Seminar Nasional Fisika 2012 Jakarta, 9 Juni 2012
PENGARUH ADITIF ARANG BATOK KELAPA TERHADAP DENSITAS DAN POROSITAS MEMBRAN KERAMIK BERBASIS ZEOLIT DAN TANAH LEMPUNG Ervina Purnama Sari1*), Agus Setyo Budi1 , Esmar Budi1 1
Universitas Negeri Jakarta, Jl. Pemuda 10, Rawamangaun, Jakarta (13220) *)Email:
[email protected] Abstrak
Membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung dengan aditif arang batok kelapa dibuat dalam beberapa komposisi yang berbeda. Setiap sampel menggunakan 10% tanah lempung. Sedangkan zeolit yang digunakan berkisar antara 90% hingga 70% dengan perbedaan 5% pada setiap sampel. Arang batok kelapa yang merupakan karbon aktif yang berfungsi sebagai penyerap bau, rasa, dan warna diharapkan dapat membuat membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung menjadi lebih fungsional untuk diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Seperti zeolit, aditif yang digunakan berupa arang batok kelapa digunakan berkisar antara 0% hingga 20% dengan perbedaan 5%. Penambahan aditif berupa arang batok kelapa bertujuan untuk menambah fungsi dari membran keramik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh aditif berupa arang batok kelapa terhadap porositas, densitas, dan ukuran pori dari membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung. Selain itu, untuk mengetahui komposisi terbaik dari sampel-sampel tersebut yang dapat menghasilkan ukuran pori terbaik.Dari hasil pengujian dan pengukuran sampel dapat diketahui bahwa aditif arang batok kelapa menurunkan kekerasan dan densitas dari sampel dan menaikan porositas dari sampel.
Abstract Ceramic membranes based on zeolites and clays with additives of coconut shell charcoal is made in several different compositions. Each sample uses 10% of clay. While zeolites are used in range from 90%to 70% with difference of 5% on each sample. Coconut shell charcoal which is an activated carbon absorber serving as smell, taste and colors are expected to make ceramic membranes based on zeolites and clays become more functional to be applied in everyday life. Such aszeolites additives used in the form of coconut shell charcoal used in range from 0% to 20% with a difference of 5% on each sample. The addition of additives in the form of coconut shell charcoal aims to increase the functionality of the ceramic membrane. This study aims to determine the effect of additives in the form of coconut shell charcoal for porosity, density, and pore size of ceramic membranes based on zeolites and clays. In addition, to determine the best composition of the samples that can produce the best pore size. From tested and measured of the sample, can be identified that additives of coconut shell charcoal decreased the roughness and density of the sample and increased the porosity of the sample. Keywords: membrane, additives, composition, porosity, density.
1. Pendahuluan Keramik didefinisikan sebagai suatu hasil seni dan teknologi untuk menghasilkan barang dari tanah liat yang dibakar seperti gerabah, genteng, porselin, dan sebagainya [11]. Akan tetapi, saat ini penggunaan keramik tidak hanya diaplikasikan untuk benda seni. Saat ini, keramik banyak digunakan dalam proses penyaringan air dan gas. Keramik digunakan sebagai alat untuk menyaring dan memisahkan partikel dalam ukuran yang lebih kecil atau lebih besar. Pada dasarnya, keramik terdiri dari keramik tradisional dan keramik halus. Keramik tradisional adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan bahan alam seperti, kaolin, feldspar, ball clay, dan kuarsa. Biasanya keramik ini dijadikan barang pecah belah, keperluan rumah tangga dan untuk industri. Sedangkan keramik halus yang biasa disebut dengan keramik teknik, terbuat dari bahanbahan oksida logam seperti, Al2O3, ZrO2, MgO, dan lain-lain [11]. Keramik teknik biasa digunakan
sebagai elemen pemanas, semikonduktor, komponen turbin, dan pada bidang medis. Selain keramik tradisional dan keramik teknik, terdapat pula keramik berpori. Keramik berpori merupakan keramik yang saat ini banyak dimanfaatkan untuk keperluan filtrasi seperti, filtrasi ion-ion logam berat, absorbsi gas pada temperatur tinggi, reaktor kimia atau bioreactor, serta sebagai penyaring air [11]. Teknologi membran sudah dikembangan sejak abad ke 18 [1]. Pada saat itu membran tidak diproduksi untuk tujuan komersil, melainkan untuk penelitian di laboratorium sebagai bahan observasi kimia dan fisika. Membran sudah mulai dikembangkan untuk keperluan dunia industri sejak 50 tahun lalu [9]. Akan tetapi, membran tersebut masih memiliki banyak kekurangan, dan 30 tahun kemudian kekurangan tersebut mulai dapat teratasi dan teknologi membran mulai banyak digunakan dalam industry [1]. Membran merupakan suatu alat untuk menyeleksi dua fasa. Membran memiliki ketebalan dan ukuran pori yang berbeda. Membran secara
67
Seminar Nasional Fisika 2012 Jakarta, 9 Juni 2012 umum terdiri dari membran alami dan sintesis [1]. Jika dilihat dari tingkat penyaringannya, maka membran dibedakan dalam beberapa jenis, yaitu mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis [9]. Membran diklasifikasikan kedalam beberapa jenis berdasarkan ukuran partikel yang dapat dipisahkan. Jenis-jenis membran tersebut adalah sebagai berikut: a. Makrofiltrasi b. Mikrofiltrasi c. Nanofiltrasi, dan d. Osmosis Balik (Reverse Osmosis) Ukuran partikel yang dapat dihilangkan dengan proses mikrofiltrasi berkisar antara 0,05 hingga 1 μm [9]. Proses pemisahan partikel-partikel yang berukuran 0.01-0.1 μm dari fasa cair ke fasa cair pula dengan gaya penggerak berupa tekanan hidrostatis yang lebih besar dari proses mikrofiltrasi[7]. Pada memnbran nanofiltrasi, proses pemisahan sama dengan ultrafiltrasi, tetapi untuk partikel-partikel yang berukuran 0.0010.01μm [1]. Merupakan proses pemisahan partikelpartikel dengan berat molekul relatif rendah dan berukuran kurang dari 0,001 μm [3]. Zeolit merupakan bahan mineral yang terdiri dari beberapa jenis unsur, yaitu aluminium, silikon, dan oksigen. Zeolit pertama kali ditemukan pada tahun 1755 oleh mineralogist asal Swedia, Baron Alex dan Frederick Cronsted [8]. Mineral zeolit secara umum merupakan senyawa alumino silikat hidrat. Rumus empirik dari zeolit adalah sebagai berikut [4]: M2/nO. Al2O3. x SiO2. y H2O Dimana: M = Kation alkali atau alkali tanah n = Valensi logam alkali x = Bilangan tertentu (2 s/d 10) y = Bilangan tertentu (2 s/d 7) Karakteristik penting dari zeolit menjadikan mineral ini cukup banyak digunakan. Karakteristik tersebut antara lain adalah sebagai berikut [1]: a. Sebagai penyeleksi dalam pertukaran ion. b. Pori zeolit dapat menyimpan beberapa molekul serta dapat menyeleksi ukuran molekul tertentu. c. Sebagai katalis solid yang bersifat asam. d. Zeolit merupakan zat yang metastabil dalam keadaan tertentu (pH dan temperatur).
sehingga dapat menyaring dan memisahkan zat dengan perbedaan besar molekul [8]. Material yang sering digunakan dalam pembuatan keramik adalah clay, partikel halusnya yang berupa aluminium silikat hidrat bersifat plastis ketika dicampur dengan air [13]. Tanah lempung atau clay merupakan mineral yang terbentuk dari batuan sedimen yang tersusun atas kelompok alumina silikat seperti Al, Fe, Mg, dan Si [11]. Clay menjadi keras dan kaku dalam keadaan kering, dan bersifat plastis dan lengket ketika terkena air, serta bersifat vitreus bila dibakar pada temperatur yang tinggi. Lempung terdiri dari beberapa jenis, yaitu ball clay, fire clay, kaolin, dan brick clay. Ball clay umumnya digunakan dalam pembuatan keramik putih karena memiliki plastisitas yang tinggi. Fire clay biasa digunakan dalam pembuatan refraktori dan batu tahan panas. Bahan ini memiliki kandungan mineral kaolinit dan sedikit kuarsa (silika). Selain itu, bahan ini bersifat lunak dan tahan terhadap suhu tinggi di atas 1500oC [11]. Karbon aktif memiliki luas permukaan yang berkisar antara 300 hingga 2000 m2/gram dan ini berhubungan dengan struktur pori internal yang menyebabkan karbon aktif memiliki sifat sebagai absorben [10]. Karbon aktif dapat mengabsorbsi gas dan senyawa kimia tertentu. Besar absorbsi yang dilakukan karbon aktif bergantung pada besar atau volume pori-pori dan luas permuakaan. Daya serap karbon aktif sangat besar, yaitu 25 hingga 1000% berat karbon aktif [10]. Karbon aktif dapat dibuat menggunakan bahanbahan organik. Bahan baku yang umum digunakan untuk membuat karbon aktif berasal dari senyawasenyawa organik seperti tempurung kelapa, sekam padi, tongkol jagung, serbuk gergaji, dan lain-lain. Selain itu, juga terdapat bahan baku yang berasal dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah atau mineral yang diberikan perlakuan khusus untuk menghasilkan karbon aktif. Dalam penelitian ini, arang batok kelapa digunakan sebagai karbon aktif yang berguna untuk penyerapan warna dan bau dari air yang digunakan sebagai sampel. Karbon aktif yang berasal dari arang batok kelapa ini berasal dari Laboratorium Fisika Material, Universitas Negeri Jakarta. Batok kelapa ini melalui proses pembakaran dalam waktu tertentu yang menghasilkan karbon.
Struktur zeolit yang berpori, membuat mineral ini sering digunakan sebagai alat untuk memisahkan suatu zat dari zat lain yang molekulnya lebih kecil atau lebih besar. Dalam penggunaannya sebagai pemisah, zeolit banyak disentesa untuk kemudian dimodifikasi strukturnya
2. Metode Penelitian Membran memiliki porositas. Porositas merupakan banyaknya ruang kosong antar bulir
68
Seminar Nasional Fisika 2012 Jakarta, 9 Juni 2012 pada struktur mikro material. Porositas dirumuskan sebagai, (2) dimana: mb mk Vsampel ρ
= massa basah (gr) = massa kering (gr) = volume sampel (cm3) = massa jenis (gr/cm3)
Densitas adalah pengukuran massa per satuan volume. Semakin tinggi densitas (massa jenis), maka semakin besar pula massa setiap volumenya[11]. Kerapatan atau densitas membran dirumuskan sebagai berikut:
Gambar 1. Densitas menurun seiring dengan banyaknya kandungan aditif yang terdapat dalam sampel.
Dalam tabel dan grafik tersebut dapat diketahui bahwa setiap 5% penambahan aditif dalam sampel akam membuat densitas sampel menjadi lebih kecil. Sehingga dapat dikatakan penambahan aditif mempengaruhi densitas dari membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung. Sedangkan porositas dari sampel tersebut dirangkum dalam tabel berikut ini:
(3) dengan ρ = massa jenis objek (gr/cm3) m = massa total objek (gr) V = volume total objek (cm3) Pada penelitian ini, akan dilakukan karakterisasi sampel menggunakan SEM, yang bertujuan untuk mengetahui ukuran pori dari setiap sampel. Selain itu, untuk mengetahui pengaruh aditif yang ditambahkan, yaitu arang batok kelapa terhadap ukuran pori yang terdapat pada sampel yang dibuat.
Tabel 2. Porositas sampel. Sampel 1 2 3 4 5
3. Hasil dan Pembahasan Dari pengukuran dan pengujian sampel-sampel tersebut, didapatkan hasil sebagai berikut:
Porositas (%) 30.8 43.4 46.9 52.9 61.5
Di bawah ini, disajikan pula data hasil penelitian dalam bentuk grafik.
Tabel 1. Densitas sampel.
Sampel 1 2 3 4 5
Densitas (gr/cm3) 1.37 1.34 1.14 1.11 1.04
Data hasil pengujian di atas dibuat juga dalam bentuk grafik seperti berikut ini.
Gambar 2. Porositas bertambah besar seiring dengan banyaknya kandungan aditif apad sampel.
Porositas dari sampel pertama hingga kelima mengalami kenaikan sesuai dengan banyaknya 69
Seminar Nasional Fisika 2012 Jakarta, 9 Juni 2012 aditif yang terkandung dalam sampel tersebut. Penelitian yang pernah dilakukan [6, 11, 12] dengan menggunakan aditif semakin banyak akam menambah porositas membran keramik. Setiap sampel yang telah diuji menggunakan SEM diketahui memiliki ukuran pori sebagai berikut:
(a)
(b)
(c)
Gambar 3. Grafik perbandingan ukuran pori berdasarkan kandungan jumlah zeolit dan aditif arang batok kelapa.
(d)
Dari hasil pengukuran pori menggunakan SEM dapat diketahui bahwa sampel yang memiliki ukuran pori terbesar adalah sampel dengan kandungan zeolit 80% dan aditif sebesar 10%.Akan tetapi, banyaknya ukuran pori yang dihasilkan bergantung pada banyaknya aditif yang terkandung dalam sampel. Semakin banyak aditif yang terdapat pada sampel semakin banyak pori yang dihasilkan. Berikut ini gambar dari pori sampel berdasarkan aditifnya.
(e) Gambar 4. Hasil SEM untuk membran berdasarkan kandungan zeolit dan aditifnya. (a) 90% zeolit dan 0% aditif, (b) 85% zeolit dan 5% aditif, (c) 80% zeolit dan 10% aditif, (d) 75% zeolit dan 15% aditif, dan (e) 70% zeolit dan 20%.
70
Seminar Nasional Fisika 2012 Jakarta, 9 Juni 2012
4. Kesimpulan
[4].
Fitriadi, Hendrik. 2001. Pengaruh Variasi Temperatur Sinter Terhadap Porositas dan Kekerasan Membran Zeolit. Jurusan metalurgi. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok. Jawa Barat. [5]. Hanum, Faridah. 2009. Tesis Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi. Program Pascasarjana Teknik Kimia. Universitas Sumatera Utara. [6]. Karlinawati, Emi. 2009. Studi Analisis Simulasi Tentang Korelasi Penambahan Aditif Cangkang Kelapa Terhadap Sifat Fisis Keramik Berpori. Sekolah Paska Sarjana. USU. Medan. [7]. Masulili, Abinoor Chairina. 2001. Pengaruh Ukuran Partikel Terhadap Porositas, Densitas, dan Kekerasan Zeolit Sebagai Materi Membran Keramik. Jurusan Metalurgi. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok. Jawa Barat. [8]. Rahmatullah, Dwi Karsa Agung dkk. 2007. Pembuatan Absorben Dari Zeolit Alam Dengan Karakteristik Adsorption Properties Untuk Kemurnian Bioetanol. Program Studi Teknik Fisika. Fakultas Teknik Industri. Institut Teknologi Bandung. [9]. Said, Nusa Idaman. 2009. Uji Pengolahan Air Siap Minum Dengan Proses Biofiltrasi, Ultrafiltrasi, dan Reverse Osmosis (RO) Dengan Air Baku Sungai. Pusat Teknologi Lingkungan. BPPT. Jakarta. [10]. Salamah, Siti. 2008. Pembuatan Karbon Aktif Dari Kulit Buah Mahoni Dengan Perlakuan Perendaman Pada Larutan KOH. Program Studi Teknik Kimia. Universitas Ahmad Dahlan. [11]. Sihite, Debora Rospita. 2008. Pembuatan Dan Karekterisasi Bahan Keramik Berpori Dengan Aditif Sekam Padi Yang Digunakan Sebagai Filter Gas Buang. Sekolah Pasca Sarjana. USU. Medan. [12]. Tambunan, Tiar Delimawati. 2008. Tesis Pembuatan Keramik Berpori Sebagai Filter Gas Buang dengan Aditif Karbon Aktif. Program Pascasarjana Fisika. Universitas Sumatera Utara. [13]. Avner, Sidney H. 1964. Introduction to Physical Metallurgy, 2nd Ed. Jepang: Mc. Graw Hill, p.612-620. [14]. W. D. Kingery, HK. Bowen, DR. Uhlman. 1976. Introduction to ceramics, 2nd Ed. United States of America: John Wiley and Sons.
Dari hasil penelitian tersebut dapat disimpulakan bahwa penambahan aditif berupa arang batok kelapa dapat menurunkan densitas dari membran keramik. Akan tetapi, penambahan aditif berupa arang batok kelapa juga memperbesar porositas membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung (clay). Dari hasil SEM dapat diketahui ukuran pori terbesar dimiliki oleh sampel yang memiliki kandungan 80% zeolit dan 10% aditif. Sedangkan untuk banyaknya jumlah pori yang dihasilkan tergantung pada banyaknya kandungan aditif yang terdapat pada sampel. Semakin banyak aditif yang terdapat pada sampel, semakin banyak pori yang dihasilkan.
Ucapan Terima Kasih Terimakasih kepada Dr. Agus Setyo Budi, M.Sc dan Dr. Esmar Budi, M.Si selaku pembimbing penelitian ini. Saya ucapkan terima kasih kepada Bapak Riza W yang membantu saya dalam pengujian bahan dan sampel. Selain itu, saya mengucapkan terima kasih kepada Bapak Reno dan Ibu Puji Lestari yang selalu memotivasi saya dalam menjalankan penelitian ini. Terima kasih saya sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu saya secara moral maupun materiil. Daftar Acuan [1].
[2].
[3].
Akbary, Fauzan. 2009. Membran Zeolit Katalitik Untuk Pembentukan Syngas. Program Studi Teknik Material. Institut Teknologi Bandung. Al, Heru Pratomo. 2003. Pembuatan dan Karakteristik Membran Komposit Polisulfon Selulosa Asetat Untuk Proses Ultrafiltrasi. Jurusan Pendidikan Kimia. FMIPA. UNY. Ardiansya, Deniro. 2003. Pengaruh Kandungan Feldspar Terhadap Kekerasan, Porositas, dan Densitas Support Membran Keramik Berbasis Silika. Jurusan Metalurgi. Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok. Jawa Barat.
71
