1
PENDAHULUAN Latar Belakang Perkembangan teknologi membran saat ini telah meluas pada berbagai kalangan, baik kalangan akademis maupun industri. Salah satu aplikasi teknologi membran adalah teknologi pemisahan zat-zat kimia yang sangat penting dalam kehidupan. Teknologi membran memiliki banyak keunggulan dibandingkan proses-proses pemisahan lainnya, antara lain dalam hal energi, sederhana, dan ramah lingkungan. Keberhasilan proses pemisahan dengan membran tergantung pada kualitas membran tersebut. Beberapa parameter yang penting dalam menentukan kualitas suatu membran diantaranya yaitu mempunyai permeabilitas yang tinggi, selektifitas yang tinggi, stabil pada temperatur yang tinggi, kestabilan mekanik dan tahan terhadap zat kimia yang akan dipisahkan [1]. Membran dapat bertindak sebagai filter yang sangat spesifik dimana hanya molekul-molekul dengan ukuran tertentu saja yang dapat melewati membran, sedangkan molekul lainnya akan tertahan di permukaan membran. Oleh karena itu, teknologi membran merupakan pilihan yang tepat untuk keperluan penyaringan, pemisahan, dan pemurnian zat-zat yang peka terhadap senyawa kimia dan lingkungan [2]. Walaupun demikian, membran mempunyai keterbatasan seperti terjadinya fenomena polarisasi konsentrasi, fouling (penyumbatan), terbatasnya volume air terolah yang dihasilkan dan juga keterbatasan umur membran [3]. Membran merupakan suatu lapisan yang memisahkan dua fasa dan mengatur perpindahan massa dari kedua fasa yang dipisahkan. Karakteristik fasa tersebut diantaranya perbedaan konsentrasi, tekanan, suhu, komposisi larutan dan viskositas [4]. Membran terdiri dari dua jenis yaitu membran alami (membran biologi) dan membran buatan (membran sintetik). Membran alami adalah membran dalam proses-proses kehidupan makhluk hidup dan biasanya terdapat dalam sel makhluk hidup. Komponen utama membran alami adalah lipid dan protein. Membran sintetik adalah membran yang terbuat dari berbagai bahan sesuai kebutuhan dan biasanya berbentuk padat atau cair [5]. Membran telur adalah salah satu contoh dari membran alami. Membran telur terletak pada bagian dalam telur yaitu selaput yang melapisi antara cangkang dan putih telur. Efektivitas kerja suatu membran dapat ditentukan melalui karakteristik membran
yang digunakan. Karakterisasi membran yang banyak dilakukan adalah karakterisasi membran secara fisika yang ditinjau dari sifat listrik, termal dan mekanik. Sifat kelistrikan membran dipengaruhi oleh aliran elektron dan ion-ion yang melintasi membran. Aliran ionion ini dapat menentukan aliran arus dalam membran dan proses transport lainnya. Berdasarkan karakteristik Arus-Tegangan dapat ditentukan ohmik atau tidaknya suatu membran di dalam larutan elektrolit, daya tahan listrik dan konduktansinya. Informasi dari sifat kelistrikan membran tersebut sangat berguna untuk mengetahui kualitas membran. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui mekanisme transport ion yang melewati membran telur ayam berdasarkan pengukuran sifat kelistrikan dan mempelajari pengaruh konsentrasi, valensi ion, suhu dan frekuensi terhadap sifat listriknya. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai karakteristik dan mekanisme transport ion pada membran telur ayam, sehingga diperoleh masukan yang penting untuk kemajuan dalam bidang teknologi membran Hipotesis 1. Konsentrasi ion larutan eksternal berbanding lurus dengan tegangan, konduktansi dan gradien kurva ArusTegangan membran. 2. Valensi ion larutan eksternal mempengaruhi tegangan dan konduktansi listrik membran. 3. Semakin tinggi suhu larutan eksternal, maka semakin tinggi tegangan, konduktansi dan gradien kurva Arus-Tegangan membran. 4. Semakin besar frekuensi maka semakin besar konduktansi listrik membran.
TINJAUAN PUSTAKA 1. Membran Telur 1.1. Karakteristik Membran Membran biologi digambarkan sebagai dua dimensi fluida yang terdiri dari dua “lembaran” berisi sebagian besar molekul lipid. Model Mosaik Fluida menggambarkan membran lipid terbaik. Dalam model ini, permukaan terluar terdiri dari ikatan ionik dan polar yang berinteraksi dengan larutan air, sedangkan bagian dalam membran terdiri dari rantai hidrokarbon lipid (Gambar 1) [6].
2
Gambar 1. Membran lipid berdasarkan Model Mosaik Fluida Secara umum membran dapat didefinisikan sebagai suatu lapisan tipis semipermeable di antara dua fasa yang berbeda. Fasa pertama disebut feed atau larutan pengumpan dan fasa kedua disebut permeate atau hasil pemisahan. Fungsi utama dari membran ialah sebagai lapisan semipermeable yang dapat melewatkan dan menahan komponen tertentu dalam suatu campuran [7]. Membran yang dipergunakan harus bersifat inert terhadap larutan uji, selektif terhadap ion tertentu, memiliki kepekaan yang baik, memenuhi harga faktor Nernst dan dapat dicetak sesuai dengan ukuran yang diinginkan [8]. Kemampuan pemisahan yang dimiliki membran untuk melewatkan suatu komponen atau molekul dipengaruhi oleh tekanan, potensial listrik dan sifat intrinsik membran. Berdasarkan prinsip struktur dan pemisahannya, membran dibagi menjadi tiga tipe yaitu membran porous (mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi), membran nonporous (separasi gas, pervaporasi, dialisis) dan membran carrier [9]. Klasifikasi pori menurut IUPAC dapat dikelompokkan menjadi macropores (>50nm), mesopores (2-50nm), dan micropores (<2nm) [10]. Membran dibedakan menjadi dua bagian berdasarkan morfologi dan ukuran porinya yaitu [11]: 1. Membran Simetrik Membran ini memiliki struktur pori yang relatif sama dan homogen dengan ketebalan antara 10-200 μm. 2. Membran Asimetrik Membran ini memiliki ukuran dan kerapatan yang tidak sama. Membran jenis ini memiliki dua lapisan yaitu lapisan kulit yang tipis dan rapat dengan ketebalan 20,5 μm serta lapisan pendukung yang berpori dengan ketebalan 50-200 μm. Membran berdasarkan sifat listriknya dibedakan menjadi dua, yaitu [12]: 1. Membran Netral Membran netral adalah membran yang tidak memiliki muatan tetap. Membran ini
terdiri dari polimer yang tidak mengikat ion-ion sebagai ion tetap dan dapat bersifat selektif terhadap larutan-larutan kimiawi. Selektifitas membran netral ditentukan oleh unsur-unsur penyusun (monomer), ikatan kimia, ukuran pori-pori, daya tahan terhadap tekanan dan suhu, resistivitas, konduktansi serta karakteristik kelistrikan lainnya. 2. Membran Bermuatan Tetap Membran bermuatan tetap terbentuk karena molekul-molekul ionik menempel pada lattice membran secara kimiawi. Ionion tidak bisa berpindah dan membentuk lapisan tipis bermuatan pada membran. membran ini dapat dilalui oleh ion-ion tertentu. Membran ini dibagi menjadi tiga jenis, yaitu: a. Membran Penukar Anion (MPA) adalah membran bermuatan tetap yang hanya dapat dilewati oleh anion. b. Membran Penukar Kation (MPK) adalah membran bermuatan tetap yang hanya dapat dilewati oleh kation. c. Double Fixed Charge Membrane adalah gabungan dari MPA dan MPK. 1.2. Struktur dan Komposisi Telur Telur terdiri dari kulit telur, selaput, lendir putih (albumen) dan kuning telur. Struktur kulit telur keras tetapi porus dan terbentuk dari garam-garam anorganik terutama Kalsium Karbonat (CaCO3). Kulit telur terdiri dari sekitar 94-97% CaCO3 dan 3% lainnya adalah bahan organik dan pigmen telur [13]. Dalam kulit telur tedapat 8000 struktur mikroskopik pori. Keporusan kulit telur memungkinkan embrio untuk bernafas sehingga daya tahan terhadap masuknya berbagai kuman cukup besar. Oleh karena itu, kulit telur harus dijaga agar tetap kering. Permukaan telur mempunyai selaput tipis yang disebut kutikula. Bagian dalam kulit telur diselaputi dua helai membran yang melekat pada kulit telur dan albumen. Pada saat isi telur mengkerut yang disebabkan oleh pendinginan dan penguapan, lembaran membran memisahkan diri satu dari yang lain dan membentuk rongga udara. Rongga ini biasanya terbentuk pada bagian telur yang besar. Putih telur bagian luar dan dalam tipis dan berupa cairan Putih telur memiliki viskositas tinggi (kental) dan kokoh berbentuk kantung albumen serta mengandung zat-zat yang bersifat antimikrobial dan pH yang alkalis [http://www.disnaksumbar. com]. Seperti pada Gambar 2 [http://www.bio logi-suwoto-banjarnegara.blogspot.com/2008]
3
Gambar 2. Struktur Telur struktur telur dapat dibagi menjadi 9 bagian yaitu: 1. Kulit telur dengan permukaan yang agak berbintik-bintik. 2. Membran kulit luar dan dalam yang tipis, berpisah pada ujung yang tumpul dan membentuk ruang udara. 3. Putih telur bagian luar yang tipis dan berupa cairan. 4. Putih telur yang kental dan kokoh berbentuk kantung albumen. 5. Putih telur bagian dalam yang tipis dan berupa cairan. 6. Struktur keruh berserat yang terlihat pada kedua ujung kuning telur disebut sebagai khalaza yang berfungsi memantapkan posisi kuning telur. 7. Lapisan tipis yang mengelilingi kuning telur disebut membran fitelin. 8. Benih atau bastodisc yang terlihat sebagai bintik kecil pada permukaan kuning telur. Pada telur yang terbuahi, benih ini berkembang menjadi anak ayam. 9. Kuning telur yang terbagi menjadi kuning telur berwarna putih dari benih ke pusat kuning telur dan kuning telur yang berlapis yang merupakan bagian terbesar. Tabel 1. Komposisi Tiga Komponen Pokok Telur (%) [http://www.animalcorner. co.uk/.../chicken_eggs.html] Bahan Kulit Albumin Kuning telur penyusun Bahan organik Protein Glukosa Lemak Garam Air
95,1
-
-
3,3 1,6
12,0 0,4 0,3 0,3 87,0
17,0 0,2 32,2 0,3 48,5
2. Larutan Elektrolit Larutan adalah campuran yang bersifat homogen atau sama. Berdasarkan daya hantar listriknya, larutan terbagi menjadi dua (Tabel 2), yaitu: 1. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik, terdiri dari: a. Elektrolit Kuat Larutan elektrolit kuat adalah larutan yang mempunyai daya hantar listrik yang kuat, karena zat terlarutnya di dalam pelarut (umumnya air) seluruhnya berubah menjadi ion-ion (α = 1). Contoh elektrolit kuat adalah asam-asam kuat (HCl, H2SO4, dll), basa-basa kuat (NaOH, KOH, dll) dan garam-garam yang mudah larut, seperti NaCl, KCl, dan lain-lain. b. Elektrolit Lemah Larutan elektrolit lemah adalah larutan yang daya hantar listriknya lemah dengan derajat ionisasi sebesar α < 1. Yang tergolong elektrolit lemah adalah asam-asam lemah seperti: AgCl, CaCrO4, dan lain-lain 2. Larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik, karena zat terlarutnya didalam pelarut tidak dapat menghasilkan ion-ion (tidak mengion). Contoh larutan non elektrolit adalah larutan gula, sukrosa, alkohol, dan lain-lain [14]. Tabel 2. Perbandingan Sifat-Sifat Larutan Elektrolit dan Larutan Non Elektrolit Larutan Larutan Non Elektrolit Elektrolit 1. Dapat menghantarkan listrik. 2. Terjadi proses ionisasi (terurai menjadi ionion). 3. Lampu dapat menyala terang atau redup dan ada gelembung gas. 4. Contoh: NaCl, H2SO4, MgCl2, CH3COOH
1. Tidak dapat menghantarkan listrik. 2. Tidak terjadi proses ionisasi.
3. Lampu tidak menyala dan tidak ada gelembung gas.
4. Contoh: C12H22O11, CO(NH2)2, etanol, C6H12O6
4
Larutan elektrolit dapat bersumber dari senyawa ion (senyawa yang mempunyai ikatan ion) atau senyawa kovalen polar (senyawa yang mempunyai ikatan kovalen polar). Larutan elektrolit mengandung atomatom bermuatan listrik (ion-ion) yang bergerak bebas, hingga mampu untuk menghantarkan arus listrik melalui larutan. Pada tahun 1887, Svante Arrhenius mengusulkan sebuah teori ionisasi untuk menjelaskan sifat-sifat larutan elektrolit. Pokok-pokok teori Arrhenius adalah sebagai berikut [2]: 1. Molekul elektrolit pada larutan dengan pelarut air akan berdissosiasi menjadi dua partikel atau lebih yang disebut ion. 2. Ion-ion bermuatan listrik (positif atau negatif) dan muatan-muatan inilah yang dapat menyebabkan arus listrik dapat mengaliri larutan. Sifat suatu larutan ditentukan oleh konsentrasi. Konsentrasi adalah jumlah zat terlarut dalam satuan pelarut atau larutan. Konsentrasi larutan dapat dinyatakan dalam persen, molar, molal, fraksi mol, persen mol, dan ppm. Konsentrasi molar atau molaritas (M) menyatakan banyaknya partikel zat terlarut dalam 1 liter larutan, yaitu [15]: M
mol zat terlarut 1 liter larutan
i i is jCV
V R
1 i jC V R
(3)
Nilai arusnya menjadi: 1 I I 0 i jC0 jC V R 1 I jC V R
(4)
Atau dalam impedansinya menjadi: Z
i V 1 jC Y I R
1
(5)
Membran netral dapat dimodelkan sebagai rangkaian elektronik antara R dan C yang tersusun paralel seperti pada Gambar 4 [5]. Dari pemodelan membran maka dapat ditentukan konduktansi dan kapasitansinya sebagai berikut: Z
1 Gm iCm
(6)
(1)
3. Pemodelan Membran Secara elektronik bahan dielektrik pada plat paralel bisa dianalisis dengan rangkaian paralel antara resistor dan kapasitor. Hubungan perubahan nilai kapasitansi sebesar C C C0 terkait dengan perubahan muatan q dapat diilustrasikan dalam aliran arus maupun dalam bentuk impedansinya: q V d q dV i C jCV dt dt
Hasil pengukuran kapasitansi bisa diubah ke dalam besaran listrik lainnya seperti tegangan atau arus. Perubahan arus total pada rangkaian adalah penjumlahan arus pada kapasitor dan resistor (Gambar 3), sehingga:
C
(2)
Gambar 4. Model Elektronika Membran 4. Karakteristik Kelistrikan Membran 4.1. Konduktansi Membran Salah satu sifat listrik yang dimiliki membran adalah konduktivitas. Sifat ini muncul karena adanya interaksi antara ion dengan membran. Besarnya konduktansi membran dapat diperoleh dengan menggunakan pendekatan persamaan sebagai berikut: G n Gp (7) dengan, G = konduktansi G p = konduktansi tiap pori
n = jumlah pori membran [7] Nilai G p ditentukan oleh beberapa faktor
Gambar 3. Bahan Dielektrik dengan Sumber Tegangan AC serta Rangkaian Ekivalennya [16]
diantaranya geometri pori, konsentrasi pori dan mobilitas ionnya. Dengan asumsi bahwa ion di dalam suatu medium dielektrik akan mengalami interaksi elektrostatik dengan membran, maka ion tersebut memiliki energi
5
diri sebesar U. Energi ini merupakan integral dari medan listrik permukaan membran. Maka besarnya energi diri (U) untuk suatu ion dalam medium terbatas dengan konstanta dielektrik yang bervalensi z dan berjarak a adalah : U
z 2 q2
(8)
8 0 a
dengan: z = bilangan valensi ion ε = konstanta dielektrik q = muatan ion α = tergantung konstanta geometri dan dielektrik (pendekatan 0,2) ε0 = konstanta resapan εm = konstanta dielektrik membran b = jari-jari pori Nilai U sangat tergantung pada ε. Nilai ε membran berkisar dari 3-4 dan ε larutan 78,5 [17]. Untuk melewati pori membran akibat adanya interaksi dengan ε membran, energi bebas (∆U) bergantung dari seberapa dekat ion pada membran, maka dapat dituliskan energi bebasnya sebagai berikut: z2 q2 (9) U 4 0 m b Secara umum konduktansi membran merupakan fungsi suhu, yang merupakan fungsi eksponensial dan terkait dengan perubahan energi diri ionnya [4]. Konduktansi membran tersebut dapat dituliskan sebagai berikut : (10) G G0 exp dU kT
Berdasarkan Gambar 3, membran yang tersusun seri oleh dua lapisan berbeda (skinlayer dan sublayer) memiliki kapasitansi (Cm) dan konduktansi (Gm) sebagai berikut: 2C1C2 C1 C2 G12C2 G22C1 Cm (11) G1 G2 2 2 C1 C2 2 Gm
G1G2 G1 G2 2 C12G2 C22G1
G1 G2
2
C1 C2
2
2
G12C2 G22C1
G1 G2
2
Cm (ω ~ ∞) =
C1C2 C1 C2
(14)
Sebaliknya, pada frekuensi rendah (ω ~ 0) konduktansi membran akan memiliki nilai minimum setara dengan dua konduktor yang dihubungkan secara seri: G m (ω ~ 0) =
G1G2 G1 G2
(15)
Nilai konduktansi ini akan naik dengan peningkatan nilai frekuensi menuju nilai maksimum (pada frekuensi sangat tinggi) sebesar : G m (ω ~ ∞) =
C12 G2 C12 G1
C1 C 2 2
(16)
Spektra konduktansi dan kapasitansi membran dalam larutan eksternal seperti terlihat pada Gambar 5. Solusi total kapasitansi dan konduktansi dari rangkaian seri untuk membran ditambah elektrolit (Gambar 6) adalah [18]: C
CmGe2
Gm Ge 2 2Cm2 G G G Ge 2Cm2 Ge G m e m Gm Ge 2 2Cm2
(17) (18)
Konduktansi merupakan ukuran terpenting yang menggambarkan kemampuan suatu bahan untuk membawa arus listrik. Konduktansi (G) adalah kebalikan dari resistansi (R), yang dihubungkan oleh [19]: G
1 R
(19)
Cm
(12)
dengan: C1 = kapasitansi skin layer C2 = kapasitansi sub layer G1 = konduktansi skin layer G2 = konduktansi sub layer ω = frekuensi angular Pada frekuensi sangat rendah (ω ~ 0), kapasitansi membran adalah sebesar: Cm (ω ~ 0) =
dua kapasitor yang dihubungkan secara seri, yaitu:
f Gm
f
(13)
Kapasitansi membran akan menurun dengan peningkatan nilai frekuensi menuju nilai minimum yang setara dengan kapasitansi
Gambar 5.
Konduktansi dan Kapasitansi Membran dalam Larutan Eksternal
6
Gambar 6. Rangkaian dalam Sistem Membran dan Elektrolit, skinlayer dan sublayer Tersusun Kombinasi C dan G dengan R
V , dimana R adalah resistansi I
(ohm), V adalah tegangan membran (Volt) dan I adalah arus yang diberikan (Ampere). Satuan internasional untuk konduktansi adalah 1 ohm atau Siemen (S). Bila suatu larutan elektrolit dialiri arus maka akan terjadi proses transport ion. Transport ini dipengaruhi oleh resistansi dan konduktansi larutan elektrolit. Konduktansi larutan elektrolit didefinisikan sebagai suatu ukuran kemampuan larutan untuk membawa arus listrik. Konduktansi larutan dipengaruhi oleh konsentrasi atau jumlah ion, mobilitas ion, ion valensi, transport ion, aktivitas ion dan suhu. Ion-ion dalam larutan akan mengalir dan menembus membran dengan aktivitas berbeda-beda. Semakin besar nilai konduktansi listrik berarti kemampuan dalam menghantarkan listrik semakin besar. Umumnya semakin tinggi konsentrasi atau semakin banyak jumlah ion, maka konduktansi listrik akan semakin tinggi. Hubungan ini terus berlaku hingga larutan menjadi jenuh dan mobilitas menurun. Suhu yang tinggi mengakibatkan viskositas air menjadi turun dan ion-ion dalam air bergerak cepat [20]. Energi yang dibutuhkan agar elektron valensi masuk ke elektron bebas juga semakin besar sehingga mempengaruhi nilai konduktansi listrik yang juga semakin meningkat. 4.2. Arus dan Tegangan Membran Rapat arus dari ion pembawa yang bergerak di dalam larutan yang menembus membran diberikan oleh persamaan berikut: dP d J p kT p Pq p (20) dx dx dN d J n kTn Nqn (21) dx dx N, P adalah konsentrasi ion pembawa muatan negatif dan positif. T adalah suhu, J adalah rapat arus, p , n masing-masing
merupakan mobilitas ion positif dan negatif, adalah beda potensial (beda tegangan), k adalah konstanta Boltzman. Persamaan diatas menunjukkan bahwa arus dipengaruhi oleh besarnya beda tegangan dan beda konsentrasi muatan pembawa. Semakin besar beda konsentrasi muatan pembawa dan beda tegangan maka semakin besar pula arus yang mengalir pada membran. Bila konsentrasi muatan pembawa dibiarkan konstan maka dapat dibuat hubungan beda tegangan dan arus. Dengan memplotkan beda tegangan membran dan arus maka akan didapat karakteristik Arus-Tegangan dari membran beserta persamaannya. Pada keadaan setimbang dan arus yang mengalir kecil sekali, maka konsentrasi pembawa muatan mengikuti persamaan distribusi MaxwellBoltzman, yaitu:
Pi Po exp(q kTi )
(22)
N i N o exp(q kTi )
Untuk membran yang hanya dapat dilalui oleh satu jenis ion saja dan tidak ada sumber arus, maka beda tegangan diberikan oleh persamaan Nernst berikut: RT i ln F
dengan
a a
I i
i
II i
i
j i j
i
a i adalah aktivitas ion,
(23) i
j
adalah
nisbah permeabilitas ion i terhadap ion j yang harganya tidak gayut larutan. Jika larutannya hanya terdiri atas satu jenis anion atau kation saja, maka beda tegangan ditulis sebagai berikut: i
RT C I ln F C II
RT C I ln C II F
(24)
dengan C menyatakan konsentrasi ion, indeks I dan II menyatakan larutan, sedangkan + dan - menyatakan jenis muatan ion. Dengan memodifikasi konsentrasi larutan maka akan didapat variasi beda tegangan pada membran. Dari persamaan (24) beda tegangan hanya dapat dihubungkan secara linier dengan konsentrasi [21].
BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Biofisika Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
