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).