View
228
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
21
III. METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Penelitian dilaksanakan pada Bulan Februari hingga Desember 2011.
Pembuatan dan karakterisasi arang aktif dilakukan di Puslitbang Keteknikan
Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan, Departemen Kehutanan Bogor. Proses
sintesis dan karakterisasi membran dilakukan di Laboratorium Biofisika, Fakultas
MIPA, Institut Pertanian Bogor. Khusus untuk karakteristik morfologi membran,
dilakukan di Laboratorium Geologi Kuarter, Pusat Penelitian dan Pengembangan
Geologi Bandung.
3.2 Bahan dan Alat
Bahan baku pembuatan karbon/arang aktif adalah kayu sengon
(Paraserienthes falcataria) dari PD. Wijaya Kayu Ciampea, Kabupaten Bogor,
dan limbah tempurung kelapa (Cocos nucifera) dari beberapa kios sembako di
Ciomas, Kota Bogor. Sebagai bahan sintesis membran, digunakan polimer
polisulfon (Aldrich), pelarut N,N-dimethylacetamide (DMAc) (Sigma Aldrich),
dan air destilasi sebagai koagulan. Bahan kimia lain untuk pembuatan dan
karakterisasi arang aktif adalah kalium hidroksida (KOH), natrium tiosulfat
(Na2S2O3), benzena (C6H6), kloroform (CHCl3), iod (I2), dan larutan kanji.
Untuk pengarangan dan aktifasi karbon, digunakan tungku pengarangan
(retort pirolisis) dan retort aktivasi. Plat kaca, batang silinder kaca, dan selotip
digunakan sebagai media pencetakan membran. Alat preparasi sampel lain di
antaranya adalah gelas beker, gelas ukur, labu erlenmeyer, labu takar, cawan petri,
pipet tetes, alat titrasi, kertas saring, hot plate stirrer, magnetic stirrer, ultrasonic
processor (Cole Parmer), desikator, tanur, oven, inkubator, dan mesin gerus
arang. Sedangkan alat ukur yang digunakan adalah neraca analitis, mikrometer,
jangka sorong, mistar, stopwatch, dan termometer.
Karakterisasi struktur kristalit arang aktif dan membran dilakukan dengan
X-Ray Diffractometer (XRD) Shimadzu seri XRD7000 Maxima 40 kV.
Konduktivitas listrik arang aktif dan membran diukur dengan LCRmeter Hioki
3532-50 Hi-Tester 5 MHz. Analisis struktur morfologi dilakukan dengan
22
Scanning Electron Microscope (SEM) ZEISS seri EVO 20 kV untuk arang aktif,
dan SEM JEOL JSM-6063 LA untuk membran. Karakteristik fluks dan kuat
mekanik membran diuji dengan alat uji fluks tipe cross-flow dan sensor gaya
PASCO CI-6746 dengan ScienceWorkshop® 750 Interface.
3.3 Diagram Alir Penelitian
Seluruh rangkaian kegiatan dan tahapan penelitian yang dilakukan dapat
diilustrasikan dengan diagram alir pada Gambar 8 dan Gambar 9.
Gambar 8 Proses pembuatan dan karakterisasi arang dan arang aktif
Arang aktif optimum untuk aplikasi membran
Penyeleksian berdasarkan struktur pori
Penumbukan (0,5 – 0,8 cm)
Perendaman dalam KOH 10% (24 Jam)
Aktivasi dengan H2O (850OC; 80,110 menit)
Tanpa perendaman
Karbonisasi (500OC, 4 Jam)
Arang
Analisis: - Rendemen - Kadar air, abu,
karbon, zat terbang - Daya serap benzena,
kloroform, dan iod.
Karakterisasi: - XRD - SEM - Konduktivitas listrik
Tempurung Kelapa; Kayu Sengon
Arang aktif
23
Gambar 8 menunjukkan diagram alir untuk proses pembuatan dan
karakterisasi arang dan arang aktif, dengan bahan baku kayu sengon atau
tempurung kelapa, yang merupakan tahap pertama penelitian. Tahap kedua adalah
proses sintesis dan karakterisasi membran polisulfon yang didadah karbon aktif,
sebagaimana ditampilkan pada Gambar 9.
Gambar 9 Proses sintesis dan karakterisasi membran polisulfon didadah karbon aktif
Dilarutkan dalam DMAc 99%, 24 Jam
Homogenisasi (Stirring 1 jam dan Sonikasi 1 jam)
Pencetakan Membran (Teknik Inversi Fasa)
Polisulfon + Karbon Aktif 0, 2, 6% (b/b)
Larutan Cetak (Dope)
Membran
Karakterisasi Membran
Fluks membran
SEM Konduktansi membran
Derajat pengikatan air
XRD Kuat mekanik
24
3.4 Metode Penelitian
3.4.1 Pembuatan Arang dan Arang Aktif
Arang dibuat dari dua bahan baku, yaitu tempurung kelapa dan kayu
sengon. Perlakuan yang sama diberikan pada kedua jenis bahan. Bahan baku
dikarbonisasi pada retort pirolisis dengan pemanas listrik, pada suhu 500oC
selama 4 jam, lalu didinginkan ± 24 jam. Sebagian arang dihaluskan untuk
karakterisasi dan sebagian lagi diproses untuk aktivasi.
Sebelum proses pengaktifan arang pada retort aktivasi, arang dibagi
menjadi dua perlakuan, yakni tanpa perendaman dan dengan perendaman dalam
larutan kalium hidroksida (KOH) teknis, konsentrasi 10% (b/b). Arang direndam
selama 24 jam, lalu ditiriskan hingga kering pada suhu ruang. Perendaman ini
merupakan proses aktivasi kimia. Masing-masing jenis arang (tanpa dan dengan
perendaman) selanjutnya diaktivasi secara fisika, menggunakan retort aktivasi
yang terbuat dari bahan baja anti karat, dan dililit dengan elemen kawat nikelin
sebagai pemanas. Aktivasi dilakukan pada suhu 850oC, dengan memberikan aliran
uap air panas (steam) selama 80 dan 110 menit. Variasi perlakuan arang aktif
selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Variasi perlakuan aktivasi arang aktif
Bahan baku arang Perlakuan
Kode arang aktif Perendaman kimia Lama steam
(menit)
Tempurung kelapa
KOH 10% KOH 10%
- -
80 110 80 110
AAT KOH-80 AAT KOH-110 AAT-80 AAT-110
Kayu sengon
KOH 10% KOH 10%
- -
80 110 80 110
AAS KOH-80 AAS KOH-110 AAS-80 AAS-110
3.4.2 Penetapan Mutu Arang Aktif
Pengujian mutu arang dan arang aktif dilakukan dengan prosedur sesuai
Standar Nasional Indonesia (SNI) 06-3730-1995 tentang arang aktif teknis.
Pengujian meliputi penetapan rendemen, kadar air, abu, zat terbang, karbon, serta
daya serap terhadap benzena, kloroform, dan iod, dengan 2 kali ulangan.
25
a. Rendemen
Rendemen atau perolehan arang aktif dihitung melalui perbandingan berat
arang setelah diaktivasi, terhadap berat bahan baku sebelum diaktivasi.
Rendemen (%) = x 100% (9)
b. Kadar Air (SNI 06-3730-1995)
Sejumlah 1 gram contoh arang aktif dimasukkan ke dalam cawan petri,
lalu dikeringkan dalam oven selama 3 jam pada suhu 110oC. Hasil pengeringan
selanjutnya didinginkan dalam desikator dan ditimbang sampai massanya konstan.
Kadar air (%) = x 100% (10)
c. Kadar Abu (SNI 06-3730-1995)
Contoh arang aktif sebanyak 1 gram dimasukkan ke dalam cawan petri
yang telah diketahui massanya, lalu dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu
750oC selama 6 jam. Contoh kemudian didinginkan dalam desikator dan
ditimbang hingga massanya tetap.
Kadar abu (%) = x 100% (11)
d. Kadar Zat Terbang (SNI 06-3730-1995)
Kadar zat terbang ditentukan dengan memasukkan 1 gram contoh arang
aktif ke dalam cawan porselin yang telah diketahui beratnya, selanjutnya
dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu 950oC selama 10 menit. Setelah itu
didinginkan dalam desikator dan ditimbang sampai massanya konstan.
Kadar zat terbang (%) = x 100% (12)
e. Kadar Karbon (SNI 06-3730-1995)
Besarnya kadar karbon dalam arang aktif diperoleh dengan jalan
pengurangan dari kadar abu dan kadar zat terbang.
Kadar karbon (%) = 100% - (Kadar abu + Kadar zat terbang) (13)
Massa basah – Massa kering Massa basah
Massa sisa contoh Massa contoh awal
Massa arang aktif Massa bahan baku
Penurunan massa contoh massa contoh awal
26
f. Daya Serap Iod (SNI 06-3730-1995)
Contoh arang aktif ditimbang sebanyak 0.25 gram, lalu dimasukkan ke
dalam botol bertutup dengan warna gelap. Sebanyak 25 ml larutan iod 0,1 N
ditambahkan ke dalam botol, lalu dikocok selama 15 menit pada suhu kamar.
Larutan kemudian disaring, hasilnya dipipet sebanyak 10 mL dan dititrasi dengan
larutan natrium tiosulfat 0,1 N, hingga diperoleh larutan berwarna kuning muda.
Beberapa tetes larutan kanji 1% dapat ditambahkan pada larutan sebagai
indikator. Larutan dititrasi kembali hingga bening tak berwarna.
Daya serap iod (mg/g) = (14)
Keterangan :
Viod = Volume iod sebagai titran (mL) Vtio = Volume natrium tiosulfat sebagai titrat (mL) Niod = Normalitas iod (N) Ntio = Normalitas natrium tiosulfat (N) fp = Faktor pengenceran M = Massa arang aktif (g) g. Daya Serap Uap Benzena dan Kloroform
Sebanyak 1 gram contoh arang aktif dimasukkan ke dalam cawan petri,
lalu ditempatkan dalam desikator yang telah dijenuhkan dengan uap benzena atau
uap kloroform selama 24 jam. Selanjutnya contoh ditimbang, di mana sebelumnya
dibiarkan dulu selama 5 menit pada udara terbuka, untuk menghilangkan uap yang
tertempel pada permukaan kaca.
Daya serap (%) = x 100% (15)
3.4.3 Karakterisasi Arang Aktif
a. Struktur Kristalit
Struktur kristalit arang dan arang aktif dianalisis dengan difraksi sinar-X,
menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD). Analisis ini bertujuan untuk
mengetahui derajat kristalinitas (X), jarak antar lapisan (d), tinggi lapisan (Lc),
Massa uap yang terserap Massa contoh awal
M
fpxxN
NxVV
iod
tiotioiod 693.12⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
27
lebar lapisan (La), dan jumlah lapisan aromatik (N) pada arang dan arang aktif,
dengan sumber radiasi tembaga (Cu). Penetapan nilai parameter tersebut
dilakukan menurut Iguchi (1997) serta Kercher dan Nagle (2003). Struktur
kristalit diilustrasikan pada Gambar 10. Perhitungan untuk mengetahui struktur
kristalit arang dan arang aktif dirumuskan sebagai berikut:
Derajat kristalinitas : X = x 100% (16)
Jarak antar lapisan aromatik (d002) : λ = 2 d sin θ (17)
Tinggi lapisan aromatik (Lc) : Lc(002) = K λ / β cos θ (18)
Lebar lapisan aromatik (La) : La(100) = K λ / β cos θ (19)
Jumlah lapisan aromatik (N) : N = Lc/d (20)
di mana:
λ = 0.1540598 nm (panjang gelombang radiasi sinar Cu) β = Intensitas ½ tinggi dan lebar intensitas difraksi (radian θ) K = Tetapan untuk lembaran grafit (0.89) θ = Sudut difraksi
Gambar 10 Skema struktur kristalit arang dan arang aktif; dengan jarak antar lapisan (d), tinggi lapisan (Lc), lebar lapisan (La), dan jumlah lapisan aromatik (N)
b. Konduktivitas Listrik
Konduktivitas adalah ukuran ilmiah tentang kemampuan material dalam
mengalirkan arus listrik yang melaluinya. Konduktivitas merupakan kebalikan
dari resistivitas atau sifat tahanan jenis bahan. Penentuan nilai konduktivitas arang
dan arang aktif dilakukan dengan LCRmeter (Gambar 11). Sampel yang telah
Bagian kristal Bagian kristal + Bagian amorf
28
dihaluskan, ditimbang sebanyak 0.3 gram, lalu dimasukkan ke dalam tabung
konduktor berdiameter 15.12 mm. Nilai konduktivitas sampel diukur pada arus
bolak-balik (AC), dalam rentang frekuensi 50 Hz - 5 MHz dan tegangan 1 V.
Ketebalan sampel dalam tabung diukur menggunakan jangka sorong. Nilai
konduktivitas listrik dihitung dengan persamaan berikut (Purwanto et al. 2007):
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
AdGσ (21)
dengan σ adalah konduktivitas listrik (S/m), G adalah nilai konduktansi yang
terukur (Siemens), d adalah ketebalan sampel (m), dan A merupakan luas
penampang dalam tabung sebagai tempat sampel (m2).
Gambar 11 Pengukuran konduktivitas listrik arang dan arang aktif
c. Analisis Morfologi Permukaan
Analisis morfologi permukaan arang dan arang aktif dilakukan dengan
mikroskop elektron, pada tegangan operasi 20 kV. Pengambilan foto SEM
dilakukan pada bahan baku tempurung kelapa dan kayu sengon, serta arang dan
arang aktifnya, dengan perbesaran 500 kali.
3.4.4 Sintesis Membran dengan Dadah Arang Aktif
Teknik pembuatan membran yang digunakan adalah metode inversi fasa.
Proses pembuatannya melalui dua tahap, yaitu pembuatan larutan cetak atau dope,
dan pencetakan membran untuk memperoleh lapisan tipis padat membran.
Pembuatan membran polisulfon dilakukan dengan mencampurkan bahan
polimer polisulfon dan karbon aktif sebagai bahan terlarut, dan dimethylacetamid
(DMAc) sebagai pelarut. Komposisi larutan membran terdiri atas 12% polisulfon,
29
karbon aktif dengan variasi konsentrasi 0, 2, dan 6% (b/b), dan sisanya adalah
pelarut DMAc, dengan massa total larutan cetak 10 gram. Nilai perbandingan ini
didasarkan pada penelitian Romli et al. (2006), yang melakukan uji permeabilitas
membran polisulfon terhadap air, dengan fluks tertinggi diperoleh pada
konsentrasi polisulfon 12%. Variasi komposisi membran disajikan pada Tabel 4.
Tabel 4 Perbandingan fraksi massa polisulfon, karbon aktif, dan DMAc Jenis
membran Bahan Terlarut (gr) Pelarut
DMAc (gr) Total
massa (gr) Kode
membran Polisulfon Karbon aktif Polisulfon PS-TKP* PS-TKP PS-Sengon PS-Sengon
1.2 1.2 1.2 1.2 1.2
0 0.2 0.6 0.2 0.6
8.8 8.6 8.2 8.6 8.2
10 10 10 10 10
PSM PST 2% PST 6% PSS 2% PSS 6%
* PS: Polisulfon, TKP: Tempurung kelapa
Setelah penimbangan, masing-masing bahan dimasukkan ke dalam gelas
beker dan ditutup kertas alumunium foil untuk menghindari penguapan pelarut.
Larutan membran disimpan pada suhu ruang selama 24 jam, agar seluruh bagian
polisulfon dan karbon aktif terlarut dalam DMAc. Selanjutnya membran distiring
selama 1 jam dengan kecepatan 300 rpm dan disonikasi selama 1 jam dengan
amplitudo 25%, agar campuran larutan lebih homogen.
Gambar 12 Proses pencetakan membran dengan metode inversi fasa
30
Langkah kedua adalah proses pencetakan membran, sebagaimana
ditunjukkan pada Gambar 12. Larutan cetak dituangkan ke atas plat kaca yang
telah dibatasi selotip berketebalan 0,05 mm pada kedua sisinya, kemudian
diratakan dengan batang silinder kaca agar menjadi lapisan tipis. Plat kaca
bersama lapisan membran kemudian dikoagulasikan (dicelupkan) ke dalam
nampan berisi aquades sebagai non pelarut. Selama pencelupan, membran
polisulfon-karbon aktif terbentuk. Membran selanjutnya dilepaskan dari plat kaca
dan tetap disimpan dalam aquades sampai dilakukan proses karakterisasi.
3.4.5 Karakterisasi Membran
a. Fluks Membran
Ukuran kecepatan suatu spesi tertentu untuk melalui membran disebut
sebagai permeabilitas membran. Permeabilitas dinyatakan sebagai aliran fluks
permeat melewati membran tiap satu satuan waktu. Nilai fluks membran dapat
diperoleh dengan persamaan berikut (Kertesz et al. 2009):
dtdV
AJ 1= (22)
Di mana J merupakan nilai fluks (L/m2.jam), V adalah volume permeat (L),
A adalah luas area filtrasi membran (m2), dan t adalah waktu (jam).
Gambar 13 Pengujian fluks membran dengan metode cross flow;
(a) skema aliran, (b) alat uji fluks tipe cross-flow, (c) modul membran
(a)
(b)
(c)
31
Uji fluks dilakukan dengan metode cross flow (Gambar 13). Pada metode
ini, umpan mengalir melalui suatu membran, di mana hanya sebagian umpan yang
melewati membran untuk menghasilkan permeat, sedangkan aliran pelarut atau
cairan pembawa akan melewati permukaan membran, sehingga larutan, koloid,
dan padatan tersuspensi yang tertahan oleh membran akan terus terbawa menjadi
aliran balik (Li et al. 2008). Pengujian fluks dilakukan dengan bahan filtrat air
destilasi. Air pada wadah umpan dipompa dengan tekanan tetap 5 psi (tekanan
trans membran 2.5 psi). Pertambahan volume air yang tersaring oleh membran
diukur setiap 30 detik selama 15 menit.
b. Derajat Pengikatan Air
Penentuan derajat serapan air dilakukan melalui penimbangan membran
saat kering dan basah. Membran kering dipotong dengan ukuran 3x3 cm,
ditimbang dengan neraca analitis, lalu direndam dalam aquades bersuhu 40 oC
selama 24 jam. Setelah perendaman, seluruh permukaan membran dikeringkan
dengan tisu dan kertas saring, lalu ditimbang kembali. Derajat pengikatan air oleh
membran (W) dihitung dengan persamaan berikut:
%100)(% xW
WWW
k
kb −= (23)
Wb dan Wk masing-masing adalah massa membran (gr) saat basah dan kering.
c. Konduktansi dan Porositas
Penentuan konduktansi dan porositas membran didasarkan pada metode
yang dilakukan oleh Smith et al. (1992), dengan beberapa modifikasi pada alat
dan proses pengukuran. Konduktansi diukur pada suatu media chamber, dengan
mengalirkan larutan elektrolit NaCl melewati membran. Bagian lapisan aktif
membran dihadapkan pada larutan NaCl dengan molaritas lebih tinggi yakni 1 M
dan sisi lainnya dengan larutan NaCl 0.1 M, di mana aliran ion mengalir dari
molaritas tinggi ke rendah. Besarnya aliran ion melalui membran diukur sebagai
nilai konduktansi, menggunakan LCRmeter yang dihubungkan dengan 2 buah
elektroda AgCl pada kedua sisi membran. Pengukuran dilakukan pada arus AC
dengan frekuensi 1 kHz dan tegangan masukan 1 V. Nilai konduktansi (G) diukur
32
dengan variasi suhu larutan (T) 30 - 50 oC. Untuk memanaskan larutan NaCl,
chamber diletakkan pada waterbath kaca berisi air, yang dipanaskan dengan
pemanas listrik. Proses pengukuran konduktansi membran diilustrasikan pada
Gambar 14. Pertambahan nilai konduktansi terhadap kenaikan suhu diplotkan
dalam kurva ln G terhadap 1/T. Kemiringan atau gradien kurva digunakan untuk
menentukan perubahan energi diri membran dan jari-jari pori membran.
Gambar 14 Pengukuran konduktansi membran
Perubahan energi diri (ΔU) membran ditentukan dengan persamaan berikut:
ΔU = B k (24)
Di mana B adalah gradien dari grafik hubungan konduktansi (ln G) terhadap suhu
(1/T), dan k adalah nilai konstanta Boltzman (1.38662 x 10-23 J/K). Dengan
mengetahui nilai energi diri, maka dapat diperoleh ukuran jari-jari pori membran:
Uqzb
m Δ=
εεπα
0
22
4 (25)
33
Keterangan:
b = Jari-jari pori membran (m) z = Bilangan valensi ion (untuk NaCl = 1) q = Muatan ion (1.6 x 10-19 C) α = Konstanta geometri dan dielektrik (pendekatan 0.2) εo = Permitivitas ruang hampa/konstanta resapan (8.85 x 10-12 F/m) εm = Konstanta dielektrik membran (3-4)
d. Kuat Mekanik
Pengukuran kuat mekanik meliputi kuat tekan dan tarik membran,
menggunakan sensor gaya. Sampel membran yang diuji memiliki luasan 3x2 cm.
Membran ditekan atau ditarik hingga robek dengan sensor gaya (Gambar 15).
Sensor diintegrasikan langsung dengan komputer, sehingga data pengukuran
ketika gaya diberikan dapat langsung terbaca melalui software sensor.
Gambar 15 Pengukuran kuat mekanik membran; (a) kuat tekan, (b) kuat tarik
e. Analisis Morfologi
Analisis membran dengan SEM dilakukan untuk mengamati struktur
morfologi permukaan dan penampang lintang membran. Foto SEM dilakukan
pada tiga bagian membran, yaitu pada penampang atas dan bawah dengan
perbesaran 10 000 kali, serta penampang samping dengan perbesaran 500 kali.
f. Analisis Struktur Kristalit
Analisis struktur dengan XRD dilakukan untuk mengetahui struktur
kristalit membran polisulfon murni tanpa dadah, serta perubahannya setelah
didadah dengan karbon aktif tempurung kelapa dan kayu sengon.
(a) (b)
34
3.5 Rancangan Percobaan
Data arang berupa rendemen, kadar air, kadar abu, kadar zat terbang, dan
kadar karbon terikat untuk arang dari bahan baku tempurung kelapa dan kayu
sengon dianalisa secara deskriptif. Sedangkan kadar air, kadar abu, kadar zat
terbang, kadar karbon terikat, serta daya serap terhadap iod, benzena, dan
kloroform dari arang aktif yang dihasilkan, dianalisis menggunakan rancangan
acak lengkap faktorial dengan 3 variasi perlakuan:
A = Jenis arang; tempurung kelapa (A1), kayu sengon (A2),
B = Perendaman kimia; perendaman dengan KOH 10% (B1) dan tanpa
perendaman (B2),
C = Lama aktivasi; 80 menit (C1) dan 110 menit (C2).
Berikut adalah model persamaan analisisnya:
Yijkl = µ + Ai + Bj + (AB)ij + Ck + (AC)ik + (BC)jk + (ABC)ijk + εijkl (26)
Keterangan:
Yijk = Nilai pengamatan pada perlakuan A taraf ke-i, perlakuan B taraf ke-j, perlakuan C taraf ke k, dan ulangan ke-l µ = Rataan umum Ai = Pengaruh utama perlakuan A taraf ke-i Bj = Pengaruh utama perlakuan B taraf ke-j Ck = Pengaruh utama perlakuan C taraf ke-k (AB)ij = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i dan B taraf ke-j (AC)ik = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i dan C taraf ke-k (BC)jk = Pengaruh utama interaksi perlakuan B taraf ke-j dan C taraf ke-k (ABC)ijk = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i, B taraf ke-j, dan perlakuan C taraf ke-k εijkl = Pengaruh acak yang menyebar normal (0,σ2)
Hasil analisis kemudian diuji lanjut dengan uji perbandingan antar
perlakuan, menggunakan metode beda nyata terkecil (BNT) (Matjik dan
Sumertajaya 2006).
Recommended