PENGARUH KONSENTRASI DAN TEMPERATUR LARUTAN TERHADAP KARAKTERISTIK RAPAT ARUS-BEDA POTENSIAL MEMBRAN KITOSAN

Buletin Fisika Vol 17 No. 2 Agustus 2016 : 16- 24

PENGARUH KONSENTRASI DAN TEMPERATUR LARUTAN TERHADAP KARAKTERISTIK RAPAT ARUS-BEDA POTENSIAL MEMBRAN KITOSAN Angelia Bella Kusumaningtyas, Ni Nyoman Rupiasih, dan Made Sumadiyasa 1

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Badung, Bali Indonesia 80361. Email : [email protected]

Abstrak Telah dilakukan penelitian tentang karakteristik rapat arus difusi-beda potensial (J-V) dari membran kitosan. Penelitian bertujuan untuk mengetahui pengaruh konsentrasi (C) dan temperatur (T) larutan terhadap kurva karakteristik J-V dari membran tersebut. Membran dibuat dari kitosan, sebagai bahan dasar (matrik) dan asam asetat 1% sebagai pelarut, dengan komposisi matrik/pelarut yaitu 2%. Pada eksperimen transport ion digunakan larutan elektrolit NaCl dengan variasi konsentrasi 0,1 mM, 1 mM, 10 mM, 100 mM, dan 1000 mM, dan temperatur antara 300,9-340,9 K. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai rapat arus difusi ion (J) bertambah seiring dengan bertambah besarnya perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 (C1) dan ruang 2 (C2). Kurva J-V memperlihatkan hubungan kenaikan tidak linear dan kurva bergeser kearah beda potensial yang lebih besar seiring dengan kenaikan temperatur. Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa gradient konsentrasi dan temperatur sangat berpengaruh terhadap karakteristik J-V dari membran kitosan. Kata Kunci : Kitosan, membran, larutan elektrolit, rapat arus difusi-beda potensial

Absract The study about the characteristics of the diffusion current density-potential (J-V) of chitosan membrane has been done. It aims to determine the effect of concentration (C) and temperature (T) solution to J-V characteristic curve of the membrane. The membrane made of chitosan, as the base material (matrix) and 1% acetic acid as the solvent, with the composition of matrix/solvent of 2%. In the ion transport experiments, NaCl electrolyte solution with various concentration of 0.1 mM, 1 mM, 10 mM, 100 mM, and 1000 mM and with variation of temperature of 300.9 to 340.9 K. The results showed that the value of the diffusion current density of ion sincreases with increasing the ratio of the concentration of solution in room 1 (C1) and room 2 (C2). The J-V curve shows non-linear relationship and it’s shifted toward larger potential with increased in temperature. These results indicate that the concentration gradient and temperature greatly affect the J-V characteristics of chitosan membrane. Keywords: chitosan, membranes, electrolyte solution, the diffusion current density

16

Pengaruh Konsentrasi dan Temperatur Larutan Terhadap Karakteristik Rapat Arus-Beda Potensial…… Angelia bella kusumaningtyas, Ni nyoman rupiasih, dan Made sumadiyasa

I.

PENDAHULUAN

terhadap

perubahan

Dewasa ini, teknologi membran sudah

membran

dan

membran.

Semakin

banyak

dimanfaatkan

dalam

berbagai

besar

besar

pori-pori

energi

tinggi

barier

temperatur

bidang. Contohnya, dalam bidang industri

maka pori-pori membran akan semakin

digunakan untuk desalinasi air, pemisahan

besar dan menyebabkan semakin banyak

gas, pengolahan limbah dan pemisahan

ion-ion yang mampu melewati membran,

larutan

Teknologi

sehingga konduktansinya semakin besar.

membran saat ini dikembangkan ke arah

Juansah, 2002 juga telah melaporkan

pembuatan

dasar

bahwa peningkatan konduktansi membran

polimer alam (biopolimer) karena lebih

sebanding dengan kenaikan temperatur.

ramah lingkungan. Salah satu contoh yaitu

Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor,

membran kitosan. Kitosan adalah polimer

yaitu 1) Fenomena larutan, dimana dengan

alam

meningkatnya

(Hariyani,

2013).

membran

yang

berbahan

diperoleh

melalui

proses

temperatur

berarti

deasetilasi kitin. Kitin adalah polimer alam

persediaan energi dari luar (berupa panas)

yang banyak dijumpai pada kulit cangkang

semakin besar. Dengan besarnya energi

binatang Mollusca seperti cumi-cumi,

luar, maka kemampuan larutan untuk

udang, kepiting dan serangga (insect)

melewatkan ion-ion akan semakin besar,

seperti belalang dan kecoak (Meriatna,

akibatnya aliran arus yang melewati

2008).

membran

Efektifitas dipengaruhi lingkungannya.

kerja oleh

dari

membran

karakteristik

Karakteristik

dan

membran

meningkat.

membran,

2)

dengan

Fenomena

meningkatnya

temperatur, kemampuan membran untuk mempertahankan

bentuk

pori-porinya

meliputi sifat termal, listrik, mekanik, dan

semakin lemah. Sehingga semakin mudah

optik.

ion-ion melewati membran dan aliran arus

Kurva

rapat

arus

difusi-beda

potensial (J-V) merupakan salah satu

semakin besar.

karakteristik kelistrikan membran. Untuk

Berdasarkan uraian di atas, maka

mempelajari hal tersebut dapat dilakukan

studi tentang pengaruh konsentrasi dan

dengan mengukur arus dan beda potensial

temperatur larutan terhadap karakteristik

pada

rapat arus difusi ion-beda potensial (J-V)

membran.

Sifat-sifat

tersebut

dipengaruhi oleh aliran elektron-elektron

membran

(arus) dan ion-ion (arus difusi) pada

Untuk tujuan tersebut, membran kitosan

membran (Hariyani, 2013).

yang digunakan adalah membran 2%.

Yustina,

2001

telah

kitosan

penting

dilakukan.

melaporkan

bahwa temperatur sangat berpengaruh 17


pengolah limbah. Kitosan juga dapat

II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Membran

Kitosan

dan

dibuat menjadi membran dan digunakan

Karakteristiknya

sebagai

Membran merupakan suatu lapisan

(Meriatna, 2008; Putu Erika Winasri,

tipis yang membatasi dua ruang dan

2013). Sifat-sifat membran kitosan sangat

berfungsi

penting

sebagai

media

perpindahan

filter/penyaring

dipelajari

logam

untuk

berat

mengetahui

(transport) partikel. Berkenaan dengan

potensi penggunaannya, seperti untuk

fungsi transport, membran dapat bersifat

osmosis balik, pemisahan partikel dan gas,

permeable (mampu melewatkan), semi

pervaporasi, transport aktif, dan dialysis

permeable, dan tidak permeable. Fungsi-

(Barbara Krajewska & Andrzej Olech,

fungsi tersebut sering disebut sebagai

1996).

filtrasi (penyaringan). Pada proses filtrasi,

Membran

kitosan

ruang 1 adalah berisi umpan (feed) dan

karakteristik

ruang 2 berisi hasil filtrasi (permeat)

bergantung pada beberapa faktor yaitu

(Bokau,

2013).

atau

mempunyai

sifat

yang

sangat

Sifat-sifat

yang

metoda atau cara pembuatan, komposisi

transport

melalui

kitosan (dalam hal ini sebagai bahan dasar

membran adalah bentuk, ukuran, dan

atau matrik dengan pelarut), serta kondisi

struktur

lingkungan pada saat membran dibuat

menentukan

proses

pori-pori

membran

(Yustina,

2001).

(Meriatna, 2008; Rupiasih, N Nyoman, et

Kitosan adalah polimer alam yang

al, 2015). Karakteristik membran kitosan

dapat diperoleh melalui deasetilasi Kitin

meliputi sifat mekanik, listrik, optik, fisika

(Meriatna, 2008). Kitosan dapat dibuat

dan

dengan cara menghidrolisis kitin dengan

mengkarakterisasi

menggunakan basa kuat sehingga terjadi

seperti

deasetilasi dari gugus asetamida (NH-

Halenda), uji tarik, dan transport ion.

kimia.

Beberapa

FTIR,

teknik

sifat-sifat BJH

untuk tersebut

(Barrett-Joyner-

COCH3) menjadi gugus amino (NH2) (Savitri, 2010).

2.2 Karakteristik FTIR dan Transport

Kitosan sudah banyak dimanfaatkan

Ion pada Membran

secara komersial pada berbagai bidang,

Dalam penelitian ini akan dilakukan

diantaranya industri pangan, kosmetik,

karakterisasi

pertanian, farmasi, pengolahan limbah, dan

menggunakan FTIR (Fourier Transform

penjernihan

Infared Spectrophotometer) dan transport

air.

Kitosan

mempunyai

ion.

dengan membentuk logam kompleks. Oleh

mengidentifikasi gugus-gugus fungsi dari

karena

membran

18

dapat

digunakan

sebagai

dapat

kitosan

digunakan

dengan

kemampuan untuk mengadsorpsi logam

itu

FTIR

membran

untuk

(Mulder,1996).


Pengukuran

dilakukan

pada

spectrum

Dimana x adalah jarak ke dua elektroda

inframerah daerah tengah yaitu pada

(m) dan t adalah waktu (s). Dengan

-1

bilangan gelombang 4000-400 cm .

mensubtitusikan persamaan 2.2 dan 2.3 ke

Transport ion pada membran adalah proses aliran ion-ion melalui membran. Proses transport tersebut dapat terjadi karena adanya gaya pendorong. Gaya pendorong

dapat

konsentrasi,

berupa

temperatur,

persamaan 2.1, maka kerapatan arus difusi dapat dituliskan sebagai:

J diff  V

gradient dan

C   C   x k B T t  log 1     C2   x2 z e

2

beda

potensial. Kerapatan arus yang terjadi

III. METODE PENELITIAN

sebanding dengan gradient konsentrasinya

3.1 Alat dan Bahan

(Hobbie,

1978).

Secara

(2.4)

matematik

Alat-alat

yang

digunakan

dalam

kerapatan arus tersebut dituliskan sebagai

penelitian ini yaitu satu set alat transport

persamaan 2.1, yang disebut sebagai

membran (chamber), multimeter digital

Hukum Fick I.

MASDA DT830 200 mV, termometer

J diff  D

C x

(2.1)

dimana Jdiff adalah kerapatan arus (m-2s-1), 2 -1

D adalah konstanta difusi (m s ), dan

C

-4

digital verify (temperatur: -50 ~ 70 oC), elektroda kalomel Activon AEP 111 Single jnct 12 x 120 mm. Bahan-bahan yang digunakan adalah aqua-dm, larutan

adalah gradient konsentrasi (m ).

elektrolit NaCl, serbuk kitosan dari kulit

Konstanta difusi memenuhi persamaan 2.2

udang, asam asetat (CH3COOH) 1%, dan

(Sukardjo, 1989), yaitu:

NaOH 1%.

x

D V 

1 C  log 1   C2 

(2.2)

3.2 Eksperimen

Transport

pada

Membran

dimana V adalah beda potensial antara

Membran kitosan yang digunakan

kedua sisi membran (V), C1 dan C2 adalah

adalah membran 2%, dan larutan elektrolit

konsentrasi larutan elektrolit di ruang 1

NaCl dengan variasi konsentrasi 0,1 mM,

dan 2 (M), μ adalah mobilitas ion (m2s-1V-

1 mM, 10 mM, 100 mM, dan 1000 mM.

1

Eksperimen transport ion dilakukan pada

), yang besarnya adalah



x2 z e C  k B T t log 1   C2 

(2.3)

daerah temperatur 300,9-340,9 K. Posisi ke dua elektroda (x) tetap yaitu 0,01 m, waktu pengukuran (t) adalah 60 s, dan

19


beda

potensial

diukur

menggunakan

elektroda kalomel Activon AEP.

konsentrasi ruang 1 dan 2 dapat dihitung nilai rapat arus difusi (J) menggunakan persamaan 2.4, yang hasilnya seperti diperlihatkan pada Gambar 4.1.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Dari hasil pengukuran beda potensial membran

sebagai

fungsi

dari

rasio

06 05 y = 0.0478x + 0.1112 J ( μA/m2)

04 03 02 01 00 00

20

40

60

80

100

ΔC/Δx (M/m)

 C  Gambar 4.1 Grafik rapat arus difusi (J) terhadap gradient konsentrasi larutan   pada  x  temperatur ruang (T = 300,9 K). x pada persamaan pada gambar = (ΔC/Δx), y adalah nilai rapat arus difusi.

Gambar

4.1

memperlihatkan

Pada rasio konsentrasi larutan di ruang 1

bahwa pada temperatur ruang, nilai rapat

dan 2 (C1:C2) sama, nilai rapat arus sama

arus difusi (J) meningkat secara linear

dengan nol (0), pada C1:C2 rendah yaitu

dengan

gradient

1:0,1, 10:0,1 dan 100:0,1, tampak bahwa

ruang.

nilai rapat arus bertambah secara linear

meningkatnya

konsentrasi

larutan

di

nilai kedua

Keadaan ini sesuai dengan hukum Fick I,

dengan

persamaan 2.1, dimana rapat arus difusi

Sedangkan pada C1:C2 yang besar yaitu

sebanding dengan gradient konsentrasinya.

1000:0,1,

Dengan kenaikan temperatur dari 300,9-

memperlihatkan pola tiga daerah dengan

340,9 K, nilai J yang diperoleh seperti

gradient yang berbeda. Daerah 1, tampak

diperlihatkan pada Gambar 4.2.

bahwa dengan naiknya temperatur dari

Gambar

4.2

memperlihatkan

pengaruh perubahan temperatur larutan terhadap rapat arus difusi pada membran. 20

naiknya

tampak

temperatur

larutan.

bahwa

kurva

mula-mula maka nilai rapat arus naik dengan gradient tertentu, yaitu 0,066


.2000

0,1 : 0,1

.15000

1 : 0,1 J (μA.m-2)

10 : 0,1

.1000

.05000

.000 300

305

310

315

320

325

330

335

340

Temperatur T (K)

(a) 008

J (μA.m-2)

006 100 : 0,1 004 1000 : 0,1 002

000 300

305

310

315

320

325

330

335

340

Temperatur T (K)

(b) Gambar 4.2 Grafik rapat arus difusi (J) sebagai fungsi temperatur (T) pada C1:C2: (a) 1:0,1 dan 10:0,1 dan (b) 100:0,1 dan 1000:0,1 μA.m-2.K-1. Pada daerah 2, kenaikan

temperatur diikuti dengan naiknya rapat

temperatur menyebabkan kebaikan

arus dengan gradient yang lebih besar

nilai rapat arus yang sangat kecil (hampir

daripada daerah 1 dan daerah 2, yaitu

konstan, sehingga tampak kurva hampir

0,094 μA.m-2.K-1.

datar dengan gradient 0,020 μA.m-2.K-1). Selanjutnya pada daerah 3, kenaikan 21


08 T300.9 07

T305.9

J (µA.m-2)

06

T310.9 T315,9

05

T320,9 04 T325,9 03 T330,9 02

T335,9

01

T340,9

00 00

05

10

15

20

V (mV)

Gambar 4.3 Kurva karakteristik rapat arus difusi-beda potensial (J-V) membran kitosan dalam kontak dengan larutan NaCl, pada rentang temperatur 300,9-340,9 K Gambar 4.3 memperlihatkan kurva

kurva tampak bergeser ke arah beda

J-V dari membran kitosan dalam kontak

potensial yang lebih besar. Hal ini

dengan larutan NaCl dengan konsentrasi

menunjukkan

bahwa

C1:C2 yaitu 1:0,1; 10:0,1; 100:0,1 dan

memberikan

dampak

1000:0,1, pada rentang temperatur 300,9-

karakteristik J-V dari membran kitosan.

340,9

K.

Kurva-kurva

temperatur terhadap

tersebut

memperlihatkan kenaikan nilai rapat arus

V. KESIMPULAN DAN SARAN

difusi

5.1 Kesimpulan

secara

tidak

linier

dengan

bertambahnya beda potensial membran.

Berdasarkan hasil penelitian dapat

Kurva mula-mula naik dengan sangat

disimpulkan bahwa nilai rapat arus difusi

lambat (dengan gradient kecil), kemudian

(J)

pada beda potensial tertentu rapat arus

meningkatnya gradient konsentrasi larutan.

difusi naik secara tajam (dengan gradient

Temperatur juga berpengaruh terhadap

yang besar). Dengan kenaikan temperatur,

kurva karakteristik rapat arus difusi-beda

22

meningkat

secara

linear

dengan


potensial (J-V) dari membran. Rapat arus

kitosan. Skripsi. Bali. Universitas

difusi (J) naik secara tidak linier dengan

Udayana.

bertambahnya beda potensial (V). Kurva

Hobbie, Russel K. 1978. Intermediate

mula-mula naik dengan sangat lambat

Physic for Medicine and Biology.

(dengan gradient sangat kecil), kemudian

Second Edition. Joh Willey and Son.

pada beda potensial tertentu rapat arus

Singapore. Hal 45 – 105.

difusi naik secara tajam (dengan gradient

Juansah, Jajang. 2002. Studi Karakteristik

yang besar). Kurva bergeser kearah beda

Arus Tegangan Membran Polisulfon

potensial yang lebih besar seiring dengan

pada

kenaikan temperatur. Hal ini menunjukkan

Konsentrasi

bahwa gradient konsentrasi dan temperatur

Kimia. Vol 2. IPB Bogor. Hal 12 –

sangat berpengaruh terhadap karakteristik

18.

J-V dari membran kitosan.

berbagai dan

Frekuensi, Suhu.

Buletin

Meriatna. 2008. Penggunaan Membran Kitosan Untuk Menurunkan Kadar Logam Krom (Cr) Dan Nikel (Ni)

5.2 Saran Perlu adanya penelitian lanjut untuk

Dalam

Limbah

Cair

Industri

mengetahui karakteristik transport ion dari

Pelapisan Logam. Thesis. Unversitas

membran polimer kitosan secara lengkap

Sumatra Utara. Hal 20 – 24.

dengan cara memberikan berbagai variasi

Mulder, Marcel. 1996. Basic Principle of

perlakuan, antara lain temperatur lebih

Membrane

tinggi

Academic Publishers. London.

(di

atas

70°C)

menggunakan larutan

dan

dengan

elektrolit selain

NaCl.

Technology.

Kluwer

N Nyoman Rupiasih, Yayuk Eka Puspita and

Made

Sumadiyasa.

2015.

Transport phenomena in chitosan DAFTAR PUSTAKA

synthetic membranes with emphasis

Barbara Krajewska & Andrzej Olech.

on the effect of variations in the ratio

1996. Pore structure of gel chitosan

of matrix/solvent. Journal of Physics:

membranes.

Conference Series 622: 012004 .

I.

Solute

diffusion

measurements, Polymer Gels and Nerworks 4. Hal 33-43. Hariyani,

Umi.

2013.

Putu Erika Winasri, Ni Nyoman Rupiasih, Made Sumadiyasa. 2013. Efek Lama

Pengaruh

Paparan Radiasi UV-C Terhadap

konsentrasi, ion valensi, dan suhu

Karakteristik I-V Membran Kitosan.

larutan terhadap rapat arus difusi

Buletin Fisika, Vol.14 No.2.

ion dan suhu larutan pada membran 23


Savitri, Emma -et al. 2010. Sintesis Kitosan, Poli (2-amino-2-deoksi-DGlukosa), Skala Pilot Project dari

1989.

Kimia

Fisika.

Bina

Aksara. Jakarta. Hal 32 – 45. Yustina,

Nina.

2001.

Pengaruh

Limbah Kulit Udang sebagai Bahan

Konsentrasi dan Valensi Ion Larutan

Baku

Elektrolit

Alternatif

Biopolimer.

24

Sukardjo.

Prosiding

Pembuatan

Eksternal

Terhadap

Seminar

Konduktans Membran Miliophore

Nasional Teknik Kimia Kejuangan.

pada Berbagai Suhu. Skripsi. IPB.

Yogyakarta. ISSN 1693-4393.

Bogor. Hal 6 – 10.

PENGARUH KONSENTRASI DAN TEMPERATUR LARUTAN TERHADAP KARAKTERISTIK RAPAT ARUS-BEDA POTENSIAL MEMBRAN KITOSAN

Recommend Documents