17 BAHAN DAN METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboraturium Biofisika, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Penelitian akan dilaksanakan pada bulan September 2010 sampai September 2011. Bahan dan Alat Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu daun lidah buaya dan aquades. Alat yang digunakan, terdiri dari: Pembeban (400 gram, 500 gram, 600 gram, 700 gram, 800 gram), PASCO CI-6746 untuk sensor gaya yang dihubungkan dengan komputer untuk uji compression strength dan tensile strength, PASCO WA-9857 (sine wave generator) untuk uji vibration strength, alat uji fluks air sistem dead-end, mikrometer sekrup, neraca timbangan, penggaris, tissue, alat tulis, pisau, kaca, isolatip, kamera, gunting Metode Penelitian Penelitian ini meliputi dua tahapan yaitu tahap pembuatan membran dari bahan daun lidah buaya dengan diberi gaya yang bervariasi dan tahap karakterisasi compression strength, tensile strength, dan vibration strength, serta uji fluks air sistem dead-end pada membran daun lidah buaya. Persiapan Penelitian Sebelum pelaksanaan penelitian, pencarian pustaka seperti artikel, skripsi, buku, dan sebagainya dilakukan untuk mempersiapkan dasar-dasar teori, perumusan fisika yang berhubungan dengan penelitian sebagai acuan. Persiapan Eksperimen Persiapan eksperimen yang akan dilakukan antara lain penyediaan bahan dan perancangan sistem. Penyediaan bahan, antara lain: pembuatan membran dengan bahan dasar daun lidah buaya yang telah dikeringkan dengan kadar air yang telah disesuaikan pada suhu ruang (sekitar 29 ºC). Perancangan sistem, antara lain: pembuatan skema alat ukur untuk compression strength, tensile strength, dan vibration strength, serta pembuatan skema alat uji fluks air.
Eksperimen Eksperimen terdiri atas tahap-tahap pembuatan membran daun lidah buaya dan uji karakterisasi sifat mekanik, serta uji fluks air. Pengambilan Data Pembuatan membran daun lidah buaya a. Membran daun lidah buaya sebagai kontrol Daun lidah buaya dipotong dengan ukuran tertentu, sesuai alat uji masing-masing. Setelah dipotong dengan tebal awal 0,5 cm dan ukuran membran yang telah disesuaikan, daun lidah buaya dikeringkan selama 4 hari pada suhu ruang (sekitar 29 ºC). Alas yang digunakan terbuat dari kaca, karena kaca tidak dapat menyerap air pada daun lidah buaya tersebut. Ilustrasi pengeringannya dapat dilihat pada Gambar 12, serta pada Gambar 13 adalah hasil membran daun lidah buaya setelah dikeringkan. b. Membran daun lidah buaya dengan variasi pembeban Daun lidah buaya dipotong dengan ukuran yang sama seperti membran daun lidah buaya sebagai kontrol. Setelah dipotong, daun lidah buaya dikeringkan selama lebih kurang 4 hari pada suhu ruang (sekitar 29 ºC). Sebagai variabelnya, daun lidah buaya tersebut diberi tekanan yang bervariasi pada saat proses pengeringan berlangsung. Gaya tekan pembebanan ditentukan adalah 4 N (p1), 5 N (p2), 6 N (p3), 7 N (p4), dan 8 N (p5). Daun lidah buaya yang sudah berupa membran dapat dilakukan pengujian sifat mekanik yaitu compression strength, tensile strength, dan vibration strength, serta uji fluks air dengan sistem dead-end. lidah buaya
kaca
Gambar 12 Teknik pengeringan daun lidah buaya.
Gambar 13 Daun lidah buaya setelah dikeringkan pada suhu ruang (sekitar 29 ºC).
18 7 b.
pembeban
F
kaca/alas
sampel membran
Gambar 14
Skema membran saat diberi variasi pembeban dengan luas (30 x 7) cm.
Uji kuat tarik membran sampai putus Uji kuat tarik dilakukan dengan menjepit membran dan menghubungkan dengan sensor gaya yang langsung terhubungkan dengan komputer. (Seperti dapat dilihat pada Gambar 18). Membran diberi gaya tarik sampai membran putus dan diukur gaya maksimumnya. Pada Gambar 17 dapat dilihat skema uji kuat tarik dengan luas penampang yang digunakan adalah luas membran tersebut (4 x 2) cm, dengan tebal awal membran 0,5 cm dan setelah membran daun lidah buaya dikeringkan, tebal membran menjadi sekitar 0,001 cm.
Pada Gambar 14 dapat dilihat skema membran daun lidah buaya yang dikeringkan dengan diberi variasi pembeban (400 gram, 500 gram, 600 gram, 700 gram, dan 800 gram).
membran
perekat
F L
Karakterisasi sifat mekanik a. Uji kuat tekan membran sampai patah Membran daun lidah buaya dengan tebal awal 0,5 cm. Setelah membran daun lidah buaya dikeringkan, tebal membran menjadi sekitar 0,001 cm dan memiliki ukuran (3 x 1) cm direkatkan pada kedua sisi dengan isolatip dan ditekan tepat pada tengah-tengah membran. Ujung alat penekan yang digunakan dibuat tidak runcing (tumpul) dengan luasan alat penekan 0,94 cm2, seperti dapat dilihat pada Gambar 15. Pengujian dilakukan sampai membran patah dan diukur gaya maksimumnya, dapat dilihat uji kuat tekan pada Gambar 16.
Gambar 17 Skema uji kuat tarik.
Gambar 18 Tensile strength.
membran
c.
Uji kuat getar membran sampai putus
jarum penekan perekat
alas membran
Frekuensi tetap
tali penghubung
L Gambar 15 Skema uji kuat tekan.
membran
Gambar 19 Skema uji kuat getar.
Gambar 16 Compression strength.
19 Membran daun lidah buaya diletakkan di alat uji fluks air dengan luasan penampang (4 x 2) cm dan pemberian tekanan yang tetap. Setelah itu, diperoleh hubungan antara volume larutan yang melewati membran dan waktu yang dibutuhkan oleh larutan saat melewati membrane, seperti pada Gambar 21. Gambar 20 Vibration strength.
HASIL DAN PEMBAHASAN Tensile Strength (Kuat Tarik) Pengujian dengan tarikan merupakan salah satu uji untuk sifat mekanik. Semakin kuat suatu bahan ditarik maka semakin baik bahan tersebut digunakan dalam aplikasi teknologi. Luas penampang yang digunakan adalah luas membran daun lidah buaya (4 x 2) cm. Gambar 22 memperlihatkan hubungan kuat tarik dan variasi pembeban saat pengeringan dan tanpa pembebanan (kontrol) pada membran. Pada uji kuat tarik, sampel membran daun lidah buaya yang tanpa pembebanan saat pengeringan (kontrol) merupakan yang paling kuat. Hal ini dapat dilihat dari gaya yang diberikan untuk menarik membran pun akan semakin besar. Pada sampel membran daun lidah buaya yang diberikan pembeban ternyata bahwa semakin besarnya pembeban yang diberikan, maka semakin kecil kuat tarik yang diperoleh. Membran daun lidah buaya yang tanpa pembeban (kontrol), dan diberikan beban 400 gram, 500 gram, 600 gram, 700 gram, dan 800 gram, masing-masing membran menghasilkan kuat tarik berturut-turut sebesar 32,65 N/cm2; 25,40 N/cm2; 14,49 N/cm2; 8,25 N/cm2; 6,82 N/cm2; dan 3,83 N/cm2. Kuat tarik yang paling besar terdapat pada membran daun lidah buaya yang tanpa pembeban saat pengeringan (kontrol). Hal ini karena pada saat dilakukan pengeringan tanpa adanya pembeban, daun lidah buaya memiliki serat yang sangat kuat. kuat tarik (N/cm2)
Membran daun lidah buaya dengan tebal awal 0,5 cm. Setelah membran daun lidah buaya dikeringkan, tebal membran menjadi sekitar 0,001 cm dan luas membran (10 x 0.1) cm. Kuat getar dilakukan untuk menentukan seberapa besar daya tahan membran apabila digetarkan. Kuat getar juga dilakukan untuk menentukan jumlah getaran yang mampu ditahan membran dalam selang waktu tertentu sampai putus. Pada pengujian ini, membran digetarkan dengan frekuensi tetap secara kontinyu sampai membran putus. Setelah itu, dihitung jumlah getaran yang dapat ditahan oleh membran. Gambar 19 adalah skema uji getar pada membran daun lidah buaya dan Gambar 20 pengujian Vibration strength pada membran daun lidah buaya, dengan frekuensi yang disesuaikan. Uji fluks air Uji fluks air pada membran daun lidah buaya ini dilakukan dengan sistem dead-end, yaitu larutan umpan yang dialirkan secara tegak lurus terhadap membran. Uji fluks deadend untuk menguji kemampuan menyaring membran daun lidah buaya. Pada pengujian ini, membran yang sudah dikeringkan, direndam dengan menggunakan aquades sekitar 4 hari pada suhu ruang (sekitar 29 ºC) dengan tebal awal 0,5 cm. Setelah dikeringkan membran daun lidah buaya tebal membran menjadi sekitar 0,001 cm dan ukuran membran (6 x 4) cm, setelah itu dilakukan pengujian.
Gambar 21 Alat uji fluks dead-end.
35 30 25 20 15 10 5 0
kontrol p1 p2 Keterangan : kontrol : pembeban 0 gram p1 : pembaban 400 gram p2 : pembaban 500 gram
Gambar 22
p3 p4 p5 Keterangan : p3 : pembeban 600 gram p4 : pembeban 700 gram p5 : pembeban 800 gram
Nilai kuat tarik pada beberapa membran uji.
20 9 Selain itu, serat daun lidah buaya tidak mengalami perapuhan atau rusak, sehingga saat pengujian kuat tarik, membran kontrol saat pengeringan masih memiliki serat yang utuh (kuat). Sedangkan pada membran yang diberikan variasi pembeban, serat yang dihasilkan mengalami perapuhan karena adanya pembeban sehingga kuat tarik yang dihasilkan kecil. Compression Strength (Kuat Tekan) Kuat tekan dihitung dengan mengukur gaya dibagi dengan luas penampang benda uji yang tegak lurus permukaan. Luas penampang benda yang digunakan untuk menekan permukaan membran berbentuk lingkaran yang diameternya 1,1 cm dan luasnya 0,94 cm2. Gambar 23 memperlihatkan hubungan antara kuat tekan dan variasi pembeban dan tanpa pembeban (kontrol) pada membran. Berdasarkan Gambar 23 tersebut, ternyata kuat tekan membran daun lidah buaya yang tanpa pembeban (kontrol) memiliki nilai kuat tekan yang terbesar daripada membran lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa membran daun lidah buaya tanpa pembeban (kontrol) masih memiliki serat yang sangat kuat, karena tidak adanya perlakuan pembeban sehingga gaya yang dibutuhkan untuk menekan membran sampai putus sangat besar. Pengujian kuat tekan pada membran daun lidah buaya yang tanpa pembeban (kontrol), beban 400 gram, 500 gram, 600 gram, 700 gram, dan 800 gram memiliki nilai kuat tekan masing-masing berturut-turut sebesar 35,81 N/cm2; 28,97 N/cm2; 22,99 N/cm2; 20,11 N/cm2; 15,61 N/cm2; dan 11,51 N/cm2. Pada Gambar 23, membran dengan pembebanan 800 gram menunjukkan nilai kuat tekan kecil. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar pembeban yang digunakan maka kekuatan menjadi kecil, akibatnya serat pada membran rusak atau pecah.
Pada sampel yang diberikan pembeban, tekanan yang diberikan pada luas penampang membran tidak sebesar pada sampel membran tanpa pembeban saat pengeringan. Pada uji kuat tekan dapat dilihat perubahan bentuk saat diberi gaya. Vibration Strength (Kuat Getar) Pada uji kuat getar, frekuensi yang digunakan adalah 30 Hz dengan amplitude maksimum (telah diatur). Pada pengujian kuat getar, semakin banyak jumlah getaran yang dihasilkan maka waktu yang diperlukan pun semakin banyak. Pada uji kuat getar, ternyata membran yang menghasilkan waktu sampai putus tidak dipengaruhi pada variasi pembebanan, tetapi pada saat pengujian, membran dengan ukuran (10 x 0,1) cm, terpotong pada saat tepat di serat daun lidah buaya, sehingga membran membutuhkan waktu yang lama untuk putus. Pada Gambar 24, dapat dilihat bahwa membran daun lidah buaya tanpa pembeban saat pengeringan (kontrol) yang paling tinggi kuat getarnya. Saat pengeringan, membran tanpa beban (kontrol) masih memiliki serat yang utuh, sehingga saat pengujian kuat getar membran daun lidah buaya membutuhkan waktu yang lama sampai membran putus. Serat yang kuat, membuat membran susah untuk putus. Sedangkan untuk membran daun lidah buaya dengan pemberian pembeban saat pengeringan, serat yang terdapat pada daun lidah buaya, sebagian mengalami kerapuhan (pecah), sehingga saat pengujian, waktu yang dibutuhkan tidak sebesar membran tanpa pembeban. Pada uji kuat getar, kuat getar yang paling kecil terdapat pada membran daun lidah buaya yang diberi pembeban 700 gram. Hal ini disebabkan, saat pemberian beban sebesar 700 gram, serat pada membran rapuh (pecah) dan saat pemotongan ukuran membran, tidak ada serat pada lebar ukuran (10 x 0.1) cm. 100000
35.00 30.00
jumlah getaran
kuat tekan (N/cm2)
40.00
25.00 20.00 15.00 10.00 5.00
60000 40000 20000 0
0.00 kontrol
Gambar 23
80000
p1
p2
p3
p4
p5
Nilai kuat tekan pada beberapa membran uji.
kontrol
Gambar 24
p1
p2
p3
p4
p5
Nilai jumlah getar yang mampu ditahan membran pada beberapa sampel uji.
21 10 pengeringan (kontrol) juga paling baik, karena pori yang terdapat pada membran masih kecil. Saat uji filtrasi, serat yang kuat berfungsi menahan partikel-partikel pada pori-pori, sehingga penyaringan (filter) yang dilakukan lebih baik daripada membran yang diberi pembeban. Kondisi membran daun lidah buaya yang disintesis tanpa pembeban memiliki fluks air yang menurun terhadap waktu. Dengan demikian kondisi membran tanpa pembeban (kontrol) berada pada kondisi yang baik atau belum terjadi kerusakan karena pada membran daun lidah buaya tanpa pembeban (kontrol) serat pada membran dapat menahan fouling. Namun berbeda dengan membran daun lidah buaya dengan pemberian pembeban 800 gram, nilai fluks air yang dihasilkan cukup tinggi dan semakin lama waktu filtrasi fluks airnya semakin meningkat. Hal ini dimungkinkan karena membran tersebut mengalami pelebaran pori-pori, sehingga volume air yang melewati membran tersebut semakin meningkat terhadap waktu.
Fluks Air Fluks air merupakan aliran fluida yang melewati membran18. Pada penelitian ini, sistem filtrasi yang digunakan adalah dead end, dengan pemberian tekanan tetap 5 psi dan luasan penampang (4 x 2) cm. Aliran uji filtrasi dead-end ternyata tidak bergantung pada variasi pembebanan. Pada membran tanpa pembeban saat pengeringan (kontrol), terlihat nilai fluks yang dihasilkan masih kecil, karena serat yang terdapat pada membran kontrol masih kuat. Sedangkan pada membran dengan pemberian pembeban 800 gram, nilai fluks air lebih besar, karena serat pada membran sudah rusak akibat pembebanan. Oleh sebab itu partikel-partikel tidak dapat disaring sebaik membran yang tanpa pembeban. Pada sifat mekanik pada membran daun lidah buaya dan kekuatan bahan, membran tanpa pembeban saat pengeringan (kontrol) merupakan yang paling baik. Pada pengujian filtrasi, membran tanpa pembeban saat
fluks air (m3/cm2s)
0.3 0.25
Kontrol 0.2
press 400 gram press 500 gram
0.15
press 600 gram 0.1
press 700 gram press 800 gram
0.05 0 0
200
400
600
800
1000
waktu (s)
Gambar 25 Hubungan fluks air terhadap waktu.
