Bab III Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Penelitian Kimia Analitik, Program Studi Kimia FMIPA ITB sejak September 2007 sampai Juni 2008.
III.1 Alat dan Bahan
Peralatan yang pergunakan antara lain peralatan gelas secara umum, hot plate, oven, tungku Nabertherm, alat pres hidrolik, sel aliran kontinu, spektrofotometer serapan atom GBC AVANTA-A6506, mikroskop elektron JEOL JSM-6360LA yang terintegrasi dengan analisis energy dispersive X-ray (EDX) dan difraksi sinar-X. Bahan yang digunakan adalah serbuk ZrSiO4 teknis, serbuk NH4VO3 p.a., poli(vinil alkohol) p.a. BM = 72000, H2C2O4.2H2O p.a., tetrahidrofuran (THF) p.a., Pb(NO3)2 p.a. dan air suling.
III.2 Cara Kerja
III.2.1 Diagram Alir Penelitian
Diagram alir penelitian yang dilakukan diperlihatkan pada Gambar II.1.
22
Gambar III.1 Diagram alir penelitian
III.2.2 Pembuatan Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Tahap pembuatan pendukung membran keramik ZrSiO4 dimulai dengan penghalusan dan penapisan serbuk awal ZrSiO4 yang digunakan. Setelah itu, dilanjutkan dengan tahap pembuatan campuran, (sintering).
23
pencetakan dan pembakaran
III.2.2.1 Karakterisasi Serbuk Bahan Baku Membran Keramik
Serbuk ZrSiO4 ditapiskan dengan ayakan berukuran 400 mesh untuk mendapatkan partikel ZrSiO4 yang halus dan diharapkan mempunyai ukuran partikel yang seragam. Untuk memastikan serbuk ZrSiO4 yang dipakai, dilakukan karakterisasi difraksi sinar-X di Laboratorium Fisika LIPI. Berdasarkan puncak-puncak pada grafik ukuran intensitas terhadap 2θ, dihitung jarak antarbidang dalam kristal sesuai dengan hukum Bragg. Kemudian hasilnya dibandingkan dengan literatur untuk mengetahui senyawa yang digunakan pada pembuatan membran keramik ini.
III.2.2.2 Pembuatan Campuran Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Pada tempat yang terpisah, dibuat 2 komposisi campuran pendukung membran keramik ZrSiO4 sebagai berikut: Tabel III.1 Komposisi campuran pendukung membran keramik ZrSiO4
Komponen ZrSiO4 PVA (binder) Air (pelarut)
Komposisi (% w/w) Campuran A Campuran B 95,0 90,0 0,2 0,4 4,8 9,6
Sebelum masing-masing komponen penyusun membran dicampurkan, binder PVA dilarutkan terlebih dahulu dengan air panas kemudian ditambahkan serbuk ZrSiO4. Campuran tersebut diaduk menggunakan batang pengaduk sampai homogen.
III.2.2.3 Pencetakan Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Setelah terbentuk campuran yang homogen, campuran tersebut dimasukkan ke dalam cetakan kemudian ditekan menggunakan alat pres hidrolik. Campuran tersebut ditekan dengan tekanan 4000 psi untuk menghasilkan green body membran keramik yang kuat.
24
III.2.2.4 Pembakaran (Sintering) Pendukung Membran Keramik ZrSiO4 Green body membran keramik dengan komposisi campuran yang dinyatakan
dalam Tabel III.1, di-sinter pada berbagai temperatur, yaitu 1200, 1300 dan 1400 o
C dengan waktu penahanan 1 jam menggunakan tungku Nabertherm di
Laboratorium Teknik Material ITB dengan laju pemanasan 10 oC per menit. Temperatur dalam tungku diturunkan dengan laju penurunan suhu sebesar 10 oC per menit.
III.2.3 Karakterisasi Awal Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Untuk mendapatkan komposisi membran keramik yang terbaik sehingga dapat digunakan sebagai pendukung katalis, maka dilakukan karakterisasi awal terhadap membran keramik yang sudah di-sinter pada berbagai temperatur.
III.2.3.1 Permeabilitas Air
Membran keramik diletakkan dalam sel aliran kontinu (continuous flow) dengan fasa umpan berupa air suling. Sebelum dilakukan pengukuran, struktur pori membran dikompaksi selama beberapa saat dengan tekanan atau laju alir tertentu sampai diperoleh volum permeat yang tetap. Kemudian pengukuran dilakukan dengan cara menampung permeat yang keluar melalui membran setiap 5–10 menit. Pengukuran dilakukan terhadap 3 replika membran. Adapun skema dari sel aliran kontinu dapat dilihat pada Gambar III.2.
25
Gambar III.2 Skema sel aliran kontinu
Permeabilitas membran dinyatakan sebagai fluks dan dihitung menggunakan Persamaan II.1.
III.2.3.2 Susut Bakar
Susut bakar membran keramik dihitung dengan cara membandingkan rasio perubahan dimensi setelah pembakaran dengan dimensi sebelum dibakar. Dimensi yang diukur adalah tebal, diameter dan volum.
⎡ dimensi sebelum - dimensi sesudah ⎤ susut bakar (%) = ⎢ ⎥⎦ × 100% dimensi sebelum ⎣
26
(III.1)
III.2.3.3 Densitas Membran
Untuk menentukan densitas membran, digunakan metode piknometri. Cairan yang digunakan adalah kerosen. Pemilihan kerosen didasarkan pada sifat kerosen yang inert, tidak bereaksi serta tidak melarutkan spesimen membran. Terlebih dahulu piknometer kosong ditimbang kemudian spesimen membran dipatahkan menjadi beberapa bagian kecil kemudian dimasukkan ke dalam piknometer dan ditimbang. Setelah itu, kerosen ditambahkan ke dalam piknometer yang berisi spesimen membran. Terakhir, piknometer diisi kerosen dan ditimbang. Densitas membran dihitung menggunakan Persamaan II.4.
III.2.3.4 SEM dan EDX
Berdasarkan permeabilitas membran yang diamati, dipilih membran dengan komposisi dan temperatur sintering terbaik. Selanjutnya, membran ini dikarakterisasi dengan SEM dan EDX di PPGL menggunakan Scanning Electron Microscope JEOL JSM-6360LA. SEM digunakan untuk mengamati morfologi
permukaan dan penampang melintang membran keramik. Sedangkan EDX digunakan untuk konfirmasi unsur-unsur penyusun membran keramik.
III.2.4 Pelapisan Membran Keramik ZrSiO4 dengan Katalis V2O5
Pelapisan V2O5 dilakukan dengan cara merendam membran keramik ZrSiO4 dalam larutan kompleks (NH4)2[VO(C2O4)2] yang berwarna biru. Larutan kompleks (NH4)2[VO(C2O4)2] dibuat dengan cara mereaksikan NH4VO3 dengan H2C2O4 (perbandingan mol NH4VO3 : H2C2O4 = 1 : 2) dalam campuran pelarut air dan THF27.
III.2.4.1 Pembuatan Larutan H2C2O4 0,5000 M
Ditimbang padatan H2C2O4.2H2O sebanyak 1,5758 g kemudian dimasukkan ke dalam gelas kimia 50 mL dan ditambah air suling sekitar 20 mL. Campuran ini
27
diaduk menggunakan batang pengaduk sampai semua padatan H2C2O4.2H2O larut. Larutan kemudian dimasukkan ke dalam labu takar 25 mL dan ditambah air suling sampai tanda batas.
III.2.4.2 Pembuatan Larutan Kompleks (NH4)2[VO(C2O4)2]
Sebanyak 12,5 mL air suling dimasukkan ke dalam labu Erlenmeyer 50 mL. Kemudian ditambahkan THF sebayak 2,5 mL dan 10 mL larutan H2C2O4 0,5 M. Ditimbang sebanyak 0,2925 g serbuk NH4VO3 kemudian dimasukkan ke dalam Erlenmeyer tersebut sehingga perbandingan mol NH4VO3 : H2C2O4 = 1 : 2. Campuran diaduk dengan pengaduk magnet selama 2 jam sampai terbentuk larutan berwarna biru pekat.
III.2.4.3 Pelapisan (Coating) Membran Keramik
Membran keramik hasil karakterisasi III.2.2 yang terbaik diletakkan dalam cawan petri. Larutan kompleks (NH4)2[VO(C2O4)2] dituang ke dalam cawan petri hingga membran terendam seluruhnya. Larutan dalam cawan petri dikeringkan menggunakan oven pada suhu 180 oC selama 6 jam. Setelah kering, akan terlihat lapisan tipis berwarna biru kehitaman pada permukaan membran. Setelah itu, membran yang sudah dilapisi dipanaskan pada suhu 500 oC dengan waktu penahanan 2 jam kemudian pemanasan dilanjutkan pada suhu 900 oC dengan waktu penahanan 2 jam.
III.2.5 Karakterisasi Membran Keramik ZrSiO4-V2O5
Membran keramik ZrSiO4 yang sudah dilapisi dengan katalis V2O5 kemudian dikarakterisasi. Karakterisasi ini meliputi pengukuran kinerja membran yaitu permeabilitas membran (seperti yang dikemukakan pada subbab III.2.3.1) dan permselektivitas membran serta karakterisasi morfologi membran dengan SEM dan EDX (seperti yang dikemukakan pada subbab III.2.3.4).
28
III.2.5.1 Permselektivitas Membran
Untuk menentukan permselektivitas membran, dilakukan filtrasi seperti yang dinyatakan pada sub bab III.2.3.1. Fasa umpan yang digunakan adalah larutan Pb2+. Larutan permeat ditampung selama 15 menit untuk dianalisis. Absorbansi larutan umpan sebelum dan sesudah difiltrasi serta permeat yang diperoleh dianalisis menggunakan spektrofotometer serapan atom GBC AVANTA-A6506 pada panjang gelombang maksimum 217 nm. Penentuan konsentrasi dilakukan dengan menggunakan kurva kalibrasi. Permselektivitas membran dinyatakan sebagai rejeksi membran (dalam %). Rejeksi membran dihitung dengan persamaan II.3 dimana konsentrasi larutan umpan (Cf) ditentukan sebagai fungsi waktu.
29