7
jam dan disonikasi selama 2 jam agar membran yang dihasilkan homogen. Langkah selanjutnya, membran dituangkan ke permukaan kaca yang kedua sisi kanan dan kiri telah diisolasi. Selanjutnya membran direndam pada larutan aquades agar menghasilkan membran. Membran polisulfon yang dihasilkan ada 6 sampel dan satu sampel dijadikan sebagai kontrol, yang dilakukan dengan memvariasikan konsentrasi TiO2 sebanyak 5 konsentrasi berbeda yaitu 0, 0.5, 1, 3, 5, dan 7 %. 3. Perancangan sistem Pengukuran karakterisasi I-V menggunakan alat I-V meter, sedangkan pengukuran kapasitansi, loss coefficient, konduktansi, impedansi, sudut fase (θ) menggunakan LCR Hi-Tester Hioki 5322-50 yang diangkai dengan plat kapasitor. Rangkaian sistem pengukuran ini ditunjukkan pada Gambar 7. Eksperimen Membran yang diukur adalah membran polisulfon menggunakan sampel yang sudah dibuat oleh rekan peneliti. Membran dipotong berukuran (12 x 4) cm. Pengambilan data 1. Karakterisasi arus - tegangan membran polisulfon. Pengukuran karakterisasi arus tegangan peralatan yang digunakan yaitu menggunakan sepasang plat kapasitor yang mengapit membran polisulfon. Pengujian karakterisasi I-V menggunakan I-V meter, software Keithley 2400, komputer. Pengukurannya dilakukan dengan memasukkan nilai tegangan awal, tegangan akhir (-5 volt hingga 5 volt) dan banyaknya data 50, dengan sweep delay sebesar 100. Dari proses ini, secara otomatis akan didapat hasil pengukuran karakterisasi arus - tegangan. 2.
Karakterisasi sifat listrik membran polisulfon. Sifat listrik membran yang akan diukur meliputi kapasitansi (Cs), impedansi (Z), konduktansi (G), loss coefficient (D), dan sudut fase (θ). Membran tersebut diletakan diantara dua buah plat elektroda yang terbuat dari logam Cu. Kedua elektroda diberikan sumber tegangan tetap (Cv) sebesar 1 V dengan delay 9,00 s. Pada tahapan selanjutnya, dilakukan pengaturan parameter yang diukur pada layar LCR meter.
membran
Gambar 7. Skema sistem pengukuran sifat listrik dengan LCR meter.
Parameter diukur dengan memvariasikan frekuensi yaitu 10 Hz, 20 Hz, 80 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 80 kHz, dan 100 kHz. Selain itu, Variabel yang diukur berupa kapasitansi (Cs), impedansi (Z), konduktansi (G), loss coefficient (D), dan sudut fase (θ) yang digunakan untuk menghitung impedansi imajiner (Zim), dan impedansi real (Zreal). Langkah pengoperasiannya dimulai dengan cara menekan tombol pada layar yang sesuai dengan variabel yang akan diukur. Setelah itu catat data ketika menampilkan data yang ketiga agar data tersebut menunjukan nilai yang stabil.
HASIL DAN PEMBAHASAN Polisulfon merupakan polimer yang banyak dipakai pada membran ultrafiltrasi, yang cenderung bersifat hidrofobik, serta memiliki kelarutan yang rendah tetapi masih bisa larut dalam larutan polar.21 Dalam pembuatan membran, polisulfon dicampur dengan pelarut polimer DMAc. Campuran DMAc dengan polisulfon merupakan pasangan yang compatible yang dapat membuat larutan menjadi homogen.1 Dalam penelitian ini, membran yang telah dilarutkan dengan DMAc didadah dengan salah satu bahan yang bersifat semikonduktor yaitu TiO2. Sifat listrik yang telah diuji dalam penelitian ini yaitu mengkarakterisasi arus-tegangan, kapasitansi, loss coefficient, impedansi, konduktansi, dengan berbagai frekuensi. Dari hasil yang diperoleh didapatkan grafik sifat listriknya terhadap variasi frekuensi. Plat kapasitor yang telah digunakan dalam karakterisasi sifat listrik yaitu menggunakan dua buah pelat sejajar yang dibuat dari keping PCB tembaga karena tembaga memiliki sifat konduksi yang baik. Kedua pelat tersebut telah disisipi membran polisulfon yang dihubungkan ke alat karakterisasi sifat listrik.
7
8
Karakterisasi Arus - Tegangan Membran Polisulfon. Hasil penelitian yang diperlihatkan pada Gambar 8 merupakan kurva arus tegangan membran polisulfon yang didadah TiO2 pada berbagai konsentrasi. Berdasarkan literatur, membran polisulfon merupakan polimer yang bersifat isolator, dan hasil karakterisasi arus - tegangan berbentuk linear sehingga menandakan bahwa membran polisulfon merupakan membran netral. Dengan kelinieran grafik, maka dapat diterapkan hukum Ohm dan nilai konduktansi listrik berbanding lurus dengan gradien arus – tegangan. Apabila semakin besar konsentrasi TiO2, maka semakin besar arus pada membran polisulfon, hal ini dapat dijelaskan dengan adanya aliran ion-ion ataupun elektron yang merupakan pembawa aliran arus listrik.20 Berdasarkan hasil penelitian, dengan memperlihatkan kurva tersebut ternyata membran polisulfon dengan konsentrasi TiO2 5% ada perbedaan yang signifikan. Hal ini menandakan bahwa TiO2 merupakan nanomaterial yang memiliki sifat semikonduktor. Asumsi awal bahwa semakin besar konsentrasi TiO2 maka semakin banyak ion dan elektron yang bergerak melintasi membran sehingga kemiringan kurva meningkat. Dengan demikian yang terjadi semakin besar arus yang dihantarkan dalam larutan untuk menembus membran polisulfon. Namun dari hasil yang diperoleh tidak demikian, ternyata pada polisulfon dengan 5% menunjukkan konsentrasi TiO2 kemiringan kurva yang tertinggi, kemudian kurva semakin menurun pada penambahan 14 12 10 8
30
6 4 2 0 -5
-4
-3
-2
-1-2 0
1
2
3
4
5
-4 -6
Kapasitansi Listrik Membran Polisulfon. Berdasarkan prinsip kerja pada kapasitor yaitu suatu kapasitor terdiri dua keping konduktor sejajar yang terpisah. Ketika konduktor-konduktor dihubungkan pada ujung-ujung sumber tegangan, sumber tegangan akan memindahkan muatan positif menuju konduktor yang satu dan muatan negatif pada konduktor yang lain. Ketika suatu dielektrik diletakkan diantara kepingkeping kapasitor, medan listrik dari kapasitor mempolarisasikan molekul molekul dielektrik.
Tegangan (volt)
Kapasitansi ( nF)
Arus (µA)
16
konsentrasi 1%, konsentrasi 0,5%, konsentrasi 7%, dan kurva yang terendah pada konsentrasi 3%. Arus yang dihasilkan pada penambahan konsentrasi 5% berkisar sampai 15,237455 µA, dapat dikatakan membrannya memiliki kemampuan menghantarkan listrik lebih baik dibandingkan dengan konsentrasi 0,5%, 1%, 3%, dan 7%. Hal ini dimungkinkan oleh adanya batasan maksimum perbandingan polisulfon dan penambahan konsentrasi TiO2. Pada penambahan konsentrasi TiO2 5% memiliki arus – tegangan yang paling besar dibandingkan dengan yang lain, kemungkinan pada penambahan TiO2 partikel TiO2 yang terbentuk dengan membran menjadikan pori – porinya lebih homogen sehingga arus yang melewati membran menjadi paling besar dibandingan dengan penambahan konsentrasi TiO2 yang lain. Jika diperhatikan pada Gambar 8, pada kurva bias maju dengan bias mundur menghasilkan kemiringan kurva yang berbeda. Kurva pada bias maju, arus yang dihasilkan lebih besar dibandingkan pada bias mundur. Ketika pada bias maju arusnya berkisar hingga 15 µA sedangkan pada bias mundur hanya berkisar 6 µA, hal tersebut terjadi pada tegangan sumber 5 volt.
25 20 15 10 5 0
-8
1
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 1%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 7%
Gambar 8. Karekterisasi arus-tegangan membran polisulfon yang didadah TiO2 pada berbagai konsentrasi.
10
100
1000
10000
100000
frekuensi (Hz) PSF control PSF + TiO2 1% PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5% PSF + TiO2 3% PSF + TiO2 7%
Gambar 9. Hubungan kapasitansi membran dan frekuensi.
8
frekuensi 20 Hz
25 20
Loss coefficient
Kapasitansi (nF)
9
15 10 5 0 0
0.5
1
3
5
7
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
Konsentrasi TiO2 (%-b/b)
1
Gambar 10. Hubungan konsentrasi TiO2 dan nilai kapasitansi membran.
100
10000
Frekuensi (Hz) PSF control PSF + TiO2 1% PSf + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5% PSF + TiO2 3% PSF + TiO2 7%
Berdasarkan Gambar 9 maka semakin bertambah nilai frekuensinya, nilai kapasitansi yang terjadi pada membran semakin menurun. Hal ini sesuai dengan pemodelan dari Maxwell - Wagner yang menyatakan bahwa nilai kapasitansi semakin menurun secara eksponensial ketika frekuensinya meningkat. Dengan demikian, adanya bahan dielektrik diantara plat kapasitor akan menimbulkan muatan-muatan yang memperlemah medan listrik. Akibatnya muatan dalam kapasitor semakin berkurang dan kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan semakin kecil.22 Dengan adanya peningkatan frekuensi akan mengakibatkan gelombang yang ditransmisikan setiap detiknya semakin banyak. Pada grafik, membran polisulfon yang didadah TiO2 dengan konsentrasi 5% memiliki nilai kapasitansi yang paling tinggi, setelah itu kemampuan tersebut menurun dan dilanjutkan dengan konsentrasi 1%, konsentrasi 0,5%, polisulfon kontrol, konsentrasi 7%, dan yang terendah pada 3%. Selain itu, grafik tersebut menunjukan penurunan nilai kapasitansi yang tajam pada frekuensi dibawah 1 kHz, namun pada frekuensi diatas 1 kHz kapasitansi mengalami penurunan yang landai dan kecil. Hal ini dikarenakan kemungkinan nilai kapasitansi memiliki perubahan yang signifikan pada rentang frekuensi tersebut.
muatan menjadi menurun. Gambar 11 menunjukan pada frekuensi dengan rentang 10 kHz - 0,1 kHz mengalami pengurangan loss coefficient yang tajam dan pada rentang diatas 1 kHz pengurangan yang terjadi cenderung tidak ada perubahan sehingga lebih stabil. Pada kasus ini, loss coefficient terbesar juga terjadi pada konsentrasi 5%, setelah itu menurun pada konsentrasi 0,5%, konsentrasi 7%, konsentrasi 1%, konsentrasi 3%, dan loss coefficient terendah pada membran kontrol. Pada membran kontrol memiliki loss coefficient terendah dikarenakan pada membran ini tidak didadah dengan TiO2 sehingga kemampuan kapasitor menyimpan muatan tidak banyak kehilangan energi.
Loss Coefficient Membran Polisulfon Dari enam sampel yang diamati faktor kehilangan energi terhadap peningkatan frekuensi, loss coefficient yang dihasilkan semakin menurun. Hal tersebut dapat dijelaskan berdasarkan persamaan 8 yang menerangkan hubungan antara frekuensi terhadap loss coefficient. Semakin meningkat frekuensi maka semakin banyak energi yang ditransmisikan dan dikonversi menjadi panas. Penyebab proses tersebut, akan berdampak pada kemampuan kapasitor untuk menyimpan
Konduktansi Listrik Membran Polisulfon Menurut model rangkaian membran Maxwell – Wagner, konduktansi listrik membran sangat tergantung pada frekuensi. Saat frekuensinya rendah maka konduktansi membran akan memiliki nilai minimum dan saat frekuensinya besar maka konduktansi juga semakin meningkat. Hal ini juga terjadi jika membran polisulfon yang didadah TiO2 dengan konsentrasi semakin banyak maka membran tersebut menjadi konduktif dan memiliki daya hantar listrik. Pada Gambar 13 dapat dilihat
Gambar 11. Loss coefficient frekuensi.
membran dan
Loss coefficient
3.5
frekuensi 20 Hz
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
0.5 1 3 5 7 Konsentrasi TiO2 (b/b) %
Gambar 12. Hubungan konsentrasi TiO2 dan nilai loss coefficient.
9
10
Konduktansi (nS)
100000 10000 1000 100 10 1
100
10000
Frekuensi (Hz) PSF control PSF + TiO2 1% PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5% PSF + TiO2 3% PSF + TiO2 7%
Gambar 13. Hubungan konduktansi membran dan frekuensi.
3500
frekuensi 20 Hz Impedansi ( kΩ)
Konduktansi (nS)
10000
rentang 1 kHz mengalami penurunan secara tajam. Dengan adanya penambahan konsentrasi TiO2 semakin banyak maka membran yang sebelumnya bersifat nonkonduktif akan menjadi konduktif yang mempunyai daya hantar listrik yang besar, sehingga elektron yang mengalir akan semakin mudah ketika melewati membran dan impedansi yang dihasilkan semakin kecil. Lain halnya dengan data eksperimen, dengan penambahan konsentrasi TiO2 5% menunjukan impedansi yang paling rendah dan dimungkinkan pada penambahan konsentrasi 5%, berada pada rentang frekuensi resonansi sehingga memiliki nilai
1000 100 10
3000 2500 2000 1500 1000
1 0
0.5
1
3
5
500
7
0
Konsentrasi TiO2 (b/b) %
1
Gambar 14. Hubungan penambahan TiO2 dan konduktansi membran.
Impedansi Listrik Membran Polisulfon. Impedansi merupakan hambatan total pada rangkaian listrik arus bolak - balik. Berdasarkan Gambar 15 Penurunan impedansi yang paling tinggi terjadi pada konsentrasi 7% dan menurun pada konsentrasi 3%, konsentrasi 0,5%, polisulfon kontrol, konsentrasi 1%, dan yang paling rendah pada konsentrasi 5%, hal tersebut berdasarkan kenaikan frekuensi. Penurunan impedansi pada frekuensi dengan rentang diatas 1 kHz cenderung landai dan berada di bawah
PSF control PSF + TiO2 1% PSF + TiO2 5%
10000 PSF + TiO2 0.5% PSF + TiO2 3% PSF + TiO2 7%
Gambar 15. Hubungan impedansi membran dan frekuensi.
Impedansi imajiner
0 -200 1 -400
10
100
1000
10000
-600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600
Impedansi real PSF control PSF + TiO2 1% PSf + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5% PSF + TiO2 3% PSF + TiO2 7%
Gambar 16. Model cole-cole untuk impedansi membran polisulfon. 3000 Impedansi (kΩ)
bahwa konduktansi meningkat paling besar terjadi pada konsentrasi 5% yang memiliki kemampuan menghantarkan listrik paling besar, dilanjutkan pada nilai konduktansi yang menurun pada penambahan konsentrasi 7%, konsentrasi 3%, konsentrasi 1%, konsentrasi 0.5%, dan yang paling rendah pada membran kontrol. Dari enam sampel pada Gambar 14 dengan frekuensi 20 Hz, maka jika dibandingkan antara membran yang didadah berbagai konsentrasi TiO2 dengan membran kontrol, membran kontrol berada pada nilai konduktansi yang paling rendah. Karena pada membran ini tidak ada unsur penambahan zat aditifnya sehingga membran bersifat nonkonduktif.
100 frekuensi (Hz)
frekuensi 20 Hz
2500 2000 1500 1000 500 0 0 0.5 1 3 5 7 Konsentrasi TiO2 (%-b/b)
Gambar 17. Hubungan penambahan TiO2 dan impedansi membran.
10
11
hambatan yang paling kecil dan mengakibatkan impedansi yang dihasilkan sangat kecil dibandingkan dengan penambahan konsentrasi yang lain. Dengan perbedaan konsentrasi ini, dimungkinkan oleh adanya batasan maksimum perbandingan polisulfon dan konsentrasi TiO2. Nilai impedansi dapat diperlihatkan pada Gambar 16, bahwa membran tersebut bersifat konduktif atau resistif yaitu dengan menentukan impedansi real dan impedansi imajiner yang disebut impedansi kompleks. Nilai impedansi mutlak dapat diperoleh dengan menentukan besarnya sudut fase terhadap variasi frekuensinya. Semakin besar frekuensinya maka sudut fase yang dihasilkan semakin kecil dan menghasilkan impedansi real besar serta imajinernya semakin kecil. Perolehan hasil eksperimen dari Gambar 16, pada konsentrasi 7% memiliki nilai impedansi kompleks yang paling tinggi.
Dari seluruh grafik yang dihasilkan, Pada rentang frekuensi dibawah 10 kHz, nilai kapasitansi, loss coefficient, impedansi menurun dengan tajam dan diatas rentang 10 kHz hasilnya cenderung stabil tidak ada perubahan yang signifikan. Saran Para peneliti selanjutnya diharapkan memperhatikan kondisi lapisan tembaga pada plat kapasitor sudah tergores atau tidak, karena berkaitan dengan data pengukuran. Penelitian ini dapat dilakukan lebih lanjut pada membran polisulfon dengan penambahan konsentrasi TiO2 5% hingga 7%. Dalam pembuatan membran diharapkan dilakukan minimal 3 kali perulangan agar data yang diperoleh lebih akurat. Pengujiannya dapat dengan melakukan uji XRD, SEM, atau FTIR, karena pada konsentrasi 5% memiliki sifat listrik yang spesifik.
DAFTAR PUSTAKA KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Berdasarkan satuan yang digunakan bahwa untuk kapasitansi dan konduktansi berorde nano, dan besarnya impedansi berorde kilo ohm. Hal ini membran cenderung bersifat resistif. Untuk karakterisasi arus - tegangan, ketika diberikan inputan variasi tegangan berorde volt, arus yang dihasilkan pada membran dapat dikatakan relatif kecil karena besarannya berorde mikro. Arus-tegangan membran polisulfon diperlihatkan oleh grafik cenderung bersifat ohmic. Pada penambahan konsentrasi 5% memiliki arus paling besar dibandingkan dengan konsentrasi yang lain termasuk dengan membran kontrol. Hal ini sesuai dengan nilai konduktansi yang dihasilkan pada konsentrasi 5% dengan pengukuran menggunakan LCR meter. Pada nilai kapasitansi membran polisulfon dapat disimpulkan bahwa semakin besar frekuensi maka kapasitansinya semakin menurun. Kurva yang menunjukan penurunan kapasitansi yang paling besar pada konsentrasi 5% dan loss coefficient yang paling besar yaitu pada konsentrasi 5%. Selanjutnya yaitu pada konduktansi, kurva yang menunjukan niai konduktansi yang paling besar juga pada konsentrasi 5%, dan pada konsentrasi 7% menghasilkan nilai impedansi yang paling besar dibandingkan dengan konsentrasi yang lain.
1.
Rahayu YS. Pengaruh pelarut terhadap berbagai karakteristik membran polisulfon [tesis]. Institut Teknologi Bandung. 2009.
2.
Prihasa Novan. Magic box sebagai pereduksi polutan udara. 2009. http://novanprihasa.files.wordpress.com/ 2009/03/magic-box-sebagai-pereduksipolutan-udara.pdf. [25 November 2010].
3.
Rohman Saepul. Membran polisulfon sintetik. 2005. file:///I:/LITERATUR%20MEMBRAN/ Membran%20Polisulfon%20Sintetik%2 0-%20Majari%20Magazine.htm. [10 Maret 2010].
4.
AI Pratomo Heru. Pembuatan dan karakterisasi membran komposit polisulfon selulosa asetat untuk proses ultrafiltrasi. J Pendidikan Matematika dan Sains 2003; Ed ke-3.
5.
Nuwair. Kajian impedansi dan kapasitansi listrik pada membran telur ayam ras [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 2009.
6.
Wijayanti DL. Sintesis dan kajian sifat listrik membran kitosan dengan variasi kitosan [skripsi]. Bogor: Fakultas
11
