BAB II TINJAUAN PUSTAKA

4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Membran Keramik Keramik dapat di definisikan menjadi sebuah senyawa padatan yang

terbentuk melalui panas, atau kombinasi panas dan tekanan, yang tersusun setidaknya dari dua unsur yang salah satu diantara unsur penyusunnya adalah unsur padatan non logam. Unsur lainnya dapat berupa logam atau unsur non logam lainnya. (Barsoum,1997). Membran keramik dapat digambarkan sebagai sebagai sebuah media selektif permiabel yang mempunyai pori dengan diameter tertentu dimana faktor permeabilitas dan separasi merupakan indicator – indicator yang paling penting dalam menentukan performanya. Untuk sebuah membran keramik berpori (porous), terdapat ciri – ciri tertentu yaitu jika dilihat dari ketebalan, ukuran pori dan permukaan porositas dari membran (Li, 2007). Membran keramik berpori adalah membran dengan tipe asimetrik yang memiliki ketebalan support sekitar 1 – 3 mm. Lapisan mikrofiltrasi biasanya berukuran 10 – 30µm dan oksida yang umum digunakan untuk membran adalah zirconia (ZrO 2 ) dan alumina (Al 2 O 3 ). Membran ultrafiltrasi tebalnya hanya beberapa mikrometer dan terbuat dari alumina, zirconia, titania (TiO 2 ) dan cerium (CeO 2 ). Membran nanofiltrasi ketebalannya kurang dari 1µm, umumnya terbuat dari zirconia dan titania. Support dan lapisan mikrofiltrasi dihasilkan dari teknik keramik klasik, dimana proses sol-gel digunakan untuk lapisan ultra dan

Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015

5

nanofiltrasi. Membran keramik kebanyakan dibuat dalam dua bentuk geometri utama : tubular dan flat. Membran keramik terutama yang berbasis Palladium telah lama digunakan pada mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi karena sifatnya yang stabil terhadap pengaruh panas, bahan kimia dan solvent (Baker 2004). Kelebihan membran keramik terletak pada kestabilan temperaturnya yang baik, tahan terhadap senyawa kimia, degradasi biologis ataupun mikroba. Sifatsifat menunjukkan keunggulan bila dibandingkan dengan membran yang terbuat dari senyawa polimer, dan relatif mudah untuk dibersihkan dengan cleaning agent. Ketahanan terhadap zat kimia menyebabkan membran keramik banyak digunakan pada prosesing makanan, produk bioteknologi dan farmasi. Kekurangan membran keramik terutama timbul dari proses preparasinya dimana sangat sulit mencapai kualitas produk akhir yang reproducible. Hal ini karena pada dasarnya sifat brittle dari membran keramik membuatnya lebih mahal daripada sistem membran polimer. Selain itu, harga sistem membran meningkat signifikan seiring dengan meningkatnya kebutuhan sifat-sifat produk, antara lain porositas, ukuran pori, reproducibility, dan reliability.

2.2

Zeolit Zeolit berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos yang

berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10-15 mikron (Mursi Sutarti, 1994).


6

Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis. 2.2.1 Struktur Zeolit Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO ] dan 4

[SiO ] yang saling berhubungan melalui atom O 4

Gambar 2.1 Kerangka Utama Zeolit 2.2.2 Sifat – sifat Zeolit Zeolit mempunyai struktur berongga (gambar 4) yang biasanya diisi oleh air dan kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.

Gambar 2.2 Struktur Pori di dalam Zeolit (Weller, 1994)


7

Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya : A. Dehidrasi Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam didalam pori-porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau molekul air tersebut dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan tertentu maka zeolit akan meninggalkan pori yang kosong B. Penyerapan Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air tersebut akan keluar. Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan C. Penukar Ion Ion-ion pada rongga berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya. Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion (Bambang P, dkk, 1995). D. Katalis Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa mempengaruhi kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan lintasan molekular dari reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil akan memuat molekul-molekul kecil tetapi mencegah molekul besar masuk. Selektivitas molekuler seperti ini disebut molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).


8

E. Penyaring / Pemisah Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini disebabkan zeolit mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul yang berukuran lebih kecil dari ruang hampa dapat melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa akan ditahan (Bambang P, dkk, 1995).

2.3

Sekam Padi Menurut Mittal (1997) sekam padi merupakan salah satu sumber penghasil

silika terbesar setelah dilakukan pembakaran sempurna. Abu sekam padi hasil pembakaran yang terkontrol pada suhu tinggi (500-600oC) akan menghasilkan abu silika yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai proses kimia (Putro, 2007). Houston (1972) mengatakan bahwa abu sekam padi mengandung silika sebanyak 86%-97% berat kering. Silika merupakan bahan baku utama pada industri kaca, keramik, industri refraktori dan bahan baku yang penting untuk produksi larutan silikat, silikon dan alloy (Kirk-Othmer, 1967). Abu dari hasil pembakaran sekam padi memiliki komponen kimia yang ditunjukkan pada tabel 2.2: Tabel 2.1. Komponen Kimia Abu Sekam Padi Komponen Kandungan (%) 86.90 – 97.30 SiO2 0.58 – 2.50 K2O 0.00 – 1.75 Na2O CaO 0.20 – 1.50 MgO 0.12 – 1.96 0,54 Fe2O3 0.2 – 2.85 P2O5 0.1 – 1.13 SO3 Cl 0.42 Sumber: Wen-Hwei (1986) dalam Jaya (2002)


9

Silika yang dihasilkan dari sekam padi memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan silika mineral, dimana silika sekam padi memiliki butiran halus, lebih reaktif, dapat diperoleh dengan cara mudah dengan biaya yang relatif murah, serta didukung oleh ketersediaan bahan baku yang melimpah dan dapat diperbaharui. Dengan kelebihan tersebut, menunjukkan silika sekam padi berpotensi cukup besar untuk digunakan sebagai sumber silika, yang merupakan bahan material yang memiliki aplikasi yang cukup luas penggunaannya. Keberadaan silika, khususnya dalam bentuk SiO 2 , dalam padi telah diketahui sejak tahun 1938. Menurut Soepardi (1982), kandungan silika tertinggi pada padi terdapat pada sekam bila dibandingkan dengan bagian tanaman pada lain seperti helai daun, pelepah daun, batang dan akar. Menurut Karo-karo (2009), Abu sekam padi yang dihasilkan dari pembakaran sekam padi pada suhu 400 0 - 5000 C akan menjadi silika Amorphous pada suhu lebih besar dari 10000 C akan menjadi silika kristalin. Silika Amorphous yang dihasilkan dari abu sekam padi diduga sebagai sumber penting untuk menghasilkan silikon murni, karbit silikon, dan tepung nitirit silikon (Katsuki et al , 2005). 2.4

Pembuatan Membran Keramik Umumnya, proses fabrikasi membran keramik berpori terdiri atas tiga

tahapan yaitu 1) pembentukan suspensi partikel, 2) pembuatan suspensi partikel menjadi precursor membran dengan bentuk tertentu seperti flat-sheet , monolith atau tubular dan (3) konsolidasi membran keramik dengan perlakuan panas pada suhu tinggi (Li 2007).


10

Gambar 2.3. Metoda Pembuatan Membran Keramik (Diadaptasi dari Li 2007) Metode yang lazim dilakukan dalam pencetakan membran keramik adalah slip casting, tape casting, extrusion dan pressing. Proses pelapisan dilakukan dengan teknik dip-coating, sol-gel, Chemical Vapor Deposition (CVD) atau proses Evaporative Vapour Deposition (EVD). Diameter pori membran keramik untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi bervariasi dari 0,01 sampai 10 µm. Biasanya membran membran untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dibuat dengan cara slip coating-sintering. Cara lainnya yaitu metode sol-gel dapat digunakan untuk membuat membran keramik dengan ukuran pori dari 10 sampai 100 µm. Pada proses slip coating-sintering membran keramik dibuat dengan cara menuangkan dispersi butir halus material keramik dan suatu binder dan mencetaknya dalam suatu mold dan selanjutnya disintering pada temperatur tinggi (Baker 2004).


11

2.4.1. Persiapan Slurry Komponen utama yang digunakan untuk membran keramik adalah inorganic powder, organic additives dan solvent. Faktor penting dalam pemilihan inorganic powder adalah ukuran partikel, distribusi, dan bentuk partikel. Faktorfaktor ini mempengaruhi porositas, ukuran pori dan distribusi ukuran pori pada produk akhir. Organic additives, antara lain binders, plasticizers, lubricant, deflocculant, antifoaming agent, promoters of porosity, water retention agent, antistatic, chelating dan bactericide agent digunakan selama proses pembuatan, tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat membran keramik yang dibutuhkan. Syarat utama organic additives harus bisa terbakar tanpa meninggalkan abu dan tar. Pemilihan dan kuantitas organic additives sangat penting karena berdampak pada sifat slurry, sehingga mempengaruhi pemilihan metode fabrikasi (apakah extrusion, tape casting, dip coating , dll) dan sifat produk akhir.Solvent (misalnya air, pelarut organik , atau campurannya) harus mampu melarutkan senyawa organik yang digunakan dan harus menguap. Karakteristik penguapan solvent berdampak pada waktu pengeringan. Proses persiapan slurry tergantung pada ketebalan yang diinginkan (pasta, slurry, suspensi), langkah-langkahnya terdiri dari : •

Mixing, pugging, dan aging (untuk pasta)

•

Milling dan ultrasound treatment (untuk slurry)

•

Dispersing (untuk suspensi, contohnya alumina dan zirconia) Agregasi partikel slurry memiliki efek pada ukuran pori dan permeabilitas air produk akhir.


12

2.4.2. Proses sol – gel Proses ini pertama kali dikenalkan oleh Leennaars dalam pembuatan membran keramik jenis ultrafiltrasi. Proses ini mempunyai keuntungan diantaranya lebih mudah mengontrol ukuran pori membran yang dihasilkan. Solsol koloid merupakan larutan koloid dari zat-zat padat seperti Al 2 O 3 , SiO 2 TiO 2 , atau ZrO 2 . Proses ini digunakan pada persiapan oksida-oksida yang akan dipakai. Suspensi tercapai dengan sintesa partikel solid dalam liquid dari precursor organo metalik

(contohnya

sol

titania

dan

boehmite).

Proses

sol-gel

digunakan pada pembuatan membran alumina dengan diameter pori4–10 nm dari sol boehmite. Dalam hal ini, polyvinyl alcohol dalam larutan dipboehmite meningkatkan reproducibility dan menurunkan tingkat defect produk akhir membran alumina. Fabrikasi membran nanofiltrasi memiliki persyaratan ekstra dibandingkan pembuatan membran ultra dan mikrofiltrasi. Diantara persyaratan yangdimaksud adalah : 1.

Masing-masing butiran dalam sintered ceramic harus berukuran kurang dari 10 nm. Ini bisa ditingkatkan dengan penambahan ion logam, misalnya La3+, untuk membatasi membesarnya pori dan menghambat transformasi fasa.

2.

Agregasi partikel saat keadaan sol harus dicegah, dengan penambahan peptizing agent.Gambar 2.4 Memperlihatkan proses/metoda sol-gel dalam pembuatan membran keramik.


13

Gambar 2. 4. Metoda Sol-gel dalam Pembuatan Membran Keramik Sumber : Caro, J et al (2000) 2.4.3. Proses Fabrikasi Proses fabrikasi yang paling umum pembuatan membran adalah extrusion, tapecasting , dip dan spin coating. Extrusion dan tape casting digunakan untuk supportsistem, tape casting and dip coating digunakan untuk membran mikrofiltrasi, dip dan spin coating dipakai pada membran ultra dan nano filtrasi. Pada proses extrusi, pasta dipaksa melewati bukaan die sehinga terbentuk tubular atau multichannel support. Green compact yang terbentuk dikeringkan pada temperature kurang dari 100oC untuk menghilangkan air. Tape casting digunakan


14

untuk membuat keramik yang tipis, datar dan rapat. Proses ini terbatas pada ketebalan film yang didapat. Green compact yang terbentuk dari slurry sebagai hasil relative movement antara ‘doctor blade’ dan support atau carrier. Umumnya, kecepatan casting bervariasi dari 0.1 sampai 1.5 m/min. Setelah proses casting, tape dikeringkan. Tape yang kering dipindahkan dari support dan sangat mudah di handle karena karakteristik plastiknya. Dip coating digunakan untuk membran multilayer. Sistem pendukung Permeabilitas yang digunakan harus lebih tinggi dari lapisan membran (sedikitnya dengan faktor 10) sehingga ketebalan

masing-masing

lapisan

harus

setipis

mungkin.

Dua

metode

untuk formasi lapisan yaitu : 1.

Capillary colloidal filtration Disebut juga slip casting, dimana capillary suction dari subtrate membawa

partikel ke interface, subtrate kering kontas dengan dispersi ini dan permukaan pori dibasahi oleh cairan dispersi. 2.

Film coating Dimana lapisan dispersi yang menempel terbentuk karena drag force yang

diusahakan oleh substrate selama keluar dari dispersion. Faktor kritis yang perlu diperhatikan pada dip coating adalah viskositas slip, kecepatan coating dan waktu. Proses pengeringan dimulai secara simultan dengan dip coating, saat substrate mulai kontak dengan atmosfir yang humiditas relatifnya dibawah 100%. Pada proses multi step yaitu setelah kalsinasi lapisan pertama dilakukan pengulangan dipping secara komplet dan diikuti lagi dengan pengeringan dan kalsinasi. Contohnya alumina coating dengan ukuran pori rata-rata 100 nm


15

dipersiapkan dari suspensi (dalam air) yang tersedia secara komersial yaitu alumina submicron dalam bentuk powder dengan diameter rata-rata yaitu 500 nm. Semakin tipis slip, makin kritis langkah pengeringan untuk pembentukan membran yang bebas defect/cacat. Pengeringan juga berefek pada formasi akhir dari mikro struktur membran. Umumnya, pengeringan berlangsung pada temperatur rata-rata 80–350oC, dan akan menghasilkan membran hybrid organic – inorganik. Perlakuan pengapian (kalsinasi dan sintering) akan memperkuat keramik dan membantu membran melekat kuat pada penyangga pori. Tujuannya adalah memperbaiki mikro struktur dengan neck-formation, yang terdiri atas dua tahap yaitu: •

Pembakaran organik (kalsinasi) yaitu tahapan krusial untuk memperoleh membran yang bebas crack.

•

Sintering keramik dengan densifikasi dan pertumbuhan butiran. Dalam sintering digunakan temperatur rendah tapi harus mencapai titik leleh keramik. Kalsinasi dan sintering pada temperatur yang relatif rendah (300–400oC) dan waktu singkat tidak akan menghasilkan membran yang stabil secara termal. Profil temperature yang dipakai untuk pengapian merupakan hal yang kritis, terlebih jika support dan material support membran berbeda. Hal ini akan berdampak pada ukuran pori dan komposisi fase akhir. Sebagai contoh, transisi fasa dari alumina ke-αalumina yang berlangsung pada temperatur di atas 1000oC. Penambahan zat lain misalnya lanthanum oxide atau titania dapat mengubah temperatur ini. Lanthanum oxide diamati


16

dapat meningkatkan temperatur saat berlangsungnya transformasi fasa, sedangkan titania menurunkan temperatur transformasi fasa. Penurunan porositas dapat meningkatkan ukuran pori dengan pemanasan membran secara terkontrol padarentang temperatur 400 – 1000oC. 2.5

Pati Pati merupakan cadangan makanan yang terdapat di dalam biji atau umbi

tumbuh-tumbuhan. Pati juga terdapat pada bagian tumbuhan yang berwarna hijau. Pati terdapat dalam sel tanaman dalam bentuk partikel-partikel yang tidak larut yang disebut granula. Ukuran dan bentuk granula pati ini berbeda-beda antara satu tanaman dengan tanaman lain (Lineback dan Inglet, 1982). Granula pati merupakan suatu sistem heterogen yang terdiri dari dua komponen yang berlainan yaitu amilosa dan amilopektin. Karakteristik normal dari pati biji-bijian terdiri dari kira-kira 30% amilosa dan 70% amilopektin. Perbandingan antara jumlah amilosa dan amilopektin didalam granula mempengaruhi tingkat kekentalan gel. Dalam proses pembuatan membran, pati merupakan bahan pembentuk zat perekat (gel). Akibat adanya proses pemanasan dan proses pengepresan, pati akan membentuk gel yang sangat membantu dalam proses pembuatan membran agar menjadi lebih padat, keras dan tidak mudah pecah (Rasidi, 1997). Pati terdapat dalam bahan-bahan sumber karbohidrat, dan tepung beras adalah salah satu bahan yang banyak mengandung karbohidrat. Tepung beras berasal dari butiran beras yang digiling. Unsur terbesar dari zat penyusun butir beras adalah karbohidrat/pati lalu diikuti oleh protein. Zat pati terutama terdapat pada bagian endosperm dari butir beras. Pada bagian luar


17

endosperm masih terdapat bagian-bagian yang bukan pati seperti protein dan lipid. Makin ke tengah endosperm, bagian-bagian bukan pati ini semakin menurun, sehingga pati merupakan bagian terbesar. Pati merupakan polimer glukosa yang dicirikan dari warna granula yang putih, mengkilap, tidak berbau dan tidak mempunyai rasa. Pati beras mempunyai fraksi linear (amilosa) dan fraksi bercabang (amilopektin) (Hubeis, 1984). 2.6

Polivinil Alkohol (PVA) Polivinil Alkohol (PVA) merupakan polimer sintetis yang dibuat dari

monomer vinil asetat. Polivinil asetat (bahasa inggris : Polyvinyl acetate, PVA atau PVAc) adalah suatu polimer karet sintetis. Polivinil asetat merupakan senyawa polimer termoplastik yang memiliki sifat tahan panas, daya regang tinggi, serta larut dalam pelarut organik. Senyawa ini ditemukan di Jerman oleh Dr. Flitz Klatte pada tahun 1912. Hidrolisis sempurna atau sebagian senyawa ini akan menghasilkan polivinil alkohol (PVOH). Rasio hasil hidrolisis ini berkisar antara 87% – 99%. PVA bahan yang tepat sebagai bahan pengemulsi dan adhesi. PVA adalah lem kayu yang paling sering digunakan, baik sebagai lem putih atau lem kuning (lem tukang kayu). “Lem kuning” tersebut juga digunakan secara luas untuk mengelem bahan-bahan lain seperti kertas, kain, dan rokok. Polivinil asetat juga umum dipakai dalam percetakan buku karena fleksibilitasnya dan tidak bersifat asam seperti banyak polimer lain. Contoh produk polivinil asetat yang terkenal adalah Lem Elmer. Lem Elmer ini terkenal di Amerika Serikat.


18

2.7

Penelitian Pendukung 1. A.M. Fuadi, Malik Musthofa, Kun Harismah, Haryanto, Nur Hidayati , 2012 melaporkan bahwa berdasarkan hasil pengujian dengan XRD bisa disimpulkan bahwa sekam padi bisa dimanfaatkan untuk membuat zeolit sintetis. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk-bentuk kristalin yang dihasilkan sama dengan bentuk kristalin dari zeolit. 2. Bokau, N.S., 2013. Melaporkan bahwa Hasil karakterisasi kapasitas penyerapan air dan permeabilitas membran menunjukkan bahwa adanya peningkatan seiring dengan penambahan massa silica abu sekam padi. 3. Darsono.,Sugiarto Danu.,danTamzil Las, 2000 melaporkan bahwa Konsentrasi PVA berpengaruh sangat nyata terhadap densitas dan kuat tekan komposit, dan adanya rongga-rongga udara karena rendahnya kandungan PVA dalam campuran komposit zeolit-PVA menyebabkan rendahnya sifat mekanik komposit.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents