauan Pustaka 2.1 Definisi Membran Membran dapat didefinisikan sebagai suatu lapisan tipis yang dapat memisahkan dua fasa karena adanya gaya dorong berupa perbedaan tekanan, temperatur, konsentrasi atau potensial listrik. Membran yang bersifat semipermeabel hanya dapat melewatkan suatu spesi kimia tertentu sedangkan spesi kimia lainnya akan tertahan. Fenomena ini dapat terjadi akibat adanya perbedaan sifat kimia atau fisika antara membran dan larutan, seperti perbedaan ukuran. Spesi yang dapat melewati membran adalah spesi yang memiliki ukuran lebih kecil dari ukuran pori membran sedangkan spesi yang memiliki ukuran lebih besar tentunya akan tertahan. fasa 1
membran
fasa 2
permeat
larutan umpan
gaya dorong Gambar 2.1 Mekanisme pemisahan pada membran [Mulder, 1996] Ada dua jenis larutan dalam proses pemisahan menggunakan membran. Larutan pertama disebut sebagai permeat. Larutan ini merupakan larutan yang hendak dipisahkan. Larutan ini dinamakan permeat karena larutan ini dipermeasikan melalui membran. Larutan kedua disebut sebagai konsentrat. Larutan ini mengandung sejumlah kontaminan dalam konsentrasi tertentu yang ditolak oleh membran.
2.2 Sejarah dan Perkembangan Membran Penelitian mengenai membran telah dilakukan sejak abad ke-18. Membran pertama kali dibuat oleh Nollet pada tahun 1748 [Mulder, 1996]. Membran tersebut digunakan untuk menjelaskan permeasi air melewati diafragma melalui proses osmosis. Penelitian lainnya
dilakukan oleh Reuss pada tahun 1803 dan Porret pada tahun 1816 untuk mempelajari fenomena elektroosmosis. Pada tahun 1861, Graham juga menggunakan membran untuk mempelajari fenomena dialisis. Penelitian-penelitian ini terus berlangsung hingga tahun 1965. Penelitian-penelitian ini memberikan banyak informasi mengenai membran di antaranya mengenai tekanan osmosis, transpor elektrolit, potensial membran, kesetimbangan dalam membran, termodinamika membran, pori membran dan difusi larutan dalam membran [Mulder, 1996]. Selanjutnya, pada tahun 1920 membran mulai dibuat untuk keperluan komersial. Saat itu, membran dibuat oleh Sartorius di Jerman untuk menyaring bakteri (filtrasi mikro) [Mulder, 1996]. Membran-membran ini digunakan untuk penyulingan air laut, daur ulang hidrogen dan dehidrasi pelarut organik. Pembuatan membran asimetris menjadi suatu terobosan baru dalam teknologi membran. Membran asimetris pertama kali dibuat oleh Loeb-Soerirajan [Mulder, 1996]. Membran ini memiliki lapisan atas yang sangat tipis (ketebalan < 0,5 µm) dan sangat rapat dengan didukung oleh lapisan berpori (ketebalan 50-200 µm). Membran asimetris lain dibuat oleh Henis dan Triposi untuk keperluan industri pemisahan gas [Mulder, 1996]. Saat ini, teknologi membran sedang mengalami perkembangan yang cukup signifikan. Membran telah tersedia dalam berbagai bentuk, konfigurasi dan ukuran sehingga dapat disesuaikan dengan kebutuhan. Membran digunakan untuk berbagai kebutuhan masyarakat dan industri seperti pengolahan air minum, penyulingan air laut, pengolahan limbah, industri kertas, industri farmasi, pertanian, pembangkit energi, semikonduktor dan lain-lain. Penggunaan membran dalam teknik pemisahan memiliki banyak keuntungan, di antaranya adalah: 1.
Tidak memerlukan perlakuan awal terhadap sampel
2.
Tidak menyebabkan kerusakan pada komponen yang akan dipisahkan
3.
Dapat dilakukan pada temperatur ruang sehingga tidak membutuhkan banyak energi
4.
Tidak menyebabkan kerusakan sampel
5.
Bersifat sangat spesifik karena sifat membran yang bervariasi
6.
Teknologi membran merupakan teknologi yang bersih karena tidak menyebabkan polusi
5
2.3 Klasifikasi membran 2.3.1
Berdasarkan Bahan
Berdasarkan bahan, membran dibagi menjadi dua jenis yaitu membran alami (biologis) dan membran sintetis. Membran alami terdapat dalam sel organisme. Dalam sel eukariot, membran ini menjadi pemisah antara ruangan-ruangan di dalam sel. Sementara itu, dalam sel prokariot hanya terdapat satu ruangan saja sehingga membran digunakan sebagai pembatas antara nukleoid (bagian di dalam sel) dengan bagian di luar sel. Membran sintetis biasanya dibuat untuk keperluan komersial. Membran ini terdiri dari dua jenis yaitu membran organik dan membran anorganik. Membran organik terbuat dari bahan polimer (contohnya polisulfon, selulosa asetat dan lainlain) sedangkan membran anorganik terbuat dari keramik, logam dan karbon. Selain itu, banyak hal lain yang menjadi perbedaan antara membran organik dan membran anorganik. Membran organik lebih murah daripada membran anorganik. Namun, membran anorganik memiliki kestabilan dan kekuatan yang lebih tinggi daripada membran organik. Membran organik tidak dapat dipergunakan pada temperatur di atas 500 oC sedangkan membran anorganik seperti keramik dapat dipergunakan sampai suhu 2000 oC. Hal ini menyebabkan membran anorganik lebih banyak digunakan pada suhu tinggi.
2.3.2
Berdasarkan Struktur
Berdasarkan struktur, membran dibagi menjadi dua jenis yaitu membran simetris dan asimetris. Struktur membran menentukan mekanisme pemisahan dan aplikasi membran. Membran simetris (berpori atau tidak berpori) hanya terdiri dari satu lapisan membran dengan ketebalan antara 10-200 µm. Laju permeasi pada membran simetris ini akan semakin besar jika membran semakin tipis. Membran simetris dibagi ke dalam tiga jenis, yaitu membran berpori silindris, berpori dan tidak berpori. Membran asimetris terdiri dari dua lapisan. Lapisan bagian atas merupakan lapisan yang sangat rapat dengan ketebalan antara 0,1-0,5 µm sedangkan lapisan kedua merupakan lapisan berpori dengan ketebalan antara 50150 µm. Kombinasi sifat kedua lapisan ini menghasilkan membran dengan selektivitas dan laju permeasi yang tinggi. Membran asimetris dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu membran berpori, berpori dengan lapisan rapat pada permukaan dan membran komposit [Mulder, 1996].
6
2.3.3
Berdasarkan Ukuran Pori
Berdasarkan ukuran pori, membran dikelompokkan sebagai membran filtrasi mikro, filtrasi nano, filtrasi ultra dan osmosis balik. Membran filtrasi mikro memiliki ukuran pori 0,2 µm. Membran ini digunakan untuk menyaring partikel berukuran mikro dan organisme mikro yang berbahaya dalam air minum. Membran filtrasi nano memiliki ukuran pori 0,001 µm. Membran ini digunakan dalam proses desalinasi, pemisahan polutan berukuran mikro, pengolahan limbah dan pemisahan zat warna dalam industri tekstil. Membran filtrasi ultra memiliki ukuran pori antara 0,005–0,1 µm. Membran ini dapat digunakan untuk menyaring partikel yang memiliki massa molekul tinggi, koloid, virus dan protein. Membran osmosis balik memiliki ukuran pori kurang dari 0,001 µm. Membran ini digunakan untuk desalinasi air laut dan produksi air sangat murni untuk aplikasi industri elektronik.
2.4 Bahan Pembuat Membran 2.4.1 a.
Zeolit Definisi Zeolit
Zeolit adalah suatu mineral aluminosilikat hidrat. Zeolit ini biasanya diperoleh dalam batuan sebagai agregat rapat polikristalin. Zeolit termasuk ke dalam golongan mineral tektosilikat. Struktur zeolit terbentuk dari jaringan tiga dimensi SiO4 dan AlO4 tetrahedral. Ion aluminium dan ion silikon masing-masing berada di tengah tetrahedron yang terbentuk dari 4 atom oksigen. Kemudian, tetrahedron ini bergabung satu sama lain dengan cara berbagi atomatom oksigen yang terletak di bagian ujung tetrahedron.
a)
b)
Gambar 2.2 Struktur zeolit a) Struktur kristal AlO4; b) Struktur kristal SiO4 Ion aluminium memiliki ukuran yang cukup kecil sehingga lebih mudah menempati posisi di tengah tetrahedron. Penggantian tempat ion Si4+ oleh ion Al3+ secara isomorf menyebabkan kisi kristal menjadi bermuatan negatif. Kation-kation kemudian masuk ke dalam rongga 7
zeolit untuk menyeimbangkan muatan pada zeolit. Kation-kation yang mengisi pori zeolit merupakan kation-kation golongan alkali dan alkali tanah, seperti Na+, K+ atau Ca2+. Kation ini bersifat dapat dipertukarkan dengan kation lain yang berada dalam suatu larutan, seperti Pb2+, Cd2+, Zn2+ dan Mn2+. Zeolit memiliki rumus umum : Mx/n [(AlO2)x (SiO2)y] ⋅ w H2O dengan m merupakan kation bervalensi n yang terdapat dalam zeolit, w menunjukkan jumlah molekul air dan rasio y/x bernilai antara 1-5, bergantung pada struktur zeolit. Jumlah (x+y) adalah total dari jumlah tetrahedra yang ada dalam satu unit sel. Bagian [(AlO2)x (SiO2)y] menunjukkan komposisi dalam jaringan zeolit. b.
Sejarah dan Perkembangan Zeolit
Zeolit alam yang pertama kali ditemukan adalah Stilbit. Zeolit ini ditemukan oleh Cronstedt pada tahun 1756 [Breck, 1974]. Saat itu, zeolit dikenal sebagai mineral baru yang mengandung aluminosilikat hidrat dan kation unsur logam alkali dan alkali tanah. Mineral ini kemudian disebut dengan zeolit. Kata zeolit ini berasal dari dua kata dalam bahasa Yunani yang memiliki arti mendidihkan dan batu. Zeolit alam tersebar di permukaan bumi sehingga relatif mudah untuk diperoleh. Sampai saat ini, telah ditemukan sekitar 50 jenis zeolit alam. Banyak orang tertarik untuk mempelajari sifat fisik dan kimia zeolit. Sampai saat ini, sifat fisik dan kimia zeolit masih terus dipelajari untuk keperluan pengembangan teknologi dalam berbagai bidang. Selain ditemukan di alam, zeolit juga telah disintesis untuk keperluan komersial. Zeolit alam memiliki kekurangan, seperti komposisi yang kurang seragam dan kemurnian yang tidak terlalu tinggi. Dewasa ini, telah dibuat sekitar 100 jenis zeolit sintesis. Zeolit sintesis ini memiliki komposisi yang lebih seragam dan kemurnian yang tinggi sehingga lebih cocok digunakan untuk kepentingan industri dan penelitian. c.
Sifat dan Klasifikasi zeolit
Zeolit merupakan padatan kristalin yang tidak berwarna. Partikel kristal zeolit berukuran 110 µm, dengan diameter rata-rata 1,39 µm. Zeolit memiliki densitas yang rendah yang berkisar antara 1,9-2,3 g/cm2. Densitas ini bergantung pada keterbukaan struktur zeolit dan jenis kation yang berada dalam pori zeolit. Sifat-sifat yang berhubungan dengan struktur, yaitu derajat hidrasi yang tinggi, densitas yang rendah dan volum yang besar ketika terdehidrasi, stabilitas struktur kristal zeolit ketika terdehidrasi, sifat penukar ion, ruang
8
molekul yang seragam dalam kristal terdehidrasi, sifat konduktivitas listrik, adsorpsi gas dan uap dan sifat katalitik [Breck, 1974]. Berdasarkan strukturnya, zeolit diklasifikasikan ke dalam tujuh golongan. Setiap golongan memiliki subunit struktur dengan tetrahedral AlO4 dan SiO4 yang spesifik. Subunit-subunit ini disebut dengan secondary building unit (SBU) [Breck, 1974]. Tabel 2.1 Penggolongan Zeolit [Breck, 1974] Golongan
d.
Secondary Building Unit (SBU)
Tipe zeolit
1
Tunggal, cincin-4, S4R
Analcime, Wairakite, Viseite dan Kehoite, Harmotome dan Philipsite, Gismondine, Zeolit P, Garronite, Paulingite, Laumontite, Yugawaralite.
2
Tunggal, cincin-6, S6R
Erionite, Offretite, Zeolit T, Levyniye, Omega, Zeolit HS, Losod.
3
Ganda, cincin-4, D4R
Zeolit A, Zeolit N-A, Zeolit ZK-4,
4
Ganda, cincin-6, D6R
Faujasite, Chabazite, Herschelite, Gmelinite, Zeolit ZK-5, Zeolit L, Zeolit P-L, Zeolit Ba-G
5
Kompleks 4-1, unit T5O10
Natrolite, Scolecite, Mesolite, Thomsonite, Gonnardite, Edingtonite.
6
Kompleks 5-1, unit T8O16
Mordenite, Dachiardite, Ferrierite, Epistilbite, Bikitaite.
7
Kompleks 4-4-1, unit T10O20
Heulandite, Clipnotilolite, Stilbite, Stellerite, Brewsterite.
Fungsi Zeolit
Sejak ditemukan dua abad yang lalu, telah banyak penelitian yang dilakukan untuk mengetahui fungsi dan kegunaan zeolit. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan tersebut, zeolit diketahui memiliki fungsi sebagai katalis, penukar ion, adsorben dan saringan molekul. 1.
Zeolit sebagai katalis
Setiap tipe zeolit memiliki ukuran pori yang spesifik karena perbedaan komposisi. Ini menyebabkan zeolit bisa digunakan sebagai katalis yang bekerja selektif berdasarkan ukuran pereaksi atau zat antara.
9
2.
Zeolit sebagai penukar ion
Fenomena pertukaran ion dalam zeolit diakibatkan oleh adanya gugus silikat hidrat [Breck, 1974]. Aktivitas pertukaran ion ini bersifat reversibel. Pori-pori zeolit terisi dengan kationkation golongan alkali dan alkali tanah untuk menstabilkan muatan zeolit yang negatif. Kation-kation ini dapat terelusi ketika zeolit dialiri dengan larutan mengandung kationkation lain. Saat inilah, terjadi pengisian pori-pori zeolit oleh kation-kation dari larutan. 3.
Zeolit sebagai adsorben
Zeolit memiliki porositas ultra sehingga digunakan sebagai adsorben untuk pemisahan gas dan campuran uap. Zeolit merupakan adsorben dengan kapasitas tinggi karena zeolit memisahkan molekul berdasarkan ukuran dan geometri struktur zeolit serta ukuran molekul yang akan diserap. Selain itu, zeolit memiliki sifat yang tidak dimiliki oleh adsorben lain yaitu dapat menyerap molekul tertentu yang memiliki momen dipol permanen dan antaraksi yang selektif. 4.
Zeolit sebagai saringan molekul
Zeolit sebagai saringan molekul hanya dapat meloloskan molekul dengan ukuran yang lebih kecil daripada ukuran pori zeolit [Breck, 1974]. Kemampuan zeolit sebagai saringan molekul ini dapat dijadikan dasar bagi pembuatan membran zeolit. e.
Silicalite-1
Silicalite-1 merupakan salah satu jenis zeolit. Silicalite-1 pertama kali diperkenalkan oleh F. Lanigen et al sebagai senyawa polimorf silika baru [Alipcilar, 2000]. Silicalite-1 ini termasuk ke dalam tipe zeolit MFI. Tipe MFI (Mobile Five) adalah tipe zeolit yang memiliki struktur yang dibangun oleh 5-1 secondary building units (SBU) dengan nomor unit TO4 terkecil, dengan T adalah Si atau Al [Tosheva, 1999]. Struktur silicalite-1 hanya terdiri dari silika murni. Oleh karena itu, silicalite-1 memiliki jaringan yang bermuatan netral dan memiliki rasio Si/Al yang tinggi (tidak terbatas). Dengan muatan yang netral, silicalite-1 tidak berfungsi sebagai penukar ion namun dapat berfungsi sebagai saringan molekul. Contoh zeolit lain yang juga dapat berfungsi sebagai saringan molekul adalah ZSM-11. Silicalite-1 memiliki kemiripan struktur dengan zeolit ZSM-5 sehingga silicalite-1 sering juga disebut sebagai ZSM-5 yang bebas alumunium. Silicalite-1 memiliki dua sistem saluran yang berbeda yaitu saluran berkelok-kelok di sepanjang sumbu x dan saluran lurus di sepanjang sumbu y. Saluran yang lurus memiliki ukuran 0,53 nm x 0,56 nm sedangkan saluran berkelok-kelok memiliki ukuran 0,51 nm x 0,55 nm [Krishna, 2001].
10
Saluraan lurus
Saluran lurus = 0,995 nm
Tabung 0,25 nm
Saluran berkelo okkelok = 1,208 nm
Jari-jarri 0,2-0,4 nm
Saluran berrkelok-kelok
Gambar 2.3 2 Silicalitee-1 a) Strukttur Silicalitee-1 (b) Difuusi unit sel SSilicalite-1 [Krishna, 2001] s zeoliit dapat dilaakukan dengaan kristalisasi secara hid drotermal Secara konnvensional, sintesis terhadap laarutan aluminnosilikat dalaam lingkung gan yang berrsifat basa. L Larutan dibuaat dengan cara mencaampurkan larrutan silika dan d alumina dengan adaanya hidroksiida dan/atau senyawa organik. Larutan ini dapat mengkrristal dalam sistem hidrootermal yangg tertutup pada suhu antara 1000o-200oC. Teekanan yangg diberikan sama dengan tekanan uap jenuh air pada temperatur yang digunnakan dalam sintesis sed dangkan wakktu yang diggunakan dalaam reaksi bervariasi antara bebeerapa jam sampai beberapa hari. Silicalite-1 S jjuga dapat disintesis y lebar yaaitu antara 90o-200oC dengan meetode hidroterrmal ini padaa jangkauan temperatur yang dengan menggunakan basa b dan keraangka cetak (template) beerupa senyaw wa organik.
2.4.2 Beentonit Bentonit merupakan m saalah satu jennis tanah liaat. Nama benntonit diambbil dari nam ma daerah tempat benntonit pertam ma kali ditemukan, yaittu Fort Bentton, Wyomiing, Amerikaa Serikat [Sutandi, 1995]. Pembeentukan benttonit di alam m berlangsunng akibat prooses pelapuk kan tanah, p pengeendapan kim mia yang terjadi sejak proses hidrrotermal, prooses transforrmasi, dan proses zaman purbba [Subkhi, 1999]. Benttonit terdapaat di semua benua b kecuaali antartika. Bentonit memiliki banyak b warnaa, di antarannya putih, hijau terang, merah m bata, ccoklat, biru laangit dan kuning. Warna-warna W bentonit yaang beragam m ini disebabbkan oleh pperbedaan komposisi k mineral di dalam bentonit. Bentonnit memiliki tekstur yang halus. Jikaa ditambah air maka bentonit akkan terasa licin. Bentonit memiliki m rum mus molekuul Al2O3. 4SiO 4 2. H2O atau Al2Sii4O10(OH)2. Bentonit termasuk ke k dalam jenis tanah liat yang terdiri dari tiga lappisan yaitu kkisi Si-Al-Si. Lapisan 11
alumina (AlSi3O10)5- dan (Al2Si2O10)6- dengan struktur oktahedral berada di antara dua lapisan silika (Si4O10)4- dengan struktur tetrahedral. Kadang-kadang atom alumunium digantikan oleh atom magnesium atau besi. Muatan total yang negatif dalam bentonit dinetralkan dengan absorpsi kation yang bersifat dapat dipertukarkan. Biasanya kation ini adalah Ca2+, Mg2+, K+ atau Na+.
Gambar 2.4 Struktur bentonit a) silika tetrahedral tunggal , b) silika tetrahedral menyusun struktur heksagonal, c) unit oktahedral tunggal dan d) gabungan unit oktahedral [Origins of Life] Berdasarkan jenis kation yang dimilikinya, bentonit dibagi menjadi dua jenis, yaitu: 1. Bentonit natrium Bentonit natrium disebut juga bentonit swelling. Jenis bentonit ini memiliki lapisan air tunggal dan ion Na+ sebagai ion yang dapat dipertukarkan. Jenis bentonit ini memiliki kemampuan untuk mengembang jika ditambah air sehingga volum saat basah lebih besar daripada volum saat kering. 2. Bentonit kalsium Bentonit kalsium disebut juga bentonit non-swelling. Jenis bentonit ini memiliki lapisan air ganda dan ion Ca2+ sebagai ion yang dapat dipertukarkan. Jenis bentonit ini tidak memiliki kemampuan mengembang sebaik bentonit natrium. Bentonit dapat digunakan sebagai bahan dalam pembuatan kertas, pemurnian air, pembuatan kosmetik, pengolahan anggur, aditif dalam pakan ternak, penawar racun logam berat, dan pengadsorpsi zat warna dalam pengolahan minyak kelapa sawit. Selain itu, bentonit juga dapat digunakan dalam pembentukan pasir dan pengeboran minyak bumi.
12
2.5
Pembuatan Membran
Pembuatan membran komposit silicalite-1 terdiri dari 3 tahapan, yaitu: 1.
Pembuatan material pendukung membran berpori mikro dari bahan bentonit
2.
Pelapisan zeolit jenis silicalite-1 pada permukaan material pendukung membran bentonit kemudian dikeringkan
3.
2.6
Sintering di dalam tungku pembakar
Sistem filtrasi aliran tangensial
Filtrasi aliran tangensial merupakan suatu proses filtrasi dengan memberikan aliran bertekanan pada larutan umpan atau influen. Sejumlah larutan umpan dipermeasikan melalui membran, sedangkan larutan umpan yang tidak mengalami proses penyaringan bergerak di sepanjang membran dan dikeluarkan dari sistem. Sistem filtrasi ini dinamakan sistem filtrasi aliran tangensial karena larutan umpan dan konsentrat tidak mengalir secara tegak lurus terhadap membran, melainkan mengalir secara paralel melalui membran. Efektivitas proses penyaringan dengan sistem ini bergantung pada ukuran pori yang dibentuk di dalam membran. Dengan ukuran pori yang sesuai, sistem filtrasi aliran tangensial ini bersifat lebih efektif daripada membran osmosis balik, filtrasi nano, filtrasi ultra dan filtrasi mikro. Keuntungan lain dari sistem filtrasi aliran tangensial ini yaitu kontaminan yang menyumbat pori dapat dibersihkan dengan cara pembilasan balik (backwashing) [Sibarani, 1994]. Ada dua metode dasar yang digunakan dalam proses pemisahan, yaitu sistem aliran tunggal dan sistem aliran kontinu. Kedua sistem ini ditunjukkan pada Gambar 2.5. umpan
konsentrat Permeat a)
umpan
konsentrat permeat b)
Gambar 2.5 Aliran tangensial a) aliran tunggal b) aliran kontinu [Sibarani, 1994]
13
Dalam sistem aliran tunggal, aliran umpan hanya sekali melewati membran sedangkan dalam sistem aliran kontinu, aliran umpan akan terus berulang melewati membran. Sistem aliran kontinu dapat digunakan untuk proses pemisahan secara kontinu karena pada saat proses pemisahan berlangsung volum umpan tidak banyak berkurang setiap waktunya. Laju alir larutan umpan pada filtrasi ultra aliran tangensial sangat besar dan bersifat turbulen. Laju alir yang besar dan bersifat turbulen dapat meningkatkan koefisien transfer massa [Sibarani, 1994].
2.7
Efisiensi kinerja membran
Efisiensi kerja membran ditentukan oleh dua parameter yaitu selektivitas dan fluks zat yang berpermeasi menembus membran. Fluks atau laju permeasi didefinisikan sebagai volum larutan yang menembus membran per unit area dan waktu [Mulder, 1996]. Satuan yang digunakan untuk fluks yaitu L m-2 jam-1, L m-2 hari-1, dan L cm3 cm-2 jam-1 [Mulder, 1996]. Selektivitas membran dalam memisahkan campuran secara umum ditunjukkan oleh dua parameter, yaitu rejeksi (R) atau faktor pemisahan (α) [Mulder, 1996]. Istilah rejeksi digunakan saat pemisahan campuran larutan, sedangkan istilah faktor pemisahan digunakan saat pemisahan gas atau campuran larutan organik. Rejeksi (R) dinyatakan sebagai: R=
c f − cp cf
=1−
cp cf
dengan cf adalah konsentrasi larutan dalam larutan umpan dan cp adalah konsentrasi larutan dalam permeat. R bervariasi antara 100% (rejeksi terjadi secara sempurna pada larutan, dalam kasus ini membran bersifat semipermeabel ideal) dan 0% (larutan dan pelarut lolos melalui membran) [Mulder, 1996]. Persamaan faktor pemisahan: αA/B =
yA yB xA xB
dengan yA dan yB adalah konsentrasi komponen A dan B dalam permeat dan xA dan xB adalah konsentrasi komponen A dan B dalam larutan umpan. Jika laju permeasi komponen A yang menembus membran lebih besar daripada komponen B maka faktor pemisahan dinotasikan sebagai αA/B. Sebaliknya, jika laju permeasi komponen B melalui membran lebih besar daripada komponen A maka faktor pemisahan dinotasikan sebagai αB/A. Jika nilai αA/B sama dengan αB/A yaitu bernilai 1 maka tidak terjadi pemisahan.
14
2.8 2.8.1
Karakterisasi membran Scanning Electron Microscope
Scanning electron microscope (SEM) adalah suatu instrumen yang dipergunakan dalam karakterisasi permukaan. Mekanisme kerja SEM terdiri dari beberapa tahapan. Pertamatama, berkas elektron “menyapu” permukaan spesimen, titik demi titik dengan sapuan membentuk garis mirip seperti gerakan mata orang yang sedang membaca. Kemudian elektron dipantulkan kembali sebagai elektron sekunder. Elektron sekunder ini ditangkap oleh detektor, diolah dan ditampilkan pada layar. Data atau tampilan yang diperoleh adalah data permukaan atau lapisan dengan ketebalan sekitar 20 μm dari permukaan. Dengan pembesaran tertentu, topografi permukaan terlihat memiliki tonjolan atau lekukan yang beragam. Karakterisasi dengan SEM memerlukan permukaan sampel yang bersifat konduktif. Oleh karena itu, permukaan sampel yang bersifat nonkonduktif harus diberi perlakuan awal terlebih dahulu. Perlakuan awal ini berupa pemberian lapisan tipis emas. Proses pelapisan ini dilakukan dengan menggunakan evaporator vakum. Gangguan pada analisis SEM dapat berupa efek charging. Efek ini terjadi akibat adanya material nonkonduktif pada permukaan sampel, misalnya kotoran atau keringat sehingga foto SEM terlihat sangat terang. Untuk mencegah gangguan ini maka permukaan spesimen harus bersih dari kotoran dan keringat. SEM dapat digunakan dalam banyak aplikasi yaitu untuk evaluasi material, analisis gangguan dan kendali mutu. Dalam evaluasi material, SEM digunakan untuk mengetahui ukuran partikel, analisis permukaan, porositas, distribusi ukuran partikel, homogenitas material, dan distribusi antarlogam. Dalam analisis gangguan, SEM digunakan untuk mengetahui lokasi kontaminasi, dan lokasi cacat permukaan. Dalam kendali mutu, SEM digunakan untuk membedakan sampel yang baik dan yang buruk [Radiological & Environmental Management, 2006].
2.8.2
Difraksi Sinar-X
Sinar-X merupakan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang 1 Å. Sinar-X muncul di antara sinar gama dan sinar ultraviolet dalam spektrum elektromagnetik. Sinar-X ditemukan pada tahun 1895 oleh Wilhelm Conrad Roentgen. Untuk penemuan ini, Rontgen mendapat hadiah nobel pada tahun 1901. Hadiah nobel ini merupakan hadiah nobel pertama dalam bidang fisika.
15
Sejak ditemukan, sinar-X telah digunakan untuk analisis tidak merusak pada material maupun manusia. Analisis dengan menggunakan sinar-X menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan untuk analisis kuantitatif maupun kualitatif. Sinar-X dihasilkan dari tumbukan antara elektron berkecepatan tinggi dengan logam target. Alat penghasil sinar-X terdiri atas beberapa komponen, yaitu sumber elektron (katode), tegangan tinggi untuk mempercepat elektron dan logam target (anode) [West, 1984]. Saat suatu material ditembak dengan sinar-X, besar intensitas sinar yang ditransmisikan akan lebih rendah daripada besar intensitas sinar yang datang. Hal ini terjadi karena adanya penyerapan intensitas oleh material dan penghamburan sinar oleh atom-atom di dalam material tersebut. Berkas sinar-X dengan fasa yang sama bersifat saling menguatkan sedangkan berkas sinar-X dengan fasa yang berbeda bersifat saling meniadakan. Berkas sinar-X dengan fasa yang sama muncul sebagai berkas difraksi. Berkas difraksi sinar-X ini memenuhi hukum Bragg: n λ = 2 sin θ Difraksi sinar-X adalah metode karakterisasi yang paling penting digunakan dalam kimia padatan dan material. Difraksi sinar-X digunakan untuk dua tujuan yaitu karakterisasi daerah sidik jari bagi material kristalin dan penentuan struktur, seperti cara atom bergabung dalam fase kristalin dan jarak antaratom, sudut ikatan dan lain-lain [West, 1984].
2.9
Spektrofometri Serapan Atom
Spektrofotometri serapan atom (SSA) adalah teknik yang paling banyak digunakan dalam analisis kandungan logam renik. Teknik SSA memiliki kelebihan, di antaranya sensitivitas, selektivitas dan presisi yang tinggi. Selain itu, teknik ini sederhana dan tidak memerlukan waktu analisis yang lama. Dasar teknik analisis ini adalah absorpsi sinar dengan panjang gelombang tertentu oleh atom-atom yang dianalisis yang berada pada tingkat energi dasar. Skema alat SSA: ☼→█→▒→►→■→¡ 1
2
3
4
5
6
Alat spektrofotometri serapan atom terdiri dari 1) sumber sinar, 2) modulator, 3) nyala, 4) monokromator, 5) detektor dan 6) layar penampil. Sumber sinar yang digunakan dalam instrumen SSA adalah lampu katode berongga. Lampu ini banyak digunakan dalam teknik analisis SSA karena dapat menyediakan garis sinar yang
16
sempit. Hal ini diperlukan karena lebar garis sinar harus lebih sempit daripada lebar garis absorpsi [Gamboa, 2003]. Lampu katode berongga terbuat dari tabung gelas yang berisi katode dan anode. Katode terbuat dari unsur yang sama dengan unsur yang dianalisis sehingga menghasilkan emisi sinar yang khas [Gamboa, 2003]. Sinar dari lampu katode berongga ini akan melewati sampel yang berupa atom-atom dalam keadaan gas. Kemudian atom-atom tersebut mengabsorpsi sinar dari lampu katoda berongga sehingga terjadi eksitasi. Atom-atom yang tereksitasi akan memancarkan juga sinar dengan panjang gelombang yang khas. Baik sinar yang diserap maupun sinar yang dipancarkan tadi akan dideteksi oleh detektor. Hal ini menyebabkan pengukuran penyerapan sinar yang diabsorpsi oleh atomatom dari lampu katoda berongga menjadi terganggu. Untuk mengatasi hal ini, dibuat sistem modulasi sehingga detektor hanya mengukur perubahan intensitas cahaya yang diemisikan oleh lampu katoda berongga sedangkan emisi yang berasal dari unsur dalam nyala tidak ikut terukur. Menurut hukum Lambert-Beer, jumlah sinar yang diabsorpsi oleh sampel sebanding dengan konsentrasi sampel yang dianalisis. Hukum Lambert-Beer diberikan oleh persamaan: A = log
I It
=axbxc
dengan A menunjukkan absorbansi, I0 menunjukkan intensitas sinar yang datang, It menunjukkan intensitas sinar yang diteruskan setelah melewati sinar, a menunjukkan tetapan absoptivitas molar, b menunjukkan tebal kuvet (cm) dan c menunjukkan konsentrasi sampel (M atau ppm). Konsentrasi larutan sampel dapat diketahui dengan mengukur absorbansi sampel kemudian mengalurkan nilai absorbansi tersebut ke dalam kurva kalibrasi. Kurva kalibrasi adalah kurva yang diperoleh dari pengaluran nilai absorbansi larutan standar terhadap konsentrasi larutan standar. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi kerja instrumen AAS, yaitu: 1.
Kestabilan sumber sinar Sumber sinar harus menghasilkan sinar yang intensitasnya tetap dan stabil karena mempengaruhi jumlah sinar yang diabsorpsi oleh sampel
2.
Profil nyala Profil nyala adalah kurva yang menyatakan hubungan antara absorbans dengan tinggi pembakar. Profil nyala berkaitan dengan tinggi pembakar yang menghasilkan absorbans yang maksimum.
3.
Pengaruh komposisi gas bakar Komposisi gas bakar mempengaruhi suhu nyala. Suhu nyala yang panas dapat mengeksitasi atom seluruhnya. Namun, suhu nyala yang terlalu tinggi dapat menyebabkan terjadinya ionisasi unsur yang dianalisis.
17
4.
Kepekaan dan daerah konsentrasi Kepekaan adalah konsentrasi unsur dalam larutan yang menghasilkan perubahan sebesar 0,0044 satuan absorbansi terhadap larutan blangko sedangkan daerah konsentrasi adalah rentang konsentrasi unsur yang dianalisis yang dapat menghasilkan nilai absorbans antara 0,2 sampai 0,8. S=
, tan θ
C=
AxS ,
dengan tan θ menunjukkan kemiringan grafik A terhadap konsentrasi, S menunjukkan kepekaan, C menunjukkan konsentrasi (M atau ppm) dan A menunjukkan absorbansi. Dalam teknik analisis SSA dapat terjadi gangguan analisis. Gangguan ini berupa peristiwaperistiwa yang menyebabkan pembacaan absorbansi dari atom-atom unsur yang dianalisis menjadi lebih kecil atau lebih besar daripada nilai yang seharusnya. Gangguan ini dapat berupa: 1.
Gangguan matriks cuplikan, yang terjadi karena kondisi larutan misalnya pH, viskositas, berat jenis dan sifat fisik lainnya tidak sama di dalam larutan cuplikan dengan larutan standar. Gangguan ini dapat diatasi dengan cara membuat kondisi fisik larutan sampel sama dengan larutan standar.
2.
Gangguan kimia yang mempengaruhi banyaknya atom-atom yang terjadi di dalam nyala. Gangguan ini dapat terjadi akibat tiga hal yaitu: a.
Terjadi disosiasi tidak sempurna senyawa-senyawa di dalam nyala akibat terbentuknya senyawa refraktori (sukar terurai dalam nyala) seperti senyawa silikat, fosfat dan aluminat. Ini mengakibatkan konsentrasi atom-atom logam yang dianalisis menjadi lebih kecil daripada konsentrasi sebenarnya. Gangguan ini dapat diatasi dengan cara menambah unsur pembebas seperti stronsium dan lantanum.
b.
Terjadi ionisasi atom-atom di dalam nyala yang disebabkan karena temperatur nyala terlalu tinggi. Ionisasi atom-atom menyebabkan jumlah atom netral berkurang. Gangguan ini dapat diatasi dengan penambahan unsur yang memiliki potensial ionisasi lebih rendah daripada atom yang akan dianalisis.
c.
Terjadi serapan oleh molekul-molekul yang terdisosiasi dalam nyala. Hal ini dapat terjadi akibat dua faktor yaitu konsentrasi cuplikan terlalu tinggi dan suhu nyala kurang tinggi. Gangguan analisis ini dapat diatasi dengan bekerja pada panjang gelombang yang lebih tinggi atau dengan menggunakan nyala api pada suhu yang lebih tinggi.
18
