BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
IV.1 Analisis difraksi sinar–X serbuk ZrSiO4
ZrSiO4 merupakan bahan baku utama pembuatan membran keramik ZrSiO4. Untuk mengetahui kemurnian serbuk ZrSiO4, dilakukan analisis menggunakan teknik difraksi sinar-X. Difraktogram serbuk ZrSiO4 dapat dilihat pada gambar IV.
Gambar IV.1 Difraktogram sinar–X serbuk ZrSiO4
Gambar IV.2 Difraktogram sinar-X serbuk ZrSiO4 PDF
26
Nilai 2θ serbuk ZrSiO4 yang diperoleh dari analisis difraksi sinar-X (Gambar IV.1) yaitu 20,02; 27,02; 35,58; 38,6; 40,64; 43,78; 47,6; 52,24; 53,64; 55,6; 62,9; 67,8; 68,74; 80,74; 80,76; 88,94. Jika hasil analisis tersebut dibandingkan dengan sudut 2θ yang diperoleh dari PDF (Gambar IV.2), serbuk ZrSiO4 yang digunakan untuk pembuatan membran memiliki kemiripan 73,68%. Maka dapat dikatakan bahwa serbuk yang digunakan merupakan serbuk ZrSiO4.
IV.2 Pembuatan membran ZrSiO4
Untuk membuat membran komposit keramik ZrSiO4-TiO2, dibuat terlebih dahulu pendukung membran ZrSiO4. Pendukung membran ini kemudian dilapisi dengan TiO2 sebagai lapisan selektif membran pendukung. Pembuatan pendukung membran ZrSiO4 dilakukan menggunakan metode sintering menghasilkan membran ZrSiO4 yang keras dan tidak mudah pecah. Tahap sintering dimulai dengan mencetak serbuk ZrSiO4 dengan cara uniaxial pressing menggunakan cetakan dengan diameter 2,475 cm. Sebelum digunakan, serbuk ZrSiO4 diayak menggunakan ayakan berukuran 400 mesh, sehingga didapatkan ukuran serbuk yang lebih kecil. Serbuk awal ZrSiO4 yang tidak diayak akan menghasilkan membran ZrSiO4 yang mudah pecah, sedangkan serbuk ZrSiO4 yang diayak, menghasilkan membran ZrSiO4 yang keras dan tidak mudah pecah. Ukuran serbuk awal mempengaruhi kualitas membran ZrSiO4 yang dihasilkan, saat di-sinter proses difusi antarmuka akan terjadi jika ukuran partikel lebih kecil. PVA yang digunakan sebagai zat pengikat (binder) yaitu PVA dengan BM 72.000. PVA dengan BM yang lebih rendah menghasilkan membran ZrSiO4 yang retak dan mudah pecah. PVA merupakan partikel yang dapat membentuk jembatan antara serbuk keramik sehingga PVA dengan BM yang lebih tinggi akan memberikan kekuatan melekat yang lebih besar. PVA juga merupakan aditif yang berfungsi mencegah terjadinya retak pada membran pada saat dipanaskan selama proses
sintering. PVA yang kita gunakan sebagai pengikat terlebih dahulu dilarutkan dalam
27
air panas. Hal ini bertujuan agar serbuk PVA terdispersi lebih merata dalam campuran cetak membran ZrSiO4. Pada saat dipanaskan pada suhu sintering, green
compact ZrSiO4 akan mengalami penyusutan. Besarnya penyusutan yang terjadi dapat dilihat pada Gambar IV.3. Penyusutan green compact ZrSiO4 dengan komposisi 90: 0,2: 9,8 lebih besar dibandingkan komposisi 95: 0,1: 4,9. Penyusutan yang lebih tinggi dihasilkan pada suhu sintering yang lebih tinggi.
Penyusutan berat
% Penyusutan
10 8 90:0,2:9,8
6
95:0,1:4,9
4 2 0 1200
1300
1400
Suhu Sintering (oC)
Gambar IV.3 Aluran penyusutan berat terhadap suhu sintering IV.3 Variasi komposisi
Ukuran pori membran ZrSiO4 dipengaruhi oleh perbedaan komposisi campuran membran ZrSiO4, PVA dan air yang digunakan. Hal tersebut dapat kita lihat dari perbedaan fluks yang dihasilkan oleh membran ZrSiO4 dengan berbagai komposisi yang bisa dilihat pada Gambar IV.4. Uji permeabilitas membran dilakukan pada 3 skala laju alir.
28
Mem bran ZrSiO4 suhu sintering 1200oC 90:0,2:9,8 Fluks (L/jam m 2)
120
R2 = 0.9814
95:0,1:4,9
100 80 R2 = 0.9887
60 40 20 100
200
300
400
Laju Alir (L/jam )
(a) Mem bran ZrSiO4 suhu sintering 1300oC
Fluks (L/jam m 2)
120
90:0,2:9,8 R2 = 0.9947
95:0,1:4,9
100 80
R2 = 0.9831
60 40 20 100
200
300
400
Laju Alir (L/jam )
(b)
Mem bran ZrSiO4 suhu sintering 1400oC
Fluks (L/jam m 2)
120 100
90:0,2:9,8 95:0,1:4,9 R2 = 1
80 60
R2 = 0.9999
40 20 100
200
300
400
Laju Alir (L/jam )
(c) Gambar IV.4 Aluran fluks terhadap laju alir untuk membran pendukung ZrSiO4 yang di-sinter pada berbagai suhu (a). 1200oC, (b). 1300oC, dan (c). 1400oC
29
Gambar IV.4 memperlihatkan bahwa komposisi pendukung membran ZrSiO4 dengan perbandingan 90: 0,2: 9,8 memiliki fluks yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluks pendukung membran dengan komposisi 95: 0,1: 4,9. Berdasarkan hal tersebut, maka variasi komposisi membran ZrSiO4 90: 0,2: 9,8 dipilih sebagai membran yang akan dilapisi dengan TiO2. Konsentrasi aditif yang lebih rendah menghasilkan struktur membran yang lebih rapat, sehingga fluks air akan semakin rendah. Pada saat laju alir meningkat, maka fluks juga meningkat secara linier. Hal tersebut disebabkan karena gaya dorong yang besar akan lebih memudahkan umpan untuk berpermeasi melalui membran.
IV.4 Variasi suhu sintering
Ukuran pori pendukung membran ZrSiO4 dipengaruhi oleh suhu sintering. Variasi suhu sintering yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 1200, 1300 dan 1400oC. Secara kuantitatif, pori pendukung membran ZrSiO4 tergambar oleh fluks yang dihasilkan membran pada tekanan yang sama.1 Fluks pendukung membran untuk setiap komposisi pada berbagai suhu dapat dilihat pada gambar IV.5.
Laju alir 157,61 L/jam
Fluks (L/jam m2)
60
90:0,2:9,8 95:0,1:4,9
50 40 30 20 1200
1300
1400 o
Suhu Sintering ( C)
(a)
30
Laju alir 283,43 L/jam 100
90:0,2:9,8
Fluks (L/jam m 2)
95:0,1:4,9 80 60 40 20 1200
1300
1400 o
Suhu Sintering ( C)
(b)
Laju alir 283,43 L/jam 90:0,2:9,8 Fluks (L/jam m 2)
120
95:0,1:4,9
100 80 60 40 20 1200
1300
1400 o
Suhu Sintering ( C)
(c) Gambar IV.5 Aluran fluks pendukung membran ZrSiO4 terhadap suhu sintering padaberbagai laju alir a. 157,61; b. 283,43; c. 381,02 L/jam Gambar IV.5 memperlihatkan bahwa suhu sintering 1300oC menghasilkan nilai fluks yang paling tinggi, sehingga dipilih sebagai suhu sintering yang akan digunakan untuk menghasilkan pendukung membran ZrSiO4 yang akan dilapisi dengan TiO2. Fluks akan meningkat seiring dengan naiknya suhu sintering.(11) Hal ini dapat dilihat dari meningkatnya fluks pendukung membran ZrSiO4 yang di-sinter pada suhu 1200 dan 1300oC. Untuk suhu sintering 1400oC, fluks pendukung membran ZrSiO4
31
terhadap air menurun. Hal ini disebabkan karena suhu 1350-1400oC merupakan zona transisi zirkon.(11) Pada zona transisi ini terjadi proses pemadatan yang menyebabkan porositas menurun, sedangkan proses penyusutan pendukung membran akan meningkat.
IV.5 Membran ZrSiO4-TiO2
120
R2 = 0.9963
ZrSiO4 Fluks (L/jam m2)
100
ZrSiO4-TiO2
80
60
R2 = 0.99 40
20 100
200
300
400
Laju Alir (L/jam)
(a) Permeabilitas membran ZrSiO4-TiO2 80
Air
Fluks (L/jam m 2)
Larutan Pb(II) 60
R2 = 0.9863 R2 = 0.9912
40
20 100
200
300
400
Laju Alir (L/jam )
(b) Gambar IV.6 Aluran fluks membran ZrSiO4-TiO2 terhadap laju alir (a) larutan umpan air, (b) larutan umpan Pb(NO3)2
32
Gambar IV.6.(a) menunjukkan fluks terhadap air pendukung membran ZrSiO4 dan membran ZrSiO4 yang telah dilapisi dengan TiO2. Membran ZrSiO4-TiO2 memiliki fluks yang lebih kecil dibandingkan pendukung membran ZrSiO4. Hal ini terjadi karena partikel TiO2 yang menutupi permukaan membran ZrSiO4 memiliki ukuran partikel yang lebih kecil daripada partikel ZrSiO4, sehingga secara keseluruhan membran ZrSiO4-TiO2 memiliki struktur yang lebih rapat daripada pendukung membran ZrSiO4. Gambar IV.6.(b) memperlihatkan fluks membran ZrSiO4-TiO2 terhadap air dan larutan Pb(II). Pada laju alir 157,61 L/jam dan 283,43 L/jam membran ZrSiO4-TiO2 menunjukkan fluks yang lebih rendah dibandingkan fluks pendukung membran ZrSiO4. Pada laju alir 381,02 L/jam membran ZrSiO4-TiO2 menunjukkan fluks terhadap larutan Pb(II) yang lebih tinggi dibandingkan terhadap air. Hal ini disebabkan karena pada laju alir tersebut lapisan TiO2 terlepas dari pendukung membran ZrSiO4. Rapatnya struktur membran ZrSiO4-TiO2 dibandingkan pendukung membran ZrSiO4 dapat dikonfirmasi oleh analisis morfologi permukaan dan penampang lintang pendukung membran ZrSiO4 dan membran ZrSiO4-TiO2 (Gambar IV.7)
(a)
(b)
33
(c)
(d)
Gambar IV.7 Gambar morfologi SEM (a). penampang melintang membran ZrSiO4, (b).penampang melintang membran ZrSiO4-TiO2, (c). permukaan membran ZrSiO4, (d). permukaan membran ZrSiO4-TiO2 Gambar IV.7 b menunjukkan lapisan TiO2 yang menutupi membran ZrSiO4 dengan ketebalan >50 μm. Gambar IV.7.d. memperlihatkan bahwa ada partikel yang halus menutupi permukaan pendukung membran yang telah dilapisi oleh TiO2. Dapat diamati juga bahwa partikel TiO2 (Gambar IV.7.d) memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan partikel pembentuk pendukung membran ZrSiO4 (Gambar IV.7.c). Kecilnya ukuran partikel TiO2 menghasilkan membran ZrSiO4-TiO2 dengan struktur yang lebih rapat dibandingkan pendukung membran ZrSiO4. Analisis morfologi permukaan pendukung membran ZrSiO4 menunjukkan bahwa membran ZrSiO4 merupakan membran yang memiliki pori berukuran mikro. Tabel IV.1. Hasil EDX membran ZrSiO4 Unsur O Al K Si K Zr L
Senyawa Al2O3 SiO2 ZrO2
34
Tabel IV.2. Hasil EDX membran ZrSiO4-TiO2 Unsur O Ti K
Senyawa TiO2
EDX membran ZrSiO4-TiO2 (Tabel IV.2) tidak memperlihatkan adanya senyawa SiO2 dan ZrO2 yang teramati pada pendukung membran ZrSiO4 (Tabel IV.1). Hal ini mungkin terjadi karena lapisan TiO2 yang terlalu tebal, sehingga instrumen SEMEDX tidak bisa memindai lapisan pendukung membran ZrSiO4. EDX hanya bisa memindai unsur dengan kedalaman 2 μm.
IV.6 Selektivitas membran ZrSiO4-TiO2
60
60 Umpan
Permeat
50
Konsentrasi(ppm)
Konsentrasi(ppm)
Umpan
50 40 30 20 10
Permeat
40 30 20 10
0 0
50
100 Waktu (menit)
150
200
0 0
(a)
50
100
Waktu (menit)
150
200
(b)
Gambar IV.8 Aluran konsentrasi Pb dalam umpan dan permeat terhadap waktu (a). membran 1, (b). membran 2 Untuk mempelajari selektivitas membran ZrSiO4-TiO2, membran ditempatkan dalam sel aliran kontinu yang berisi larutan Pb(NO3)2. Gambar IV.8. memperlihatkan terjadinya penurunan konsentrasi Pb+2 yang terkandung dalam fasa umpan, sedangkan konsentrasi Pb+2 dalam permeat relatif stabil. Hal ini menjadi petunjuk bahwa terjadi penyerapan Pb+2 oleh membran ZrSiO4-TiO2. Dari data tersebut, dapat dihitung koefisien rejeksi membran ZrSiO4-TiO2 menggunakan persamaan II.2.
35
100 Koefisien rejeksi (% )
K oe fis ie n e je k s i (% )
100
90
80
70
80 60 40 20
60
0 0
50 50
70
90
110
130
150
170
50
100
150
200
Waktu (menit)
190
Waktu (menit)
(a)
(b)
Koefisien rejeksi (%)
100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
Waktu (menit)
(c) Gambar IV.9 Aluran koefisien rejeksi membran ZrSiO4-TiO2 terhadap larutan Pb(II) (a). membran 1, (b) membran 2, (c) rata-rata Gambar IV.9.c. menunjukkan koefisien rejeksi membran ZrSiO4-TiO2 yang relatif stabil pada kisaran 91,46 %. Koefisien rejeksi tersebut diperoleh dengan merataratakan koefisien rejeksi membran 1 dan 2. Hal ini menunjukkan proses pemisahan larutan Pb(II) menggunakan membran ZrSiO4-TiO2 memberikan hasil yang baik. Terjadinya penyerapan Pb2+ oleh membran ZrSiO4-TiO2 dapat dikonfirmasi melalui percobaan sederhana yaitu dengan merendam membran ZrSiO4-TiO2 dalam larutan Pb(NO3)2. Penyerapan Pb2+ oleh membran ZrSiO4-TiO2 akan meningkat seiring dengan waktu (Tabel IV.3).
36
Tabel IV.3. Data penyerapan Pb oleh membran ZrSiO4-TiO2 Waktu 197 menit 18 jam 20 menit
Konsentrasi awal (ppm) 71,570 78,445
Konsentrasi akhir (ppm) 65,262 66,592
Penyerapan (ppm) 6,308 11,853
Gambar IV.10. merupakan hasil analisis morfologi permukaan membran ZrSiO4-TiO2 menggunakan SEM-EDX. Membran yang digunakan yaitu membran yang telah diuji selektivitasnya terhadap larutan Pb2+ dalam sel aliran kontinu. Foto SEM membran ZrSiO4-TiO2 memperlihatkan adanya perbedaan antara membran ZrSiO4-TiO2 sebelum dan setelah diuji selektivitasnya menggunakan larutan Pb2+. Hal ini membuktikan bahwa Pb2+ tertahan oleh membran ZrSiO4-TiO2. Analisis EDX juga memperlihatkan adanya kandungan Pb2+ yang tertahan di dalam membran ZrSiO4TiO2 (Tabel IV.4)
(a)
37
(b) Gambar IV.10 Morfologi permukaan membran ZrSiO4-TiO2 (a). sebelum, (b). setelah diuji selektivitasnya menggunakan larutan Pb(II)
Tabel IV.4. Hasil EDX membran ZrSiO4-TiO2 setelah diuji dengan larutan Pb(II) Unsur O Si K Ti K Zr L Pb M
Senyawa SiO2 TiO2 ZrO2 PbO
38
