1
PENDAHULUAN Latar Belakang Bahan – bahan alami sepeti cangkang telur itik yang selama ini jarang dimanfaatkan dan hanya menjadi limbah yang berpotensi mencemari lingkungan tapi cangkang telur itik diketahui memiliki komponen yang cukup berguna, paling tidak sebagai sumber kalsium (Ca) alami untuk nutrisi (Schaafsma, et al. 2000). Cangkang telur tersusun atas struktur berlapis tiga, yaitu lapisan kutikula, lapisan spong dan lapisan lamellar. Dengan menggunakan cangkang telur dapat menghasilkan bahan fungsional CaTiO3 yang disintesis dengan metode hidrotermal dan dapat dikarakterisasi struktur kristal dan dielektriknya. Dengan menggunakan bahan dasar dari limbah, maka biaya sintesis bahan fungsional seperti CaTiO3 berbasis cangkang telur ini akan menjadi lebih murah. Demikian juga metode yang digunakan pada penelitian ini relatif lebih sederhana sehingga secara keseluruhan mengurangi biaya sintesis bahan. Cangkang telur itik mengandung kalsium karbonat yang diperoleh dari saluran telur (http://en.wikipedia.org/wiki). Tingginya kandungan CaCO3 menjadikan cangkang telur sebagai komoditas yang berpotensi sebagai starting material biokompatibel biomaterial. Hydroxyapatite (HAp) yang salah satu prekursor atau komponennya berasal dari ekstrak cangkang telur. Bahan hydroxyapatite (HAp) merupakan bahan biokeramik yang ada di tulang atau gigi sehingga bahan ini dapat digunakan sebagai implant untuk tulang dan gigi. Para peneliti di Ohio State University telah menemukan cara memanfaatkan cangkang telur dalam proses produksi Hidrogen. Cangkang telur digunakan untuk menyerap karbon dioksida dari sebuah reaksi yang menghasilkan bahan bakar hidrogen. Proses ini juga menghasilkan membran yang mengandung kolagen dari bagian dalam cangkang. Hal itu menuntun mereka ke cangkang telur, yang paling banyak mengandung kalsium karbonat. Cangkang telur yang digiling bisa digunakan pada reaksi pemisahan air gas. Kalsium karbonat kandungan utama telur yang menangkap 78 % dari seluruh berat karbon dioksida. Itu berarti bahwa dari jumlah karbon dioksida dan cangkang telur yang sama, cangkang akan menyerap 78% karbon dioksida. Ini menjadikannya penyerap karbon
dioksida paling efektif yang pernah diuji (L.S. Fan, 2007). Sebelum bisa menggiling cangkang telur tersebut harus membuang membran yang mengandung kolagen yang menempel di dalamnya. Bagian itu menghasilkan asam organik yang bisa dijual. Sekitar 10 persen membran mengandung kolagen, yang laku dijual seharga sekitar US$1000 per gram. Setelah diekstrak, kolagen ini dapat digunakan dalam makanan atau obat-obatan, atau untuk perawatan kesehatan. Dokter menggunakan kolagen untuk membantu regenerasi kulit pada korban kebakaran dan juga digunakan dalam bedah kosmetik. Tujuan dan 1. Sintesis CaTiO3 dari cangkang telur TiO2 dengan metode hidrotermal 2. Mengukur nilai kapasitansi CaTiO3 3. Mengukur nilai dari konstanta dielektrik bahan organik CaTiO3 4. Melakukan karakterisasi CaTiO 3 dengan XRD dan SEM TINJAUAN PUSTAKA Cangkang Telur Cangkang telur selama ini jarang dimanfaatkan dan hanya menjadi limbah yang berpotensi mencemari lingkungan. Padahal cangkang telur itik ini diketahui memiliki komponen yang cukup berguna, paling tidak sebagai sumber kalsium (Ca) alami untuk nutrisi (Schaafsma, et al. 2000). Cangkang telur tersusun atas struktur berlapis tiga, yaitu lapisan kutikula, lapisan spong dan lapisan lamelar. Lapisan kutikula merepresentasikan permukaan terluar dan terdiri dari sejumlah protein. Lapisan spong dan lamelar membentuk matriks yang tersusun oleh serat-serat protein yang terikat dengan kristal kalsium karbonat (CaCO3) atau disebut juga kalsit dengan perbandingan 1:50. Cangkang telur memiliki bobot sebesar 11% dari bobot total seluruh telur. Komposisi utama dalam cangkang ini adalah kalsium karbonat (CaCO3) sebesar 94% dari total bobot keseluruhan cangkang, kalsium fosfat (1%), bahan-bahan organik (4%) dan magnesium karbonat (1%). Kandungan kalsium dari cangkang telur itik dapat digunakan sebagai sumber yang efektif untuk metabolisme tulang (Sasikumar dan Vijayaraghavan, 2006).
2
Pemanfaatan limbah cangkang telur sebagai energizer alternatif pada proses karburisasi padat. Selain itu, dikaji pula penggunaan energizer alternatif ini pada arang yang telah diaktifkan dan arang yang belum diaktifkan. Metode penelitiannya dimulai dengan penghalusan arang (sumber karbon) dan energizer (cangkang telur), kemudian mencampurkannya dalam berbagai komposisi arang-energizer, dengan tujuan mengetahui komposisi paling efektif. Kalsium karbonat sebagai kandungan utama di dalam cangkang telur dapat ditransformasikan menjadi kalsium oksida (CaO) melalui pemanasan hingga sampel 9000C. Reaksi kimia yang terjadi akibat pemanasan ini diberikan oleh persamaan: CaCO3
Heat
CO2 + CaO
Pada persamaan reaksi diatas tampak bahwa dengan pemanasan hingga suhu tertentu (9000C), CaCO3 terdekomposisi menjadi CaO dengan membebaskan gas karbondioksida (CO2) (Rivera, et al.1999). CaTiO3 Kalsium Titanat (CaTiO3) adalah bahan keramik titanat yang memiliki struktur perovskite untuk penghentian limbah nuklir tingkat tinggi (Ringwood, et all .1988). Struktur perovskite Kalsium Titanat (CaTiO3) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. CaTiO3 dikenal sebagai keramik dielektrik dengan konstanta dielektrik tinggi yaitu 170 dan koefisien suhu negatif. CaTiO3 memiliki aplikasi penting dalam sistem komunikasi gelombang mikro (Chen, et al. 2003). Dibawah ini adalah gambar struktur perovskite kalsium titanat. CaTiO3 juga digunakan sebagai bahan keramik elektronik (elektrokeramik) khususnya sebagai bahan ferolisktrik dan bahan dielektrik secara umum (Wang, et al. 2001).
Gambar 1 Stuktur perovskite CaTiO3.
Kalsium Titanat juga acuan utama untuk strontium, suatu unsur limbah yang penting dan dapat menyertakan pentingnya sejumlah lantanida dan aktinida (Hanajiri, et al. 1998). CaTiO3 telah banyak dikaji berbagai sifat fisikanya oleh sejumlah peneliti. Sifat-sifat fisika CaTiO3 yang telah diteliti meliputi sifat listrik khususnya konduktivitas (Wang, et al. 2002), sifat optik baik dengan metode absorpsi UV-Vis maupun studi fotoluminesensi (Wang, et al. 2002; Ueda, et al. 1999) uji sifat termolistrik, studi sifat dielektrik (Chen, et al. 2003) dan sifat ferolistriknya (Wang, et al. 2001). Disamping itu juga cukup banyak dikaji tentang struktur dan mikrostrukturnya yaitu struktur kristal dan struktur elektroniknya baik secara teoritis maupun eksperimen (Ueda, et al. 1999). Hidrotermal Sintesis hidrotermal didefinisikan sebagai metode penumbuhan material (kristal) di dalam air panas pada tekanan tinggi. Penumbuhan kristal dilakukan di dalam autoclave dari bahan stainless steel. Jika temperatur meningkat maka tekanan akan meningkat dalam autoclave. Temperatur dapat dinaikkan diatas titik didih air dan pencapaian tekanan dari saturasi uap air (Fernandes GF dan Laranjeira MCM,1999). Metode hidrotermal adalah suatu cara untuk mengatasi kekurangan dari metode basah seperti pemakaian dalam waktu lama dan kontaminasi kimia, juga memungkinkan sintesis CaTiO3 mempunyai kemurnian yang tinggi untuk waktu kerja yang pendek. Metode hidrotermal merupakan metode yang sesuai untuk mempersiapkan kristal yang baik bentuk dan komposisi yang dapat dicapai pada temperatur rendah (Ashok, et al. 2007). pada penelitian ini Metode hidrotermal menggunakan prekursor kalsium (Ca) dari cangkang telur. Kalsium karbonat (CaCO3) diekstraksi dari cangkang telur itik kemudian ditransformasikan menjadi CaO melalui proses pemanasan hingga 9000C di dalam furnace. Metode hidrotermal dipilih karena relatif sederhana tanpa menggunakan peralatan yang rumit dan mahal (Ding, et al. 2004), selain itu juga mempunyai beberapa keuntungan seperti pemanasan cepat, reaksi cepat, hasil lebih bagus, kemurnian tinggi dan efesiensi transformasi energi tinggi (Hanajiri Y, et al.1998).
3
Dielektrik Isolator elektrik memiliki beberapa elektron bebas yang berada dalam konduktivitas normal dan membentuk insulator ideal yang tidak memiliki elektron bebas. Beberapa material memiliki sifat listrik yang menarik karena kemampuan medan listrik untuk polarisasi material yang menghasilkan dipol listrik. Dipol adalah susunan dua muatan positif dan negatif yang sama dipisahkan oleh jarak yang kecil, momen dipol listrik (p) didefenisikan sebagai p= qr, yang diilustrasikan pada Gambar 2. q q r
Gambar 2. Pemisahan muatan membentuk dipol. Momen dipol listrik adalah sebuah vektor yang secara konvensional arahnya dari muatan negatif ke positif dan satuan momen dipol listrik adalah Debye (1 Debye 30
= 3,33 10 coulomb-meter). Hubungan antara Q dan medan E diperoleh dari faktor dimensi 0 , permitivitas dari
Q 0E ,
vakum:
dimana 0 8,854 10 Farad/meter dan Q sebagai sumber dari garis flux elektrik dipermukaan antara plat, rapat garis flux disebut perpindahan elektrik (D). 12
D= Q
positif dibawah. Muatan permukaan akan menarik dan menahan kumpulan muatan yang berlawanan diatas plat, tidak seperti dipol yang dapat berpindah secara bebas. Kenaikan kapasitansi disebabkan oleh melemahnya medan listrik diantara keping kapasitor akibat kehadiran dielektrik. Dielektrik dapat memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor, karena dengan hadirnya medan listrik, molekulmolekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar (Tipler, 1998). Pada Gambar 4 akan terlihat perbedaan antara keping kapasitor tanpa dielektrik dan diberi dielektrik dimana setelah diberi dielektrik akan muncul dipol-dipol listrik sehingga menghasilkan medan induksi. ++++++++++++++++++
V
- - - - - - - - - - - - - - - - ++++++++++++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - ++++++++++++++++++
----------------Gambar 3 Kapasitor dengan dielektrik padat.
0 E ..............................(1)
Selama muncul di dalam material pada saat kehadiran medan, dipol hadir sebagai bentuk permanen dari struktur molekul yang disebut dipol permanen. Material yang di dalamnya ada pengaruh polarisasi disebut dielektrik. Medan listrik menghasilkan polarisasi listrik dalam material. Kerja dari kapasitor akan menggambarkan pengaruh dari polarisasi listrik dan memungkinkan dielektrik diperkenalkan secara makroskopi tanpa mempertimbangkan secara detail apa yang terjadi pada skala atomik (M.C.Lovell, et al.1976). Kapasitor dengan dielektrik padat seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4, anggap baterai masih dihubungkan medium dielektrik dengan mengisi permukaan antar plat. Medium menjadi terpolarisasi oleh medan dan dipol muncul di keseluruhan material sesuai arah medan. Semua dipol dari muatan berlawanan di dalam material akan dihilangkan tetapi akan ada muatan ketidakseimbangan permukaan, muatan negatif disebelah atas dan muatan
Gambar 4.1 Tanpa dielektrik.
Gambar 4.2 Diberi dielektrik (terjadi dipol dipol kecil).
4
dikali jarak pemisah d. Jadi besarnya beda potensial yang melewati suatu kapasitor adalah:
V Ed
Gambar
4.3
Dielektrik yang medan induksi.
memiliki
Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronik yang dapat menyimpan muatan jika diberi medan listrik, kapasitor keping sejajar yang diilustrasikan pada Gambar 5. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik ini disebut sebagai kapasitansi. Sebagian besar kapasitor memiliki lembar isolator (misalnya kertas atau plastik) yang disebut dielektrikum yang diletakan diantara plat-platnya (Giancoli, 2005). Suatu material nonkonduktor seperti kertas, kaca atau kayu disebut dielektrik. Ketika ruang diantara dua konduktor diisi dengan dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor K yang merupakan karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik. Besar muatan yang tersimpan dalam kapasitor sebanding dengan beda potensialnya. (1) Q CV dimana: V= beda potensial (Volt) C=kapasitansi kapasitor(Farad)
Karena medan listrik antara bidang–bidang kapasitor bersifat seragam, maka perbedaan potensial antara bidang sama dengan medan
.............
(2)
Nilai kapasitansi dari suatu kapasitor ditentukan oleh faktor geometris dan jenis bahan dielektriknya. Untuk kapasitor plat sejajar, faktor geometris ditentukan oleh luas permukaan plat elektroda serta tebal bahan dielektrik. Sedangkan sifat bahan dielektrik ditentukan oleh konstanta dielektrik pada frekuensi tertentu. Pada ruang hampa udara kapasitansi kapasitor diberikan oleh:
C0 0
A ................................. (3) d
dimana: C o kapasitansi ruang hampa
o permitivitas ruang hampa A =luas permukaan elektroda d = jarak antar elektroda Jika di antara plat elektroda ditempatkan suatu bahan dielektrik, maka kapasitansinya akan bertambah besar :
C
A A 0k d d
............
(4)
0k adalah permitivitas bahan yang nilainya sebanding dengan permitivitas ruang hampa dengan konstanta pembanding yang disebut konstanta dielektrik. Dari persamaan 3 dan 4, konstanta dielektrik dapat dinyatakan sebagai perbandingan kapasitansi bahan C terhadap kapasitansi ruang hampa C 0
k
Gambar 5 Kapasitor keping sejajar.
d 0
C C0
atau
k
0
.........(5)
Pengisian kapasitor adalah Jika kapasitor yang dihubungkan dengan terminal terminal baterai akan terjadi pengisian (muatan) pada keping-keping kapasitor yang diilustrasikan pada Gambar 6 dan kurva pengisian kapasitor yang diilustrasikan pada Gambar 7
5
ln(CV Q )
t k .......... ...(3) RC
k adalah konstanta integrasi, dari syarat t = 0 muatan Q = 0, akan didapat k ln(CV ) . Ketika kapasitor terisi penuh, beda tegangan di ujung ujung kapasitor adalah V dan muatan di kapasitor adalah
Qm CV ........................(4)
Gambar 6 Pengisian kapasitor.
Persamaan (1) menjadi
(C Q ) t C RC Q t ln(1 ) Qm RC ln
(1 Gambar 7 Kurva pengisian kapasitor. Medan listrik dapat menimbulkan polarisasi muatan, menyebabkan molekul mempunyai muatan dipol permanen. Sebaliknya, akan polarisasi menimbulkan kerapatan muatan pada kapasitor. Hal ini dapat diketahui dengan memisahkan dua plat kapasitor sejauh d meter dan diantara plat diberikan tegangan sebesar V volt sehingga terjadi medan listrik. Pada saat t = 0 dan saklar ditutup maka pada kapasitor C tidak ada muatan sehingga tak ada beda potensial di ujung ujung kapasitor. Beda potensial di ujung ujung R adalah dan arus maksimum I0 = / R. Jika pada saat t = t dan saat setelah S ditutup, di kapasitor sudah ada muatan Q (+Q di keping + dan –Q di keping -). Beda tegangan di ujung ujung kapasitor menjadi Q/C Akibatnya beda tegangan di ujung ujung R dan arus turun (Sugata,1994). Dari hukum Kirchoff:
V iR
t Q ) e RC .......... ..................( 5) Qm
Jadi besarnya kapasitor adalah:
Q Qm (1 e
muatan pada pengisian
t RC
)......... ..............(6)
Pengosongan kapasitor adalah Jika ujungujung kapasitor yang bermuatan dihubungkan dengan kawat konduktor, pada kapasitor akan segera terjadi pengosongan muatan yang diilustrasikan pada Gambar 8. Selama S tertutup, tegangan di ujung ujung R dan C adalah sama dengan dan muatan di kapasitor adalah Q0 = C. Ketika S dibuka pada t = 0, muatan di kapasitor mulai berkurang dan terjadi arus melalui resistor. Dari hukum Kirchoff untuk loop (Saklar terbuka) : iR
Q 0 C
Q 0.......... .......... .......(1) C
dan hubungan
i
dq .......... .......... .......... .......( 2) dt
didapat persamaan :
dq RC dt dq 1 CV Q RC dt
CV Q
Gambar 8 Pengosongan kapasitor. Dan hubungan I = -dq/dt didapat persamaan:
6
dq Q dt RC
dq
Q
t 1 k dt ln(Q ) RC RC
k adalah konstanta integrasi, dari syarat t = 0 , k=ln Q0 Arus pada muatan Q = Q0 ,didapat saat t = 0 adalah I0 = /R Jadi besarnya muatan pada pengosongan kapasitor adalah:
Q Q0 e
t RC
.......... .......... .....( 7)
Pengisian dan pengosongan muatan dalam plat kapasitor berlangsung secara cepat. Akibatnya muatan yang tersimpan dalam plat makin berkurang dan kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan semakin kecil (Sutrisno,1984). Bahan dielektrik yang terdapat antara plat akan memperlemah medan listriknya. Bahan dielektrik tersebut akan terpolarisasi ketika diberi medan listrik sehingga akan timbul kerapatan muatan yang tinggi pada sisi plat. Pengisian dan pengosongan kapasitor berlangsung cepat dengan naiknya frekuensi. Kapasitor dengan cepat melepaskan dan mengisi muatan dengan tingkat resistansi yang rendah. Muatan-muatan yang tersimpan dalam kapasitor akan berkurang dengan meningkatnya frekuensi.
Gambar 10 Pembangkit ac yang dihubungkan secara seri dengan kapasitor. Beda tegangan pada kapasitor adalah
VC V V
Q C
Dari kaidah simpal Kirchhoff diperoleh
VC 0
atau
maks cos t
Q C
Dengan demikian
Q maks C cos t
Arusnya sama dengan
i
dq maks C sin t dt
Nilai
maksimum sin t 1 , maka
I
terjadi
I maks maks C
apabila
Arus ditulis menjadi
I t maks C sin t I maks sin t
Dengan menggunakan persamaan trigonometri
) , diperoleh: 2 I I maks cos(t ) ............................(8) 2
sin t cos(t
Gambar 9 Kurva pengosongan kapasitor. Gambar 10 menunjukkan kapasitor yang dihubungkan pada terminal generator, arusnya dihubungkan dengan muatan oleh:
i
dq dt
Gambar 11 menunjukkan kurva arus dan tegangan suatu kapasitor terhadap waktu, dimana nilai maksimum tegangan terjadi 90° atau seperempat perioda setelah nilai maksimum arus. Dengan demikian beda tegangan pada kapasitor terlambat terhadap arus sebesar 90°. Muatan pada plat kapasitor meningkat, arus berkurang hingga muatannya maksimum ( sehingga Vc maksimum) dan arusnya nol.
7
Diffraction(XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Uji Kapasitor, Uji Dielektrik. Metodologi Penelitian Sintesis CaTiO3
Gambar 11 Kurva arus dan tegangan suatu kapasitor terhadap waktu. Hubungan antara arus maksimum dan tegangan maksimum untuk kapasitor dapat ditulis dalam bentuk persamaan:
I maks C maks
maks maks XC 1 C
........ (9)
dimana XC disebut reaktansi kapasitif yang mana bergantung pada frekuensi.Dalam hal ini semakin tinggi frekuensi, semakin kecil reaktansinya. Jika sumber ggl-nya berupa pembangkit ac, perbedaan potensial berubah tanda setiap setengah perioda dan seandainya ggl pembangkitnya konstan sambil meningkatkan frekuensinya. Untuk setiap setengah siklus, muatan Q 2C maks yang sama berpindah ke kapasitor tetapi jumlah siklus per detik bertambah dimana kapasitor meningkat sebanding dengan frekuensi. Jadi, semakin tinggi frekuensi, kapasitornya semakin kurang menghambat aliran muatan. BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian di Penelitian akan dilaksanakan laboratorium Fisika Material dan laboratorium Biofisika Departemen Fisika IPB Darmaga. Waktu penelitian dimulai dari Bulan November 2008 sampai April 2009. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah cangkang telur yang ditransformasikan menjadi CaO, plat pcb dengan lapisan tembaga, aquades, bubuk TiO2 . Alat - alat yang digunakan adalah crucible (cawan keramik), sudip, gelas ukur, kertas saring, furnace, magnetic stirer, hot plate, alumunium foil. Karakteristik menggunakan X-Ray
Dalam penelitian ini dilakukan sintesis dengan metode hidrotermal CaTiO3 menggunakan prekursor kalsium (Ca) dari cangkang telur. Kalsium karbonat (CaCO3) diekstraksi dari cangkang telur itik kemudian ditransformasikan menjadi CaO, dimana CaTiO3 terbentuk melalui proses pemanasan hingga 7000C selama 3 jam, 8000C selama 5 selama 5 jam jam, dan 9000C(PH) menggunakan furnace. Bubuk CaO dan TiO2 dengan massa yang seimbang masing –masing 2,0 gram digerus dalam waktu 30 menit dimasukkan ke dalam aquades pada volume 50 ml dicampur pada gelas beaker yang di stiring 1000 rpm selama 30 menit pada hot plate. Reaktor diletakkan diatas hot plate dan mulai proses hidrotermal dengan memanaskan reaktor pada suhu antara 2000C yang menghasilkan tekanan tinggi di dalam reaktor. Hasil perlakuan hidrotermal berupa endapan CaTiO3 disaring beberapa kali, selanjutnya sampel dipelet dan dipanaskan di dalam furnace pada sampel 0
900 C selama 5 jam. Sintesis kalsium titanat terbentuk melalui 2 metode yaitu metode dimana sampel dihidrotermal dan dipelet °C(PH) yaitu pada suhu 900°C(PH). Selain itu sintesis kalsium titanat diperoleh dengan hidrotermal saja(°C) Karakterisasi XRD(X-Ray Difraction) dapat memberi Karakterisasi XRD informasi secara umum baik secara kuantitatif maupun secara kualitatif untuk mengetahui fasa yang terdapat dalam sampel, menentukan ukuran kristal dan kristalinitas. Hal yang perlu diperhatikan pada metode ini adalah posisi difraksi maksimum, intensitas puncak dan distribusi intensitas sebagai fungsi dari sudut difraksi. Tiga informasi tersebut dapat digunakan untuk mengidentifikasi fasa-fasa yang terdapat dalam suatu bahan. Salah satu analisis komposisi fasa dalam suatu bahan adalah dengan membandingkan pola XRD terukur dengan data tersebut. Sampel dikarakterisasi menggunakan alat XR dengan sumber Cu yang memiliki panjang gelombang 1,54060 10 1 nm .
