Bab IV Hasil dan Pembahasan
IV.1 Serbuk Awal Membran Keramik
Material utama dalam penelitian ini adalah serbuk zirkonium silikat (ZrSiO4) yang sudah ditapis dengan ayakan 400 mesh sehingga diharapkan memiliki ukuran partikel yang seragam. Untuk konfirmasi material yang digunakan, serbuk tersebut dianalisis dengan teknik difraksi sinar-X. Difraktogram difraksi sinar-X serbuk tersebut dapat dilihat pada Gambar IV.1.
Gambar IV.1 Difraktogram XRD serbuk ZrSiO4 yang digunakan
Puncak-puncak khas serbuk material yang digunakan terdapat pada sudut 2θ 20,02o, 27,02o dan 35,58o. Puncak-puncak tersebut mirip dengan puncak-puncak ZrSiO4 pada database standar Powder Diffraction File (PDF) (Lampiran A).
30
IV.2 Pendukung Membran Keramik ZrSiO4 IV.2.1 Pembuatan Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Komposisi campuran yang digunakan untuk membuat membran ZrSiO4 dicantumkan pada Tabel III.1. Poli(vinil alkohol) atau PVA digunakan sebagai zat pengikat (binder) yang berfungsi untuk mempermudah proses pencetakan. Selain itu, penggunaan PVA diharapkan dapat meningkatkan green strength membran ZrSiO4. Hal ini dimungkinkan karena PVA mempunyai gugus –OH yang dapat berfungsi sebagai perekat antarpartikel ZrSiO4. Teknik dry pressing atau penekanan serbuk kering digunakan untuk membentuk green body membran ZrSiO4. Dengan teknik ini, campuran keramik harus dijaga
kekeringannya. Penambahan PVA dan air sebagai pelarut yang terlalu banyak akan menyebabkan campuran tidak bisa dicetak. Selain itu, tekanan yang digunakan untuk mencetak keramik harus diatur. Jika tekanan yang diberikan terlalu lemah, maka green body pendukung membran keramik menjadi rapuh. Green body membran ZrSiO4 di-sinter pada berbagai temperatur, yaitu 1200,
1300 dan 1400 oC dengan waktu penahanan selama satu jam. Setelah di-sinter, membran ZrSiO4 mengalami penyusutan akibat pemanasan atau disebut sebagai susut bakar. Susut bakar spesimen membran keramik dihitung menggunakan nilai rasio antara perubahan dimensi sesudah di-sinter dengan dimensi sebelum disinter (lampiran B). Besaran dimensi yang dimaksudkan adalah ketebalan,
diameter serta volum spesimen keramik. Biasanya, nilai susut bakar volum membran keramik menggambarkan kerapatan struktur membran keramik. Jika nilai susut bakar membran keramik (dalam %) semakin besar, maka membran keramik tersebut akan semakin rapat atau pori yang dimiliki membran keramik semakin sedikit.
31
Tabel IV.1 Nilai susut bakar tebal dan diameter serta susut bakar volum
pendukung membran keramik ZrSiO4 Komposisi A B
Temperatur sintering (oC) 1200 1300 1400 1200 1300 1400
Susut bakar tebal (%) 2,08 6,25 10,42 2,17 6,52 10,87
Susut bakar diameter (%) 1,71 3,93 6,90 1,76 4,03 6,95
Susut bakar volum (%) 5,41 13,47 22,35 5,59 13,90 22,83
Diharapkan susut bakar diameter lebih besar daripada susut bakar linear. Hal itu didasarkan pada fakta bahwa pada posisi vertikal (tebal) partikel-partikel keramik telah bergabung satu sama lain akibat perlakuan tekanan pada saat pembentukan green body membran ZrSiO4 dengan teknik dry pressing. Akan tetapi, Tabel IV.1
memperlihatkan bahwa susut bakar diameter lebih kecil daripada susut bakar tebal pada temperatur sintering yang sama. Hal itu mungkin terjadi akibat orientasi kristalit ZrSiO4 (bentuk kristal tetragonal) lebih acak pada permukaan daripada di bagian dalam (penampang) membran keramik ZrSiO4. Akibatnya, susut bakar diameter lebih kecil daripada susut bakar tebal.
IV.2.2 Karakterisasi Pendukung Membran Keramik ZrSiO4
Untuk mempelajari sifat dan karakteristik membran ZrSiO4 yang telah dibuat, dilakukan karakterisasi meliputi pengukuran kinerja membran (permeabilitas air), analisis SEM dan EDX.
IV.2.2.1 Pengukuran Permeabilitas Air
Permeabilitas air suatu membran dinyatakan sebagai fluks air yang dapat melewati membran. Sebelum dilakukan pengukuran fluks air, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Kompaksi ini diharapkan akan menyebabkan deformasi mekanik pada matriks membran sehingga struktur pori membran menjadi lebih rapat serta membentuk susunan yang kompak. Setelah kompaksi dilakukan maka membran diharapkan
32
mempunyai fluks dan rejeksi yang tetap konstan. Dalam penelitian ini, waktu kompaksi membran ZrSiO4 terhadap umpan air adalah 40 menit. Gambar IV.2 menunjukkan bahwa pada temperatur sintering yang sama (1300oC), fluks membran komposisi A (ZrSiO4 = 95 %) lebih kecil daripada fluks membran komposisi B (ZrSiO4 = 90 %). Banyaknya binder (PVA) dan pelarut (air) yang ditambahkan ke dalam campuran membran mempengaruhi porositas membran. Semakin banyak binder yang ditambahkan, maka antarpartikel keramik semakin terikat dengan baik sehingga terbentuk gabungan partikel yang lebih besar daripada partikel serbuk awal keramik. Akibat perlakuan sintering, pori yang terbentuk dari partikel besar akan lebih besar daripada pori yang terbentuk dari partikel yang kecil.
120
fluks (L/m2jam)
100 80
komposisi A
60
komposisi B
40 20 0 0
20
40
60
80
100
120
laju alir (mL/s)
Gambar IV.2 Grafik permeabilitas air membran ZrSiO4 dengan temperatur sintering 1300 oC terhadap laju alir
Dalam penelitian ini, membran komposisi B dianggap lebih baik karena mempunyai fluks yang lebih besar daripada membran komposisi A. Setelah dilapisi katalis V2O5, diharapkan membran tetap mempunyai fluks yang besar dan rejeksi yang besar pula. Fluks membran keramik ZrSiO4 pada temperatur sintering 1300 oC relatif lebih tinggi daripada membran yang di-sinter pada temperatur yang lain (Gambar IV.3).
33
Oleh karena itu, dalam penelitian ini dipilih temperatur 1300
o
C sebagai
temperatur sintering membran ZrSiO4. Selain itu, berdasarkan penghitungan densitas membran ZrSiO4 (subbab IV.2.2.2), diharapkan membran keramik ZrSiO4 yang di-sinter pada temperatur 1300 oC memiliki struktur yang lebih kompak (rapat) daripada membran keramik ZrSiO4 yang di-sinter pada temperatur 1200 oC.
120 fluks (L/m2 jam)
100 80 60 laju alir = 44 mL/s
40
laju alir = 78 mL/s laju alir = 106 mL/s
20 0 1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
temperatur (o C)
Gambar IV.3 Grafik permeabilitas air pendukung membran ZrSiO4 komposisi B
terhadap temperatur sintering pada berbagai kondisi laju alir
IV.2.2.2 Perhitungan Densitas Membran ZrSiO4
Densitas atau massa jenis keramik ditentukan dengan metode piknometri (Lampiran D). Hasil percobaan menunjukkan adanya kecenderungan bahwa semakin banyak ZrSiO4 yang digunakan, maka densitasnya menjadi semakin besar (Tabel IV.2). Tabel IV.2 Densitas pendukung membran ZrSiO4 pada temperatur sintering
1400 oC Densitas (kg/m3) 4403,07 4390,31
Komposisi A (ZrSiO4 = 95 %) B (ZrSiO4 = 90 %)
34
Gambar IV.4 menunjukkan adanya kecenderungan bahwa semakin tinggi temperatur sintering, maka densitasnya menjadi semakin besar. Hal tersebut bisa dimaklumi karena semakin tinggi temperatur sintering yang digunakan, maka membran keramik menjadi semakin rapat atau padat. Akibatnya densitas membran keramik semakin besar jika temperatur sintering dinaikkan.
densitas membran (kg/m 3)
4400 4375 4350 4325 4300 4275 4250 1150
1200
1250
1300
1350
1400
1450
o
temperatur sintering ( C)
Gambar IV.4 Grafik densitas pendukung membran keramik ZrSiO4 komposisi
B terhadap temperatur sintering
Pada dasarnya, densitas bisa digunakan untuk menghitung porositas membran keramik. Porositas membran keramik merupakan perbandingan selisih densitas (teori dan hasil percobaan) dengan densitas teori. Akan tetapi, dalam penelitian ini digunakan ZrSiO4 yang tidak murni (teknis) sehingga densitas teoritis ZrSiO4 yang digunakan tidak diketahui.
IV.2.2.3 Analisis SEM dan EDX
Membran terbaik yang memiliki permeabilitas air paling besar, dianalisis dengan SEM dan EDX. Selama proses sintering, terjadi reaksi fasa padat sehingga dapat menyebabkan terjadinya perubahan struktur mikro sistem keramik, yang berbeda jika dibandingkan struktur mikro serbuk awal ZrSiO4. Gambar IV.2 menunjukkan
35
struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO4 campuran B setelah di-sinter pada temperatur 1300 oC.
Gambar IV.5 Stuktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO4 komposisi B
dengan temperatur sintering 1300 oC perbesaran 5000 X Hasil foto SEM menunjukkan bahwa membran cukup berpori dengan ukuran pori dalam orde mikro. Walaupun demikian, terlihat bahwa pori membran keramik ZrSiO4 tidak homogen. Ada pori yang terlihat besar, namun ada juga yang terlihat kecil. Fenomena tersebut mungkin disebabkan ukuran partikel serbuk ZrSiO4 yang tidak seragam atau terjadi pengkasaran butir (grain coarsening) selama proses sintering serta kurang homogennya pencampuran material pembentuk keramik yang dilakukan dengan cara manual. Hasil analisis EDX digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan unsur-unsur penyusun membran keramik. Analisis EDX dilakukan pada permukaan pendukung membran keramik ZrSiO4 komposisi B temperatur sintering 1300 oC dengan perbesaran 1000X (Lampiran E). Unsur-unsur penyusun pendukung membran keramik diperlihatkan pada Tabel IV.3.
36
Tabel IV.3 Unsur-unsur penyusun pendukung membran keramik komposisi B
dengan temperatur sintering 1300 oC Unsur O Al Si Zr
% massa 25,24 1,08 15,91 57,76
Walaupun % massa hasil analisis EDX tidak bisa merepresentasikan secara kuantitatif banyaknya unsur penyusun membran keramik, tetapi dapat memberikan gambaran secara kualitatif mengenai komposisi unsur penyusun pendukung membran keramik. Hasil analisis EDX juga menunjukkan adanya logam pengotor yaitu alumunium (Al) dalam bentuk Al2O3 (lampiran E) dalam membran keramik ZrSiO4. Keberadaan Al2O3 dapat menjadi petunjuk bahwa serbuk ZrSiO4 yang digunakan tidak murni (teknis) walaupun sudah mengalami pengolahan sebelumnya dari mineral alam. Serbuk ZrSiO4 inilah yang biasa digunakan para pengrajin keramik konvensional sebagai pengopak glasir untuk melindungi badan keramik.
IV.3 Membran Keramik ZrSiO4-V2O5 IV.3.1 Pembuatan Membran Keramik ZrSiO4-V2O5
Dari hasil karakterisasi subbab IV.2.2, membran pendukung yang dilapisi dengan V2O5 adalah membran keramik komposisi B (ZrSiO4 = 90 %, PVA = 0,4 % dan air 9,6 %) yang di-sinter pada temperatur 1300 oC. Pelapisan V2O5 dilakukan dengan metode dip coating, yaitu dengan cara merendam membran keramik ZrSiO4 dalam larutan kompleks (NH4)2[VO(C2O4)2] yang berwarna biru pekat. Larutan dalam cawan petri dikeringkan pada suhu 180 o
C selama 6 kemudian dipanaskan pada temperatur 500 oC agar membentuk
lapisan V2O5 yang berwarna kuning pada permukaan membran keramik serta untuk menghilangkan sisa pelarut27.
37
V2O5 yang terdapat di permukaan pendukung membran keramik dilelehkan pada temperatur 900 oC. Kondisi ini menyebabkan sebagian lelehan V2O5 akan masuk ke pori membran keramik dan sebagian melingkupi butiran partikel membran keramik. Sebagai konsekuensinya, ditemui bahwa V2O5 melapisi membran ZrSiO4 dengan kuat. V2O5 tidak mudah terlepas saat membran keramik ZrSiO4V2O5 dikenai aliran air selama berada dalam sel aliran kontinu
IV.3.2 Karakterisasi Membran Keramik ZrSiO4-V2O5 IV.3.2.1 Analisis SEM dan EDX
Hasil foto SEM trhadap struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO4V2O5 menunjukkan adanya partikel-partikel V2O5 melingkupi partikel ZrSiO4. Selain itu terdapat butiran halus V2O5 yang lebih terang pada permukaan dan kedalaman membran.
Gambar IV.6 Struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO4-V2O5 perbesaran 5000X
38
Hasil analisis SEM terhadap struktur mikro penampang melintang membran keramik ZrSiO4-V2O5 menunjukkan bahwa antarmuka (interface) lapisan V2O5 dengan pendukung membran ZrSiO4 tidak terlalu jelas terlihat. Hal itu mungkin terjadi karena lelehan V2O5 masuk ke dalam pori membran pendukung ZrSiO4. Walaupun demikian, jika diperhatikan dengan lebih cermat terlihat bahwa fasa V2O5 lebih rapat daripada fasa ZrSiO4.
PERMUKAAN
PENAMPANG MELINTANG
Gambar IV.7 Struktur mikro penampang melintang membran keramik ZrSiO4-V2O5 perbesaran 5000X
Hasil analisis EDX digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan unsur-unsur penyusun membran keramik. Analisis EDX dilakukan pada permukaan membran keramik ZrSiO4-V2O5 dengan perbesaran 1000X (Lampiran F). Unsur-unsur penyusun membran keramik ZrSiO4-V2O5 diperlihatkan pada Tabel IV.4. Tabel IV.4 Unsur-unsur penyusun membran keramik ZrSiO4-V2O5
Unsur O Al Si V Zr
% massa 35,18 0,84 14,81 0,71 48,46
39
Analisis EDX mengungkapkan bahwa logam vanadium (V) dalam bentuk V2O5 jumlahnya sangat sedikit pada permukaan membran keramik. Hal ini mengkonfirmasi foto SEM (Gambar IV.7) yang menunjukkan bahwa lapisan V2O5 yang terbentuk jauh lebih tipis daripada pendukung membran keramik ZrSiO4. Selain itu, elektron yang digunakan untuk analisis EDX hanya mampu menembus sekitar 2 μm dari ketebalan sampel sehingga V2O5 yang masuk ke dalam pori membran tidak bisa dideteksi.
IV.3.2.2 Pengukuran Permeabilitas Air
Permeabilitas air suatu membran dinyatakan sebagai fluks air yang dapat melewati membran. Seperti yang dinyatakan pada subbab IV.2.2.1, sebelum dilakukan pengukuran permeabilitas air, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Dalam penelitian ini, volum permeat yang konstan diperoleh setelah dilakukan kompaksi selama 40 menit. Setelah membran dikompaksi, fluks dan rejeksi membran cenderung tetap konstan karena struktur pori membran menjadi lebih kompak.
140 y = 1.3281x - 22.3767 R 2 = 0.9900
fluks (L/m2 jam)
120 100 80
ZrSiO4-V2O5 y = 1.155x - 17.501 R 2 = 0.9916
60
ZrSiO4
40 20 0 0
20
40
60
80
100
120
laju alir (mL/s)
Gambar IV.8 Grafik permeabilitas air pendukung membran ZrSiO4 dan membran
keramik ZrSiO4-V2O5
40
Pada Gambar IV.8 terlihat bahwa fluks air membran keramik ZrSiO4-V2O5 lebih besar daripada membran ZrSiO4. Hal ini mungkin terjadi karena V2O5 bersifat hidrofil28. Lapisan selektif membran yang bersifat hidrofil dapat memfasilitasi terjadinya permeasi yang lebih baik.
IV.3.2.3 Permselektivitas Membran
Dalam penelitian ini, permselektivitas membran dinyatakan sebagai rejeksi membran terhadap larutan Pb2+. Jika rejeksi membran sama dengan 100 %, artinya tidak ada ion Pb2+ yang dilewatkan. Sebaliknya jika rejeksi membran sama dengan 0 %, artinya semua ion Pb2+ dilewatkan. Seperti halnya pengukuran permeabilitas air membran, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Dalam penelitian ini, volum permeat yang konstan diperoleh setelah dilakukan kompaksi selama 40 menit. Permeabilitas membran ZrSiO4-V2O5 terhadap larutan umpan Pb2+ menunjukkan hasil yang sama dengan permeabilitas membran ZrSiO4-V2O5 terhadap larutan umpan air (Lampiran H) Pengukuran rejeksi membran dilakukan pada laju alir operasional 44 mL/s. Hasil pengukuran rejeksi membran terhadap larutan Pb2+ menggunakan dua replika membran, memberikan rejeksi yang cukup baik. Rata-rata rejeksi kedua replika membran tersebut sekitar 90 %.
41
100 90 80 rejeksi (%)
70 60
replika 1
50
replika 2
40 30 20 10 0 0
20
40
60
80
100
waktu (menit)
Gambar IV.9 Grafik rejeksi membran keramik ZrSiO4-V2O5 terhadap ion Pb2+ pada berbagai waktu
Untuk mengkonfirmasi keberadaan ion Pb2+ dalam pori membran, dilakukan analisis EDX terhadap permukaan membran yang sudah digunakan untuk pengukuran permselektivitas membran. Analisis EDX dilakukan pada permukaan membran dengan perbesaran 1000X (Lampiran I). Tabel IV.6 menunjukkan unsur-unsur yang terdapat pada membran. Tabel IV.5 Unsur-unsur yang terdapat pada membran ZrSiO4-V2O5 yang sudah
digunakan untuk mengukur rejeksi membran terhadap larutan Pb2+ Unsur N O Si V Zr Pb
% massa 15,41 28,30 11,89 0,59 39,89 3,92
Tabel IV.5 memperlihatkan bahwa sebagian Pb2+ masuk ke dalam pori membran selama proses pengukuran permselektivitas membran. Ukuran jari-jari atom Pb yang kecil, sekitar 180 pm atau sekitar 0,00018 μm, mengakibatkan Pb2+ dapat masuk ke dalam pori membran keramik ZrSiO4.
42
