ASAM SITRAT SEBAGAI LAPISAN PELINDUNG UNTUK MENGURANGI LAJU KOROSI PADA LOGAM
ELIS MARYATI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
ABSTRAK ELIS MARYATI. Asam Sitrat Sebagai Lapisan Pelindung Untuk Mengurangi Laju Korosi Pada Logam. Dibimbing oleh TUTI SETIAWATI dan SULISTIOSO GIAT SUKARYO. Korosi pada logam sangat merugikan. Sehingga, perlu ada suatu cara yang mudah untuk mengurangi laju korosi pada logam. Penelitian ini bertujuan mengetahui kemampuan asam sitrat sebagai lapisan pelindung untuk mengurangi laju korosi pada logam. Konsentrasi asam sitrat yang digunakan adalah 50, 60, dan 70 % dengan lama pencelupan 30, 60, dan 90 menit. Pengamatan laju korosi dilakukan di lingkungan udara dan lingkungan air. Di lingkungan udara, laju korosi logam yang dilapisi asam sitrat lebih rendah jika dibandingkan dengan logam yang tidak dilapisi asam sitrat. Hal sebaliknya terjadi di lingkungan air. Laju korosi logam yang dilapisi asam sitrat secara umum meningkat sebanding dengan konsentrasi dan lama pencelupan. Asam sitrat dapat digunakan sebagai lapisan pelindung untuk mengurangi laju korosi pada logam di lingkungan udara dengan mekanisme pasivasi, tetapi tidak dapat digunakan di lingkungan air. Laju korosi di lingkungan air untuk konsentrasi 50, 60, dan 70 % dengan lama pencelupan untuk setiap konsentrasi 30, 60, dan 90 menit berturut-turut adalah 2.51, 2.69, 2.86, 2.90, 3.37, 3.91, 4.04, 8.15, 10.67, dan 2.84 miliinci per tahun.
ABSTRACT ELIS MARYATI. Citric Acid as Protective Layer to Reduce Corrosion Rate on Metals. Under the direction of TUTI SETIAWATI and SULISTIOSO GIAT SUKARYO. Corrosion of metals can make an enormous loss. So, there should be an easy methods to reduce corrosion rate. This research was aimed to know citric acid capability as protective layer to reduce corrosion rate on metal. Citric acid concentrations used in this research were 50, 60, and 70 % with 30, 60, and 90 minutes immersion time. Corrosion rate was observed in air and water environments. In air, citric acid layer reduced corrosion rate, but in water it was increasing. Citric acid could be used as protective layer to reduce corrosion rate on metals with passivation mechanism in air environment, but could not be used in water environment. Corrosion rate of 50, 60, and 70 % citric acid with 30, 60, and 90 minutes immersion time in water were 2.50, 2.69, 2.86, 2.90, 3.37, 3.91, 4.04, 8.15, 10.67, and 2.84 miliinchi per years respectively.
ASAM SITRAT SEBAGAI LAPISAN PELINDUNG UNTUK MENGURANGI LAJU KOROSI PADA LOGAM
ELIS MARYATI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2006
Judul Nama NIM
: Asam Sitrat Sebagai Lapisan Pelindung Untuk Mengurangi Laju Korosi pada Logam. : Elis Maryati : G01400008
Menyetujui:
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dra. Tuti Setiawati, M. S. NIP 132053496
Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M. T. NIP 330003902
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M. S. NIP 131473999
Tanggal Lulus:
…Seiring sujud syukur pada-Nya Ku persembahkan karya ini Untuk kedua orang tua Keluarga tercinta dan yang menyayangiku…
PRAKATA Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga dimudahkan dan diberi kekuatan dalam menyusun laporan penelitian ini. Shalawat dan salam selalu tercurah kepada Rasulullah SAW yang telah memberi teladan mulia menuju jalan yang diridhoi-Nya. Penelitian ini berjudul Asam Sitrat Sebagai Lapisan Pelindung Untuk Mengurangi Laju Korosi pada Logam. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Kimia Analitik IPB dan Laboratorium Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN, kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang dari bulan Juni sampai dengan Desember 2005. Penelitian ini dilaksanakan dalam rangka memenuhi tugas akhir sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia, FMIPA IPB. Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dra. Tuti Setiawati, M.S. dan Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M.T. selaku pembimbing, kepada staff dan karyawan PTBINBATAN terutama Drs. Wagiyo, M.T., Drs. Supardi, M. Ihsan, S.Si, Drs. Bambang Sugeng, M.T., dan Ari Handayani, BE. Kepada karyawan Puspiptek anggota bus Bogor, kepada staff dan karyawan Laboratorium Kimia Analitik IPB. Ungkapan terimakasih juga disampaikan kepada kedua orang tua dan keluarga tercinta atas doa, dukungan dan pengorbanannya. Kepada rekan-rekan kimia 37, rekan-rekan kimia 38 terutama Amalia, teman-teman di Az-Zahiroh, dan Istana 17 atas persaudaraannya. Tak lupa kepada rekanrekan dari UAD, Undip, Unila, dan UI atas kebersamaannya selama ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan laporan penelitian ini masih terdapat kekurangan. Oleh karena itu, saran dan kritik yang membangun sangat dibutuhkan. Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi semua pihak, Amin. Bogor, April 2006
Elis Maryati
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Sukabumi pada tanggal 13 Mei 1981 dari pasangan Didih dan Euis Nuryati. Penulis merupakan putri pertama dari empat bersaudara. Penulis memulai pendidikan formal di SD N Caringin IV pada tahun 1988-1994, dilanjutkan di SLTP N 2 Cibadak pada tahun 1994-1997 serta SMU N Cisaat pada tahun 1997-2000. Pada tahun yang sama, penulis diterima sebagai salah satu mahasiswi di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum mata kuliah Kimia Analitik untuk program studi TPG pada tahun ajaran 2003/2004 dan 2004/2005, mata kuliah Kimia Analitik untuk program Diploma III FAHUTAN pada tahun ajaran 2004/2005. Penulis juga aktif menjadi anggota Badan Kerohanian Islam Mahasiswa IPB. Selain itu penulis pernah melaksanakan Praktik Lapangan di Laboratorium Makanan Olahan Balai Besar Industri Agro, Bogor dari bulan Juli sampai bulan Agustus 2004.
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR TABEL.................................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR ................................................................................................ ix DAFTAR LAMPIRAN............................................................................................. x PENDAHULUAN .................................................................................................... 1 TINJAUAN PUSTAKA Korosi ............................................................................................................. Pasivasi ........................................................................................................... Teknik Pengukuran Korosi di Lingkungan Air .............................................. Asam Sitrat ..................................................................................................... Analisis Fase....................................................................................................
1 2 2 3 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ............................................................................................... 4 Metode Penelitian ........................................................................................... 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pelapisan Dengan Asam Sitrat........................................................................ Analisis Fase................................................................................................... Korosi di Lingkungan Udara .......................................................................... Korosi di Lingkungan Air...............................................................................
5 6 6 7
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan......................................................................................................... 8 Saran ............................................................................................................... 8 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 8 LAMPIRAN.............................................................................................................. 9
DAFTAR TABEL
Halaman 1 Tebal lapisan asam sitrat ....................................................................................... 5 2 Laju korosi dalam medium air .............................................................................. 7
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Plot tafel ............................................................................................................... 2 2 Tahanan polarisasi ............................................................................................... 3 3 Potensiodinamik................................................................................................... 3 4 Sel tiga-elektrode ................................................................................................. 3 5 Struktur asam sitrat .............................................................................................. 3 6 Difraksi sinar-X ................................................................................................... 4 7 Kompleks asam sitrat dengan logam ................................................................... 5 8 Struktur permukaan logam................................................................................... 6 9 Difraktogram logam tanpa lapisan asam sitrat..................................................... 6 10 Difraktogram logam dengan lapisan asam sitrat.................................................. 6 11 Struktur permukaan logam setelah satu bulan ..................................................... 6 12 Logam yang dilapisi asam sitrat setelah pemanasan............................................ 7 13 Potensiodinamik logam tanpa lapisan asam sitrat................................................ 7 14 Potensiodinamik logam dengan lapisan asam sitrat.............................................. 7
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman 1 Komposisi dan bobot ekivalen logam.................................................................. 10 2 Densitas logam..................................................................................................... 11 3 Diagram alir penelitian ........................................................................................ 12 4 Kelarutan dan tebal lapisan asam sitrat................................................................ 13 5 Analisis fase menggunakan difraksi sinar-X........................................................ 14 6 Analisis gravimetri termal.................................................................................... 15 7 Perhitungan laju korosi dalam medium air .......................................................... 16 8 Tahanan polarisasi dalam medium air ................................................................. 17 9 Potensiodinamik dalam medium air..................................................................... 19
1
PENDAHULUAN
TINJAUAN PUSTAKA
Logam merupakan material yang banyak digunakan dalam menunjang kebutuhan hidup manusia. Adanya korosi pada logam sangat merugikan, karena logam menjadi mudah rusak. Biaya tahunan untuk korosi di Amerika Serikat saja diperkirakan mencapai sepuluh miliar dolar (Oxtoby et al. 2001). Oleh karena itu, perlu ada suatu cara yang mudah untuk mengurangi laju korosi pada logam. Korosi dapat dikurangi dengan berbagai cara, salah satunya adalah dengan pemberian lapisan pelindung. Lapisan pelindung yang dikenakan ke permukaan logam dimaksudkan baik untuk memisahkan lingkungan dari logam, maupun mengendalikan lingkungan mikro pada permukaan logam (Trethewey & Chamberlain 1991). Metode yang sangat penting untuk melindungi logam diperoleh dari fenomena pasivasi (Oxtoby et al. 2001). Pasivasi adalah proses ketika logam mampu menahan supaya tidak terjadi korosi dengan lingkungannya. Pasivasi juga diartikan sebagai perubahan sifat permukaan logam dari aktif menjadi kurang reaktif (ASM 1990). Metode tradisional pada pasivasi logam adalah menggunakan asam nitrat (Anonim 2005). Penggunaan asam nitrat berbahaya bagi lingkungan, sehingga diperlukan bahan lain yang lebih aman digunakan untuk pasivasi logam. Asam sitrat merupakan bahan yang dapat digunakan sebagai pengganti asam nitrat. Asam sitrat lebih aman digunakan jika dibandingkan dengan asam nitrat (Anonim 2005). Penelitian ini bertujuan mengetahui kemampuan asam sitrat sebagai lapisan pelindung dalam mengurangi laju korosi pada logam di lingkungan udara dan lingkungan air.
Korosi
Manfaat penelitian ini adalah agar mekanisme perlindungan asam sitrat dalam mengurangi laju korosi pada logam dapat membantu memperpanjang masa simpan logam yang siap diproses, terutama pada industri kecil dan rumah tangga. Hipotesis penelitian ini adalah pelapisan logam dengan asam sitrat dapat mengurangi laju korosi pada logam.
Proses korosi Korosi dapat didefinisikan sebagai proses rusaknya suatu padatan karena reaksi kimia atau elektrokimia yang terjadi pada permukaan padatan tersebut. Pada umumnya reaksi korosi pada logam adalah reaksi elektrokimia karena adanya elektron yang bebas bergerak pada kisi logam (Sulungbudi & Wuryanto 1996). Korosi pada logam diartikan sebagai karat pada logam. Korosi didefinisikan sebagai kerusakan atau penurunan kualitas suatu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungan (ASM 1990). Korosi dari sepotong logam dapat dikatakan sebagai perubahan dari logam menjadi ion logam atau kehilangan satu atau lebih elektron dari atom tunggal. Reaksi korosi suatu logam M biasa dinyatakan dalam persamaan sederhana berikut ini: M Mn+ + n elogam muatan positif muatan negatif ion logam elektron Pada proses korosi, akan terjadi perpindahan elektron yang akan menyebabkan reaksi oksidasi dan reduksi (Komarudin 2004). Salah satu contoh proses korosi adalah pada reaksi elektrokimia spontan dari besi. Korosi dapat digambarkan sebagai sel galvani yang mempunyai “hubungan pendek”, di mana beberapa daerah permukaan logam bertindak sebagai katode dan lainnya sebagai anode, dan “rangkaian” listrik dilengkapi oleh aliran elektron menuju besi itu sendiri. Sel elektrokimia terbentuk pada bagian logam di mana terdapat pengotor atau di daerah yang terkena tekanan. Reaksi pada anode sebagai berikut: Fe (s) Fe 2+ (aq) + 2 eReaksi pada katode bervariasi. Dengan tidak adanya oksigen, reaksi korosi menjadi: Fe(s) 2 H2O (l) + 2 eFe(s) + 2 H2O(l)
Fe2+(aq) + 2 e- (anode) 2 OH-(aq) + H2(g) (katode) Fe2+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g)
Namun reaksi ini umumnya lambat, dan tidak menimbulkan korosi yang serius. Korosi yang
2
jauh lebih ekstensif berlangsung jika besi kontak dengan oksigen dan air. Dalam hal ini reaksi pada katode adalah: ½O2(g) + 2 H3O+(aq) + 2 e3H2O(l) Ion Fe2+ yang terbentuk secara simultan pada anode bermigrasi ke katode, selanjutnya dioksidasi oleh O2 membentuk karat (Fe2O3.xH2O) ( Oxtoby et. al. 2001).
permukaaan logam (Komarudin 2004).
dengan
elektrolit
Pengukuran Korosi di Lingkungan Air Karena peristiwa korosi adalah suatu proses elektrokimia, maka metode elektrokimia dapat digunakan untuk mempelajari dan mengukur suatu sistem korosi (Ihsan et al. 2001). Beberapa teknik pengukuran korosi adalah:
Faktor-faktor yang mempengaruhi korosi A Plot tafel Korosi terjadi karena logam berinteraksi dengan lingkungannya. Oleh karena itu, faktor-faktor yang mempengaruhi proses korosi ditentukan oleh logam itu sendiri (faktor internal) dan faktor lingkungan tempat logam itu berada (faktor eksternal). Faktor-faktor internal. Keragaman struktur, perlakuan panas, segregasi, pendinginan, pengerjaan permukaaan, dan keberadaan kerak adalah faktor yang selalu ada di dalam logam. Faktor-faktor eksternal. Fenomena korosi merupakan interaksi elektrokimia yang terjadi antara logam dengan lingkungannya. Lingkungan dalam reaksi elektrokimia ini berfungsi sebagai elektrolit yang ikut berperan dalam menentukan kecenderungan terjadinya korosi. Lingkungan tersebut meliputi udara, air, dan tanah (Komarudin 2004). Pasivasi Pasivasi didefinisikan sebagai hilangnya reaktifitas kimia bahan dalam kondisi atau lingkungan tertentu. Perubahan perilaku kimia logam dan perilaku korosi memunculkan definisi pasivasi sebagai berikut: 1 Logam atau paduan yang disusun dari beberapa logam dianggap pasif apabila perilaku elektrokimianya kurang aktif. 2 Logam atau paduan dianggap pasif jika logam tersebut menahan supaya tidak terjadi korosi dengan lingkungannya, secara termodinamika terdapat energi bebas yang sangat besar. Energi bebas ini menurun seiring proses perubahan dari keadaan logam ke produk korosi yang sesuai. Pasivasi umumnya terjadi akibat pembentukan lapisan pelindung pada antar muka antara logam dengan elektrolit. Lapisan ini mencegah kontak langsung antara
Plot tafel berguna untuk menentukan kostanta tafel dan arus korosi (Icorr). Konstanta tafel anodik ditentukan di daerah linier anodik dan konstanta tafel katodik di daerah linier katodik, sedangkan Icorr didapatkan dari kemiringan (Gambar 1). Daerah E (mV) polarisasi linier
Ecor
Kurva anode
Kurva katode
r
Icorr
Kerapatan arus (µA cm-2)
Gambar 1 Plot tafel. B Tahanan polarisasi Tahanan polarisasi merupakan ketahanan spesimen terhadap oksidasi selama diberi potensial luar. Penggunaan tahanan polarisasi yang paling utama adalah menentukan kecepatan korosi, namun harus ditentukan nilai Icorr dan konstanta tafel dari kurva tafel. Tahanan polarisasi diperoleh dari rumus berikut βAβC ΔE = RP = ΔI (2.3I corr )(β A + β C ) Keterangan: Rp = tahanan polarisasi Icorr = arus korosi βA,βC = konstanta tafel anode dan katode 2.3 = bilangan natural log sepuluh Setelah didapatkan Icorr, maka laju korosi dapat dihitung dengan persamaan berikut
3
Laju korosi (mpy) = 0.13I corr x
BE Ad
Keterangan: BE = bobot ekivalen (g ekivalen-1) A = luas permukaan (cm2) d = densitas (g cm-3) 0.13 = faktor konversi Mpy = miliinci per tahun Perhitungan bobot ekivalen dan densitas logam terdapat pada Lampiran 1 dan 2. Dua kelebihan tahanan polarisasi dibandingkan teknik lain yaitu pengukuran Rp dapat dilakukan dengan cepat dan teknik ini mengenakan spesimen potensial yang lebih kecil sehingga tidak mengubah permukaan secara signifikan (Gambar 2). E (mV)
Analisis korosi dalam medium air menggunakan sel tiga-elektrode. Sel tigaelektrode merupakan perangkat laboratorium yang digunakan untuk penelitian kuantitatif terhadap sifat-sifat korosi suatu logam (Abdul & Latief 1996). Sel tiga-elektrode mempunyai tiga komponen utama, yaitu elektrode kerja, elektrode pembantu, dan elektrode acuan ( Gambar 4). Elektrode pembantu Elektrode acuan
Elektrode kerja (spesimen logam)
Larutan uji
Gambar 4 Sel tiga-elektrode. ∆E ∆I
Kerapatan arus (µA cm-2 )
Gambar 2 Tahanan polarisasi. C Potensiodinamik
Teknik ini berguna untuk menentukan karakterisasi daerah aktif dan pasif dari sistem logam-larutan. Pemberian potensial dilakukan ke arah anodik sehingga cukup untuk mengoksidasi. Kurva potensiodinamik menggambarkan sifat sampel yakni pasif atau aktif dan dapat diketahui sifat pasivasi terjadi secara spontan atau perlu dipolarisasi (Gambar 3). E (mV)
transpasif
Ep
pasif
Epp aktif
Ecorr ipass
Kerapatan arus (µA cm-2 )
Gambar 3 Potensiodinamik.
Asam Sitrat
Asam sitrat atau asam-2-hidroksi-1,2,3propanatrikarboksilat terdapat dalam jumlah besar pada sistem biologis. Asam sitrat memiliki berbagai fungsi yang memungkinkan untuk digunakan dalam berbagai bidang. Adanya satu gugus hidroksil dan tiga gugus karboksil memungkinkan pembentukan molekul kompleks yang dapat larut pada suatu bahan (Kirk-Othmer 1964). Asam sitrat merupakan asam organik lemah yang ditemukan dalam buah jeruk. Keasaman asam sitrat dihasilkan dari tiga gugus karboksil (-COOH) yang dapat melepaskan proton dalam larutan. Jika proton lepas maka akan terbentuk ion sitrat. Ion sitrat membentuk garam yang disebut sitrat dengan beberapa ion logam (Anonim 2005). COOH HOOC
CH2
C
CH2
COOH
OH Gambar 5 Struktur asam sitrat. Asam sitrat mempunyai rumus molekul C6H8O7 dengan bobot molekul 192.13 satuan massa atom (sma). Adapun tetapan-tetapan yang berhubungan dengan sifat asam sitrat adalah sebagai berikut: Titik leleh : 153oC ο Suhu dekomposisi : 175 C termal Pka1 : 3.15 Pka2 : 4.77
4
Pka3 : : ∆Hof S° : Densitas :
5.19 - 1543.8 Kj mol-1 252.1 Jmol-1K-1 1.665 x 103 kg m-3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat
Asam sitrat digunakan dalam logam, sebagai chemical cleaning, electropickling dan copperplating. Penggunaan asam sitrat dalam skala industri antara lain sebagai pembersih logam, removal karat dan kerak, dan sebagainya (Kirk-Othmer 1964). Pasivasi dengan asam sitrat telah diketahui kegunaannya untuk beberapa jenis logam (Anonim 2005).
Metode Penelitian
Analisis Fase
Sinar-X yang merupakan radiasi elektromagnet dengan panjang gelombang sekitar 100 pm dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron energi tinggi. Elektron itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menghasilkan radiasi dengan jarak panjang gelombang kontinu yang disebut Bremsstrahlung. Pada kontinum itu, tertumpuk beberapa puncak tajam berintensitas tinggi. Puncak ini berasal dari antaraksi antara elektron datang dengan elektron pada kulit dalam atom. Tumbukan itu mengeluarkan sebuah elektron, dan elektron dengan energi lebih tinggi masuk ke tempat kosong, dengan memancarkan kelebihan energinya sebagai foton sinar-X (Atkins 1997). Derajat perubahan fase atau ketidak sejajaran adalah sama dengan jarak ABC. Interferensi konstruktif atau difraksi terjadi ketika dua gelombang keluar . Hal ini terjadi ketika jarak ABC = 1 λ atau 2 λ atau 3 λ atau secara umum ketika n λ = ABC, dengan n adalah bilangan bulat. Jarak ABC pada persamaan tersebut diperoleh dengan mengukur derajat θ. Untuk melakukan hal ini, dapat dilihat pada segi tiga ABO dan diperoleh d sin θ = AB atau 2 d sin θ = ABC. Sehingga kondisi untuk difraksi adalah n λ = 2 d sin θ (Gambar 6). 1
1’
2
2’
3
Bahan-bahan yang digunakan adalah baja tipe JIS G3141 yang diperoleh dari PT Krakatau Steel, asam sitrat, air destilata, dan air PAM. Alat-alat yang digunakan adalah alat pemotong logam, kertas ampelas, mikroskop optik, peralatan difraksi sinar-X, potensiostat EG & G model 273 yang dilengkapi model 342 Softcorr Corrosion Measurement Software, sel tiga-elektrode, peralatan Thermal Gravimetry Analysis (TGA), dan peralatan kaca lainnya.
O
θ D
d
θ C
A d B
E
F
Gambar 6 Difraksi sinar-X.
3’
Persiapan sampel
Logam dipotong menggunakan alat pemotong menjadi bentuk persegi panjang dengan ukuran ± 15 x 10 mm dan bulat dengan diameter ± 15 mm. Kemudian dipoles menggunakan kertas ampelas yang memiliki spesifikasi tingkat kehalusan 60 sampai 800 grit.
Pelapisan dengan asam sitrat
Setelah logam dibersihkan, logam dicelupkan ke dalam larutan asam sitrat. Konsentrasi asam sitrat yang digunakan adalah 50, 60, dan 70 %. Lama pencelupan adalah 30, 60, dan 90 menit. Setelah dicelupkan ke dalam larutan asam sitrat, logam diangkat dan dikeringkan. Selanjutnya, sampel dianalisis struktur permukaannya, dianalisis fasenya, dan diamati laju korosinya. Diagram alir penelitian secara lengkap terdapat pada Lampiran 3. Analisis struktur permukaan dan Fase Pengamatan dengan mikroskop optik pada permukaan dilakukan sebelum dan setelah dilapisi dengan asam sitrat. Mekanisme mikroskop optik adalah jika berkas cahaya datang dari sumber diteruskan melalui lensa bikonvek yang dipantulkan oleh lensa datar menuju lensa-lensa obyektif, sehingga berkas cahaya jatuh pada permukaan material. Apabila permukaan material
5 tersebut datar, maka pantulan berkas cahaya menuju lensa okuler melalui lensa-lensa obyektif. Jika berkas cahaya mengenai batas butir, maka berkas tersebut dipantulkan ke segala arah. Dengan demikian batas butir akan terlihat berupa garis hitam (ASM 1992). Sedangkan analisis fase dilakukan dengan metode difraksi sinar-X. Pengamatan laju korosi Pengamatan laju korosi dilakukan pada logam yang tidak dilapisi asam sitrat dan yang dilapisi asam sitrat. Laju korosi diamati di lingkungan udara dan lingkungan air. Untuk melihat laju korosi di lingkungan udara, logam dibiarkan selama satu bulan, kemudian permukaannya diamati menggunakan mikroskop optik. Untuk melihat pengaruh pemanasan, logam dipanaskan pada suhu 67oC sampai dengan 150oC dengan laju pemanasan 10oC per menit menggunakan alat TGA. Setelah dipanaskan, permukaannya diamati menggunakan mikroskop optik. Pengukuran laju korosi di lingkungan air dilakukan menggunakan sel tiga-elektrode dan potensiostat dalam medium air PAM.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pelapisan Dengan Asam Sitrat Pada saat logam dicelupkan ke dalam larutan asam sitrat, ion sitrat akan menempel pada permukaan logam. Setelah logam diangkat dari larutan asam sitrat, terdapat lapisan tipis yang menutupi permukaan logam. Lapisan ini memisahkan logam dari lingkungannya (Gambar 7). p e r m u k a a n
Fe2+
O O
l o g a m
Fe2+
Secara umum, semakin tinggi konsentrasi dan semakin lama pencelupan, lapisan yang terbentuk semakin tebal (Tabel 1). Tabel 1 Tebal lapisan asam sitrat Sampel A0 A1B1 A1B2 A1B3 A2B1 A2B2 A2B3 A3B1 A3B2 A3B3
Tebal Lapisan (10-3 mm) 0 1.2 2.9 3.5 4.1 4.5 5.0 5.7 6.1 2.2
Keterangan : A0 = tanpa pelapisan A1B1=dicelup dalam 50 % asam sitrat selama 30 menit A1B2=dicelup dalam 50 % asam sitrat selama 60 menit A1B3=dicelup dalam 50 % asam sitrat selama 90 menit A2B1=dicelup dalam 60 % asam sitrat selama 30 menit A2B2=dicelup dalam 60 % asam sitrat selama 60 menit A2B3=dicelup dalam 60 % asam sitrat selama 90 menit A3B1=dicelup dalam 70 % asam sitrat selama 30 menit A3B2=dicelup dalam 70 % asam sitrat selama 60 menit A3B3=dicelup dalam 70 % asam sitrat selama 90 menit
Pengamatan pada permukaan logam menggunakan mikroskop optik memperlihatkan hal yang sama. Lapisan yang terbentuk pada konsentrasi 50 % lebih tipis jika dibandingkan dengan konsentrasi 60 %. Sementara itu, lapisan yang terbentuk pada konsentrasi 70 % memperlihatkan adanya pengendapan molekul asam sitrat pada permukaan logam. Jika disesuaikan dengan kelarutan asam sitrat dalam air pada suhu kamar (Lampiran 4), konsentrasi 70 % merupakan larutan lewat jenuh. Semakin lama pencelupan dalam konsentrasi 70 %, endapan molekul asam sitrat semakin banyak (Gambar 8). Berdasarkan hal ini, disarankan untuk menggunakan asam sitrat 60 % dan lama pencelupan 90 menit.
C
H
C
H
C
C
OH
H
C
H
O
Fe2+
Fe2+
O
O
A0
A1B1
A1B2
A1B3
C O
Gambar 7 Kompleks asam sitrat dengan logam. Konsentrasi dan lama pencelupan sangat berpengaruh pada lapisan yang terbentuk.
A2B1
A2B2
A2B3
A3B1
Intensitas
6
Gambar 10 Difraktogram logam 2θ dengan lapisan asam sitrat.
Korosi di Lingkungan Udara
A3B2
A3B3
Gambar 8 Struktur permukaan logam. Analisis Fase Analisis menggunakan difraksi sinar-X memperlihatkan bahwa adanya lapisan asam sitrat menurunkan intensitas sinar yang diserap oleh logam. Pada logam yang tidak dilapisi, sinar yang diserap oleh logam lebih banyak. Sehingga intensitasnya tinggi (Gambar 9). Sedangkan pada logam yang dilapisi asam sitrat, sinar yang diserap oleh logam lebih sedikit, sehingga intensitasnya lebih rendah (Gambar 10). Akan tetapi lapisan tersebut tidak mempengaruhi komposisi logam yang bersangkutan. Hal ini dapat dilihat dari puncak pada difraktogram. Puncak-puncak ini adalah fase logam dengan matriks dominan unsur Fe yang merupakan komposisi terbesar dalam sampel (Lampiran 5).
Korosi hanya sedikit terjadi jika ada sesuatu yang menjadi penghalang atau perintang antara logam dan lingkungannya (Trethewey & Chamberlain 1991). Di lingkungan udara, logam yang dilapisi asam sitrat lebih sukar terkorosi jika dibandingkan dengan logam yang tidak dilapisi asam sitrat (Gambar 11), bagian yang berwarna gelap adalah bagian yang terkorosi. Asam sitrat bereaksi dengan logam membentuk film pasif, yaitu film pada permukaan logam setebal ± 30 Å yang mengandung sejumlah besar hidroksida atau oksida yang menghindarkan logam kontak dengan lingkungannya. Hal ini menunjukkan bahwa setelah dilapisi asam sitrat, permukaan logam bersifat kurang reaktif atau perilaku elektrokimianya kurang aktif.
a
b
Intensitas
Gambar 11 Struktur permukaan logam setelah satu bulan. a tanpa lapisan asam sitrat b dengan lapisan asam sitrat
2θ (derajat)
Gambar 9 Difraktogram logam tanpa lapisan asam sitrat.
Analisis menggunakan TGA menunjukkan bahwa laju korosi tidak terdeteksi dengan jelas. Perubahan massa pada berbagai suhu, baik untuk logam tanpa perlakuan maupun yang telah dilapisi asam sitrat tidak stabil (Lampiran 6). Hal ini terjadi karena alat tersebut kurang sensitif untuk pengukuran pada suhu 67150ºC dan baru sensitif pada
7 suhu di atas suhu tersebut. Namun demikian, pengaruh pemanasan dapat dilihat pada struktur permukaan logam. Pemanasan pada suhu 67-150ºC menyebabkan lapisan di permukaan logam pecah (Gambar 12). Hal ini menunjukkan bahwa lapisan mudah pecah pada suhu tersebut. Pecahnya lapisan ini dapat memicu terjadinya reaksi korosi. Sehingga, dianjurkan untuk menyimpan logam yang telah dilapisi asam sitrat di dalam ruangan atau di lingkungan udara yang tidak terlalu panas.
Gambar 12 Logam yang dilapisi asam sitrat setelah pemanasan.
Korosi di Lingkungan Air Laju korosi akan meningkat apabila terjadi kontak antara logam yang telah dilapisi asam sitrat dengan air. Dari teknik tahanan polarisasi secara umum dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi dan semakin lama waktu pencelupan, laju korosinya meningkat (Tabel 2 ).
hampir tidak terjadi penurunan arus setelah reaksi oksidasi terjadi (Gambar 13 dan 14). Kerapatan arus menyatakan banyaknya arus yang mengalir per satuan luas. Semakin positif kerapatan arus semakin banyak elektron yang dialirkan. Dengan kata lain, semakin positif kerapatan arus, laju korosinya semakin tinggi. Meningkatnya laju korosi ini terjadi karena pada saat logam yang telah dilapisi kontak dengan air, lapisan di permukaan logam larut kembali dalam air. Anion dari asam sitrat tersebar di permukaan logam. Anion ini mengubah kehantaran elektrolit menjadi semakin besar. Pengecualian terjadi pada konsentrasi 70 % dengan lama pencelupan 90 menit. Pada konsentrasi 70 %, larutan asam sitrat yang terbentuk merupakan larutan lewat jenuh. Endapan molekul asam sitrat pada konsentrasi 70 % dengan lama pencelupan 90 menit semakin banyak. Ketika logam yang bersangkutan diangkat dan dikeringkan, molekul asam sitrat di permukaannya mudah terlepas, sehingga lapisan yang terbentuk seolah-olah lebih tipis dan laju korosinya lebih kecil. Contoh perhitungan laju korosi, kurva tahanan polarisasi, dan kurva potensiodinamik terdapat pada Lampiran 7, 8, dan 9. E (mV)
Tabel 2 Laju korosi dalam medium air Sampel A0 A1B1 A1B2 A1B3 A2B1 A2B2 A2B3 A3B1 A3B2 A3B3
Laju korosi ( mpy) 2.51 2.69 2.86 2.90 3.37 3.91 4.04 8.15 10.67 2.84
Dari kurva potensiodinamik dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi dan semakin lama pencelupan, kerapatan arus yang dihasilkan semakin positif. Proses pasivasi secara umum tidak terlihat nyata. Karena
Kerapatan arus (µA cm-2)
Gambar 13 Potensiodinamik logam tanpa lapisan asam sitrat.
E (mV)
Kerapatan arus (µA cm-2)
Gambar 14 Potensiodinamik logam dengan lapisan asam sitrat.
8 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Asam sitrat dapat digunakan sebagai lapisan pelindung untuk mengurangi laju korosi pada logam di lingkungan udara dengan mekanisme pasivasi, tetapi tidak dapat digunakan di lingkungan air. Ketebalan lapisan yang terbaik diperoleh pada konsentrasi 60%. Laju korosi logam di lingkungan air meningkat seiring meningkatnya konsentrasi dan lama pencelupan. Laju korosi untuk A0, A1B1, A1B2, A1B3, A2B1, A2B2, A2B3, A3B1, A3B2, dan A3B3 berturut turut adalah 2.51, 2.69, 2.86, 2.90, 3.37, 3.91, 4.04, 8.15, 10.67, dan 2.84 mpy.
Saran Saran untuk penelitian selanjutnya adalah agar dilakukan pencelupan asam sitrat lebih dari 90 menit. Selain itu perlu dilakukan pengukuran laju korosi secara kuantitatif di lingkungan udara dengan variasi konsentrasi, waktu, dan suhu. Logam yang telah dilapisi asam sitrat diharapkan disimpan di tempat kering dan tidak terlalu panas.
DAFTAR PUSTAKA Abdul, Latief. 1996. Struktur dan Sifat Logam. Serpong: Pusat Penelitian Sains Materi-BATAN. [Anonim]. 2005. Citric Acid. Artikel. http://ull.chemistry.uakron.edu/erd/chemic als 1/7/6308.html. [30 Mei 2005]. [Anonim]. Passivation. Artikel. http://www.machinizing.com [10 Juni 2005]. [ASM] American Society for Metals. 1990. Corrosion. Vol 13. Ed ke-9. Ohio: ASM International;(ASM Handbook). [ASM] American Society for Metals. 1992. Metalloghraphy and Microstructure. Vol 9. Ohio: ASM International;(ASM Handbook). Atkins PW. 1999. Kimia Fisika Jilid 2. Ed ke-4. Jakarta: Erlangga.
Ihsan et al. 2001. Korosi. Di dalam:Peran Elektrosintesis Dalam Ilmu Bahan. Prosiding Seminar Nasional Elektrokimia;Serpong, 10 Juni 2001. Serpong:P3IB-BATAN. hlm 190-195. Kirk-Othmer. 1964. Encyclopedia of Chemical Technology. Vol 5. Ed ke-2. New York: John Wiley & Sons,Inc. Komarudin. 2004. analisis Korosi Pada Baja SS 400 C dengan Fasa Martensit Serta Fasa Campuran Martensit dan Austenit [skripsi]. Padang: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Andalas. Oxtoby et al. 2001. Prinsip-prinsip Kimia Modern Jilid 1. Ed ke-4. Jakarta: Erlangga. Sulungbudi G, Wuryanto. 1996. Korosi Bahan Logam dan Nonlogam. Serpong: Pusat Penelitian Sains Materi-BATAN. Trethewey KR, Chamberlain J. 1991. Korosi Untuk Mahasiswa dan Rekayasawan. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. Winholz M et al. 1976. The Merck Index An Encyclopedia of Chemical and Drugs. Ed ke9. Rahway, N. J., USA: Merck & Co., INC.
9
LAMPIRAN
10
Lampiran 1 Komposisi dan bobot ekivalen logam Unsur Fe Mn C Al Cu Si Ni Mo Cr Ti V N P S Nb
Komposisi (%) 99.4600 0.2700 0.0500 0.0450 0.0420 0.0380 0.0220 0.0200 0.0190 0.0100 0.0070 0.0041 0.0040 0.0030 0.0010
Massa atom ( sma) 55.85 54.94 12.01 26.98 63.55 28.09 58.69 95.94 52.00 47.88 50.94 14.01 30.97 32.07 92.91
Bilangan oksidasi 3 7 4 3 2 4 3 6 6 4 5 5 5 6 5
BE = Massa atom (sma) X % Atom Logam Bilangan Oksidasi BE =
[
]
+
[
]
+
55 .85 x 0 .9946 3
−5 14.01 x( 4.1x10 ) 5
⎡ 12 . 01 −4 ⎤ )⎥ x (5 x 10 ⎢ ⎣ 4 ⎦ −4 58.69 x( 2.2 x10 ) 3
[
]
+ +
[
−3 54.94 x( 2.7 x10 ) 7
[
−5 92 . 91 x 10 5
]
]
−4 ⎤ ⎡ 28.09 x (3.8 x10 )⎥ ⎢ ⎣ 4 ⎦
+
−5 ⎤ ⎡ 30 . 97 )⎥ x ( 4 x 10 ⎢ ⎣ 5 ⎦
+
−4 ⎤ ⎡ 26.98 x ( 4.5 x10 )⎥ ⎢ ⎣ 3 ⎦
−4 ⎤ ⎡ 63.55 x ( 4.2 x10 )⎥ ⎢ ⎦ ⎣ 2
+
−5 ⎤ ⎡ 50 . 94 )⎥ x (7 x 10 ⎢ ⎦ ⎣ 5
+
⎡ 47 . 88 −4⎤ x 10 ⎥ ⎢ ⎦ ⎣ 4
+ + +
[ [
−4 95.94 x( 2 x10 6
−4 ⎤ ⎡ 52.00 x (1.9 x10 )⎥ ⎢ ⎣ 6 ⎦
BE = 18.52 + (1.50x10-3) + 0.02 + (1.6x10-4) + (1.15x10-4) + (4.30x10-3) + (1.86x104)+(3.20x10-3) + (2.67x10-3) + (2.48x10-4) + (4.05x10-3) + (1.65x13) + 0.01 +(7.13x10-4) + (1.20x10-3) BE = 18.57 g ekivalen-1
]+ )] +
−5 32.07 x( 3 x10 ) 6
+
11
Lampiran 2 Densitas logam ulangan
Mp (g)
Mp+s (g)
Mp+a (g)
Mp+a+s (g)
Ma (g)
ρ air (g/cm3)
Mas (g)
Vas (cm3)
Vs (cm3)
Ms (g)
ρ sampel (g/cm3)
1
12.2327
12.6816
22.5459
22.9414
10.3132
1.03132
10.2598
9.9482
0.0518
0.4489
8.666
2
12.2328
12.6816
22.5461
22.9415
10.3133
1.03133
10.2599
9.9482
0.0518
0.4488
8.6641
3
12.2328
12.6816
22.5461
22.9416
10.3133
1.03133
10.26
9.9483
0.0517
0.4488
8.6809
rerata
8.6703
Keterangan: Mp = massa piknometer Mp+s = massa piknometer + sampel Mp+a = massa piknometer + air Mp+a+s = massa piknometer + air +sampel Ma = massa air
ρ Mas Vas Vs Ms
= densitas = massa air sisa = volume air sisa = volume sampel = massa sampel
Contoh Perhitungan : Volume Piknometer
Vas
= Mas ρ air = 10.2598 g 1.03132 g/cm3 = 9.9482 cm3
Vs
= Volume air – Vas = 10 cm3 – 9.9482 cm3 3 = 0.0518 cm
Ms
= Mp+s - Mp = 12.6816 g – 12.2327 g = 0.4489 g
= 10 cm3
Ma
= Mp+a - Mp = 22.5459 g – 12.2327 g = 10.3132 g
ρ air
=
Mas
Ma Volume Air = 10.3132 g 10 cm3 = 1.03132 g/cm3
= Mp+a+s – Mp+s = 22.9414 g – 12.6816 g =10.2598 g
ρ sampel
= Ms Vs = 0.4489 g 0.0518 cm3 = 8.6660 gcm-3
12
Lampiran 3 Diagram alir penelitian
logam
Dipotong berbentuk bulat diameter ± 15 mm
Dipotong berbentuk persegi panjang berukuran ± 15 x 10 mm
Dipoles 60-800 grit
dibersihkan
Tanpa perlakuan
Analisis struktur permukaan
Dicelup dalam larutan asam sitrat konsentrasi 50, 60, dan 70 % selama 30, 60, dan 90 menit
Analisis korosi
Analisis fase
13
Lampiran 4 Kelarutan asam sitrat dan tebal lapisan asam sitrat Kelarutan asam sitrat dalam air Suhu (οC)
Kelarutan (%)
10
54.0
20
59.2
30
64.3
40
68.6
50
70.9
60
73.5
70
76.2
80
78.8
90
81.4
100
84.0
* Winholz M et al. 1976 Tebal lapisan asam sitrat Sampel A1B1 A1B2 A1B3 A2B1 A2B2 A2B3 A3B1 A3B2 A3B3
Bobot sebelum pelapisan (g) 1.2394 1.3458 1.2571 1.2828 1.2340 1.3309 1.3225 1.2541 1.2668
Bobot setelah pelapisan (g) 1.2409 1.3498 1.2621 1.2876 1.2389 1.3369 1.3300 1.2616 1.2695
Panjang (mm) 15 15 15 15 15 15 15 15 15
Contoh perhitungan ρ = m V Tinggi
=
Lebar (mm) 10 10 10 10 9 10 10 10 10
=
Tinggi (mm) 0.953 1.035 0.967 0.986 1.054 1.023 1.017 0.964 0.974
Tebal lapisan (10-3 mm) 1.2 2.9 3.5 4.1 4.5 5.0 5.7 6.1 2.2
m Luas alas x tinggi
m Luas alas x ρ
Tinggi sebelum pelapisan
= bobot sebelum pelapisan Luas alas x ρ =
Tinggi setelah pelapisan
= 0.9530 mm
= bobot setelah pelapisan Luas alas x ρ =
Tinggi lapisan asam sitrat
1.2394 g 1.5 cm2 x 8.67 g cm-3
1.2409 g 1.5 cm2 x 8.67 g cm-3
= 0.9542 mm
= tinggi setelah pelapisan – tinggi sebelum pelapisan = 0.9542 mm - 0.9530 mm = 1.2 x 10-3 mm
14
Lampiran 6 Analisis gravimetri termal
2 0
Perubahan massa (mg)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-2 blanko
-4
sampel -6 -8 -10 -12
Suhu (οC)
15
Lampiran 7 Perhitungan laju korosi dalam medium air sampel A0 A1B1 A1B2 A1B3 A2B1 A2B2 A2B3 A3B1 A3B2 A3B3
Icorr (µA cm-2) 9.01 9.67 10.26 10.41 12.12 14.03 14.5 29.25 38.31 10.22
Laju korosi (mpy) 2.51 2.69 2.86 2.9 3.37 3.91 4.04 8.15 10.67 2.84
Contoh Perhitungan Diketahui : Bobot Ekivalen Luas area (A) Densitas (d) Laju Korosi (mpy)
= = = =
= = =
18.57 g ekivalen-1 1 cm2 8.67 g cm-3
0.13 x Icorr x
BE Axd 0.13 x 9.01 x 18.57 1 x 8.67 0.13 x 9.01 x 18.57 8.67 2.51
16
Lampiran 8 Tahanan polarisasi dalam medium air E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A0
E (mV)
A1B1
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µAcm-2) A1B2
A1B3
E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A2B1
Kerapatan Arus (µA cm-2) A2B2
17
lanjutan E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
A2B3
A3B1
E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A3B2
Kerapatan Arus (µA cm-2) A3B3
18
Lampiran 9 Potensiodinamik dalam medium air E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
A1B1
A0
E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
A1B2
E (mV)
A1B3
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A2B1
Kerapatan Arus (µA cm-2) A2B2
19
lanjutan E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A3B1
A2B3
E (mV)
E (mV)
Kerapatan Arus (µA cm-2) A3B2
Kerapatan Arus (µA cm-2) A3B3
