bab ii tinjauan pustaka - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/1070/3/nanang surya bab...

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Membran Keramik

Keramik dapat di definisikan menjadi sebuah senyawa padatan yang

terbentuk melalui panas, atau kombinasi panas dan tekanan, yang tersusun

setidaknya dari dua unsur yang salah satu diantara unsur penyusunnya adalah

unsur padatan non logam. Unsur lainnya dapat berupa logam atau unsur non

logam lainnya. (Barsoum,1997).

Membran keramik dapat digambarkan sebagai sebagai sebuah media

selektif permiabel yang mempunyai pori dengan diameter tertentu dimana faktor

permeabilitas dan separasi merupakan indicator – indicator yang paling penting

dalam menentukan performanya. Untuk sebuah membran keramik berpori

(porous), terdapat ciri – ciri tertentu yaitu jika dilihat dari ketebalan, ukuran pori

dan permukaan porositas dari membran (Li, 2007).

Membran keramik berpori adalah membran dengan tipe asimetrik yang

memiliki ketebalan support sekitar 1 – 3 mm. Lapisan mikrofiltrasi biasanya

berukuran 10 – 30µm dan oksida yang umum digunakan untuk membran adalah

zirconia (ZrO2) dan alumina (Al2O3). Membran ultrafiltrasi tebalnya hanya

beberapa mikrometer dan terbuat dari alumina, zirconia, titania (TiO2) dan

cerium (CeO2). Membran nanofiltrasi ketebalannya kurang dari 1µm, umumnya

terbuat dari zirconia dan titania. Support dan lapisan mikrofiltrasi dihasilkan dari

teknik keramik klasik, dimana proses sol-gel digunakan untuk lapisan ultra dan

Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015

5

nanofiltrasi. Membran keramik kebanyakan dibuat dalam dua bentuk geometri

utama : tubular dan flat. Membran keramik terutama yang berbasis Palladium

telah lama digunakan pada mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi karena sifatnya yang

stabil terhadap pengaruh panas, bahan kimia dan solvent (Baker 2004).

Kelebihan membran keramik terletak pada kestabilan temperaturnya yang

baik, tahan terhadap senyawa kimia, degradasi biologis ataupun mikroba. Sifat-

sifat menunjukkan keunggulan bila dibandingkan dengan membran yang terbuat

dari senyawa polimer, dan relatif mudah untuk dibersihkan dengan cleaning

agent. Ketahanan terhadap zat kimia menyebabkan membran keramik banyak

digunakan pada prosesing makanan, produk bioteknologi dan farmasi.

Kekurangan membran keramik terutama timbul dari proses preparasinya dimana

sangat sulit mencapai kualitas produk akhir yang reproducible. Hal ini karena

pada dasarnya sifat brittle dari membran keramik membuatnya lebih mahal

daripada sistem membran polimer. Selain itu, harga sistem membran meningkat

signifikan seiring dengan meningkatnya kebutuhan sifat-sifat produk, antara lain

porositas, ukuran pori, reproducibility, dan reliability.

2.2 Zeolit

Zeolit berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos yang

berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat lunak dan

mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih kehijau-hijauan,

atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari

10-15 mikron (Mursi Sutarti, 1994).


6

Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun

silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar

mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh

air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh

karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa

penukar ion, sebagai filter dan katalis.

2.2.1 Struktur Zeolit

Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4] dan

[SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O

Gambar 2.1 Kerangka Utama Zeolit

2.2.2 Sifat – sifat Zeolit

Zeolit mempunyai struktur berongga (gambar 4) yang biasanya diisi oleh air

dan kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.

Gambar 2.2 Struktur Pori di dalam Zeolit (Weller, 1994)


7

Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya :

A. Dehidrasi

Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan zeolit

terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam didalam pori-porinya

terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau molekul air tersebut

dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan tertentu maka zeolit akan

meninggalkan pori yang kosong

B. Penyerapan

Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air

yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air tersebut akan keluar.

Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan

C. Penukar Ion

Ion-ion pada rongga berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat

bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan

muatan maupun jenis zeolitnya. Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain

tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion (Bambang P, dkk, 1995).

D. Katalis

Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa mempengaruhi

kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan lintasan molekular dari

reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil akan memuat molekul-molekul

kecil tetapi mencegah molekul besar masuk. Selektivitas molekuler seperti ini disebut

molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).


8

E. Penyaring / Pemisah

Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas perbedaan

bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini disebabkan zeolit

mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul yang berukuran lebih kecil dari

ruang hampa dapat melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa

akan ditahan (Bambang P, dkk, 1995).

2.3 Sekam Padi

Menurut Mittal (1997) sekam padi merupakan salah satu sumber penghasil

silika terbesar setelah dilakukan pembakaran sempurna. Abu sekam padi hasil

pembakaran yang terkontrol pada suhu tinggi (500-600oC) akan menghasilkan abu

silika yang dapat dimanfaatkan untuk berbagai proses kimia (Putro, 2007).

Houston (1972) mengatakan bahwa abu sekam padi mengandung silika sebanyak

86%-97% berat kering. Silika merupakan bahan baku utama pada industri kaca,

keramik, industri refraktori dan bahan baku yang penting untuk produksi larutan

silikat, silikon dan alloy (Kirk-Othmer, 1967). Abu dari hasil pembakaran

sekam padi memiliki komponen kimia yang ditunjukkan pada tabel 2.2:

Tabel 2.1. Komponen Kimia Abu Sekam Padi Komponen Kandungan (%)

SiO2 86.90 – 97.30 K2O 0.58 – 2.50 Na2O 0.00 – 1.75 CaO 0.20 – 1.50 MgO 0.12 – 1.96 Fe2O3 0,54 P2O5 0.2 – 2.85 SO3 0.1 – 1.13 Cl 0.42

Sumber: Wen-Hwei (1986) dalam Jaya (2002)


9

Silika yang dihasilkan dari sekam padi memiliki beberapa kelebihan

dibandingkan dengan silika mineral, dimana silika sekam padi memiliki butiran

halus, lebih reaktif, dapat diperoleh dengan cara mudah dengan biaya yang relatif

murah, serta didukung oleh ketersediaan bahan baku yang melimpah dan dapat

diperbaharui. Dengan kelebihan tersebut, menunjukkan silika sekam padi

berpotensi cukup besar untuk digunakan sebagai sumber silika, yang merupakan

bahan material yang memiliki aplikasi yang cukup luas penggunaannya.

Keberadaan silika, khususnya dalam bentuk SiO2, dalam padi telah diketahui

sejak tahun 1938. Menurut Soepardi (1982), kandungan silika tertinggi pada padi

terdapat pada sekam bila dibandingkan dengan bagian tanaman pada lain seperti

helai daun, pelepah daun, batang dan akar.

Menurut Karo-karo (2009), Abu sekam padi yang dihasilkan dari

pembakaran sekam padi pada suhu 400 0 - 5000 C akan menjadi silika Amorphous

pada suhu lebih besar dari 10000 C akan menjadi silika kristalin. Silika

Amorphous yang dihasilkan dari abu sekam padi diduga sebagai sumber penting

untuk menghasilkan silikon murni, karbit silikon, dan tepung nitirit silikon

(Katsuki et al , 2005).

2.4 Pembuatan Membran Keramik

Umumnya, proses fabrikasi membran keramik berpori terdiri atas tiga

tahapan yaitu 1) pembentukan suspensi partikel, 2) pembuatan suspensi partikel

menjadi precursor membran dengan bentuk tertentu seperti flat-sheet , monolith

atau tubular dan (3) konsolidasi membran keramik dengan perlakuan panas pada

suhu tinggi (Li 2007).


10

Gambar 2.3. Metoda Pembuatan Membran Keramik

(Diadaptasi dari Li 2007)

Metode yang lazim dilakukan dalam pencetakan membran keramik adalah

slip casting, tape casting, extrusion dan pressing. Proses pelapisan dilakukan

dengan teknik dip-coating, sol-gel, Chemical Vapor Deposition (CVD) atau

proses Evaporative Vapour Deposition (EVD). Diameter pori membran keramik

untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi bervariasi dari 0,01 sampai 10 µm. Biasanya

membran membran untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dibuat dengan cara

slip coating-sintering. Cara lainnya yaitu metode sol-gel dapat digunakan untuk

membuat membran keramik dengan ukuran pori dari 10 sampai 100

µm. Pada proses slip coating-sintering membran keramik dibuat dengan cara

menuangkan dispersi butir halus material keramik dan suatu binder dan

mencetaknya dalam suatu mold dan selanjutnya disintering pada temperatur tinggi

(Baker 2004).


11

2.4.1. Persiapan Slurry

Komponen utama yang digunakan untuk membran keramik adalah

inorganic powder, organic additives dan solvent. Faktor penting dalam pemilihan

inorganic powder adalah ukuran partikel, distribusi, dan bentuk partikel. Faktor-

faktor ini mempengaruhi porositas, ukuran pori dan distribusi ukuran pori pada

produk akhir. Organic additives, antara lain binders, plasticizers, lubricant,

deflocculant, antifoaming agent, promoters of porosity, water retention agent,

antistatic, chelating dan bactericide agent digunakan selama proses pembuatan,

tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat membran keramik yang dibutuhkan.

Syarat utama organic additives harus bisa terbakar tanpa meninggalkan abu dan

tar. Pemilihan dan kuantitas organic additives sangat penting karena berdampak

pada sifat slurry, sehingga mempengaruhi pemilihan metode fabrikasi (apakah

extrusion, tape casting, dip coating , dll) dan sifat produk akhir.Solvent (misalnya

air, pelarut organik , atau campurannya) harus mampu melarutkan senyawa

organik yang digunakan dan harus menguap. Karakteristik penguapan solvent

berdampak pada waktu pengeringan. Proses persiapan slurry tergantung pada

ketebalan yang diinginkan (pasta, slurry, suspensi), langkah-langkahnya terdiri

dari :

• Mixing, pugging, dan aging (untuk pasta)

• Milling dan ultrasound treatment (untuk slurry)

• Dispersing (untuk suspensi, contohnya alumina dan zirconia) Agregasi

partikel slurry memiliki efek pada ukuran pori dan permeabilitas air

produk akhir.


12

2.4.2. Proses sol – gel

Proses ini pertama kali dikenalkan oleh Leennaars dalam pembuatan

membran keramik jenis ultrafiltrasi. Proses ini mempunyai keuntungan

diantaranya lebih mudah mengontrol ukuran pori membran yang dihasilkan. Sol-

sol koloid merupakan larutan koloid dari zat-zat padat seperti Al2O3, SiO2TiO2,

atau ZrO2. Proses ini digunakan pada persiapan oksida-oksida yang akan dipakai.

Suspensi tercapai dengan sintesa partikel solid dalam liquid dari precursor organo

metalik (contohnya sol titania dan boehmite). Proses sol-gel

digunakan pada pembuatan membran alumina dengan diameter pori4–10 nm dari

sol boehmite. Dalam hal ini, polyvinyl alcohol dalam larutan dipboehmite

meningkatkan reproducibility dan menurunkan tingkat defect produk akhir

membran alumina. Fabrikasi membran nanofiltrasi memiliki persyaratan ekstra

dibandingkan pembuatan membran ultra dan mikrofiltrasi. Diantara persyaratan

yangdimaksud adalah :

1. Masing-masing butiran dalam sintered ceramic harus berukuran kurang

dari 10 nm. Ini bisa ditingkatkan dengan penambahan ion logam, misalnya

La3+, untuk membatasi membesarnya pori dan menghambat transformasi

fasa.

2. Agregasi partikel saat keadaan sol harus dicegah, dengan penambahan

peptizing agent.Gambar 2.4 Memperlihatkan proses/metoda sol-gel dalam

pembuatan membran keramik.


13

Gambar 2. 4. Metoda Sol-gel dalam Pembuatan Membran Keramik

Sumber : Caro, J et al (2000)

2.4.3. Proses Fabrikasi

Proses fabrikasi yang paling umum pembuatan membran adalah extrusion,

tapecasting , dip dan spin coating. Extrusion dan tape casting digunakan untuk

supportsistem, tape casting and dip coating digunakan untuk membran

mikrofiltrasi, dip dan spin coating dipakai pada membran ultra dan nano filtrasi.

Pada proses extrusi, pasta dipaksa melewati bukaan die sehinga terbentuk tubular

atau multichannel support. Green compact yang terbentuk dikeringkan pada

temperature kurang dari 100oC untuk menghilangkan air. Tape casting digunakan


14

untuk membuat keramik yang tipis, datar dan rapat. Proses ini terbatas pada

ketebalan film yang didapat. Green compact yang terbentuk dari slurry sebagai

hasil relative movement antara ‘doctor blade’ dan support atau carrier.

Umumnya, kecepatan casting bervariasi dari 0.1 sampai 1.5 m/min. Setelah

proses casting, tape dikeringkan. Tape yang kering dipindahkan dari support dan

sangat mudah di handle karena karakteristik plastiknya. Dip coating digunakan

untuk membran multilayer. Sistem pendukung Permeabilitas yang digunakan

harus lebih tinggi dari lapisan membran (sedikitnya dengan faktor 10) sehingga

ketebalan masing-masing lapisan harus setipis mungkin. Dua metode

untuk formasi lapisan yaitu :

1. Capillary colloidal filtration

Disebut juga slip casting, dimana capillary suction dari subtrate membawa

partikel ke interface, subtrate kering kontas dengan dispersi ini dan permukaan

pori dibasahi oleh cairan dispersi.

2. Film coating

Dimana lapisan dispersi yang menempel terbentuk karena drag force yang

diusahakan oleh substrate selama keluar dari dispersion. Faktor kritis yang perlu

diperhatikan pada dip coating adalah viskositas slip, kecepatan coating dan

waktu. Proses pengeringan dimulai secara simultan dengan dip coating, saat

substrate mulai kontak dengan atmosfir yang humiditas relatifnya dibawah 100%.

Pada proses multi step yaitu setelah kalsinasi lapisan pertama dilakukan

pengulangan dipping secara komplet dan diikuti lagi dengan pengeringan dan

kalsinasi. Contohnya alumina coating dengan ukuran pori rata-rata 100 nm


15

dipersiapkan dari suspensi (dalam air) yang tersedia secara komersial yaitu

alumina submicron dalam bentuk powder dengan diameter rata-rata yaitu 500 nm.

Semakin tipis slip, makin kritis langkah pengeringan untuk pembentukan

membran yang bebas defect/cacat. Pengeringan juga berefek pada formasi akhir

dari mikro struktur membran. Umumnya, pengeringan berlangsung pada

temperatur rata-rata 80–350oC, dan akan menghasilkan membran hybrid organic –

inorganik. Perlakuan pengapian (kalsinasi dan sintering) akan memperkuat

keramik dan membantu membran melekat kuat pada penyangga pori. Tujuannya

adalah memperbaiki mikro struktur dengan neck-formation, yang terdiri atas dua

tahap yaitu:

• Pembakaran organik (kalsinasi) yaitu tahapan krusial untuk memperoleh

membran yang bebas crack.

• Sintering keramik dengan densifikasi dan pertumbuhan butiran.

Dalam sintering digunakan temperatur rendah tapi harus mencapai

titik leleh keramik. Kalsinasi dan sintering pada temperatur yang relatif

rendah (300–400oC) dan waktu singkat tidak akan menghasilkan membran yang

stabil secara termal. Profil temperature yang dipakai untuk pengapian

merupakan hal yang kritis, terlebih jika support dan material support

membran berbeda. Hal ini akan berdampak pada ukuran pori dan komposisi

fase akhir.

Sebagai contoh, transisi fasa dari alumina ke-αalumina yang berlangsung

pada temperatur di atas 1000oC. Penambahan zat lain misalnya lanthanum

oxide atau titania dapat mengubah temperatur ini. Lanthanum oxide diamati


16

dapat meningkatkan temperatur saat berlangsungnya transformasi fasa,

sedangkan titania menurunkan temperatur transformasi fasa. Penurunan

porositas dapat meningkatkan ukuran pori dengan pemanasan membran

secara terkontrol padarentang temperatur 400 – 1000oC.

2.5 Pati

Pati merupakan cadangan makanan yang terdapat di dalam biji atau umbi

tumbuh-tumbuhan. Pati juga terdapat pada bagian tumbuhan yang berwarna hijau.

Pati terdapat dalam sel tanaman dalam bentuk partikel-partikel yang tidak larut

yang disebut granula. Ukuran dan bentuk granula pati ini berbeda-beda antara

satu tanaman dengan tanaman lain (Lineback dan Inglet, 1982). Granula pati

merupakan suatu sistem heterogen yang terdiri dari dua komponen yang berlainan

yaitu amilosa dan amilopektin. Karakteristik normal dari pati biji-bijian terdiri

dari kira-kira 30% amilosa dan 70% amilopektin. Perbandingan antara jumlah

amilosa dan amilopektin didalam granula mempengaruhi tingkat kekentalan gel.

Dalam proses pembuatan membran, pati merupakan bahan pembentuk zat perekat

(gel). Akibat adanya proses pemanasan dan proses pengepresan, pati akan

membentuk gel yang sangat membantu dalam proses pembuatan membran agar

menjadi lebih padat, keras dan tidak mudah pecah (Rasidi, 1997). Pati terdapat

dalam bahan-bahan sumber karbohidrat, dan tepung beras adalah salah satu bahan

yang banyak mengandung karbohidrat.

Tepung beras berasal dari butiran beras yang digiling. Unsur terbesar dari

zat penyusun butir beras adalah karbohidrat/pati lalu diikuti oleh protein. Zat pati

terutama terdapat pada bagian endosperm dari butir beras. Pada bagian luar


17

endosperm masih terdapat bagian-bagian yang bukan pati seperti protein dan

lipid. Makin ke tengah endosperm, bagian-bagian bukan pati ini semakin

menurun, sehingga pati merupakan bagian terbesar. Pati merupakan polimer

glukosa yang dicirikan dari warna granula yang putih, mengkilap, tidak berbau

dan tidak mempunyai rasa. Pati beras mempunyai fraksi linear (amilosa) dan

fraksi bercabang (amilopektin) (Hubeis, 1984).

2.6 Polivinil Alkohol (PVA)

Polivinil Alkohol (PVA) merupakan polimer sintetis yang dibuat dari

monomer vinil asetat. Polivinil asetat (bahasa inggris : Polyvinyl acetate, PVA

atau PVAc) adalah suatu polimer karet sintetis. Polivinil asetat merupakan

senyawa polimer termoplastik yang memiliki sifat tahan panas, daya regang

tinggi, serta larut dalam pelarut organik. Senyawa ini ditemukan di Jerman oleh

Dr. Flitz Klatte pada tahun 1912. Hidrolisis sempurna atau sebagian senyawa ini

akan menghasilkan polivinil alkohol (PVOH). Rasio hasil hidrolisis ini berkisar

antara 87% – 99%.

PVA bahan yang tepat sebagai bahan pengemulsi dan adhesi. PVA adalah

lem kayu yang paling sering digunakan, baik sebagai lem putih atau lem kuning

(lem tukang kayu). “Lem kuning” tersebut juga digunakan secara luas untuk

mengelem bahan-bahan lain seperti kertas, kain, dan rokok. Polivinil asetat juga

umum dipakai dalam percetakan buku karena fleksibilitasnya dan tidak bersifat

asam seperti banyak polimer lain. Contoh produk polivinil asetat yang terkenal

adalah Lem Elmer. Lem Elmer ini terkenal di Amerika Serikat.


18

2.7 Penelitian Pendukung

1. A.M. Fuadi, Malik Musthofa, Kun Harismah, Haryanto, Nur Hidayati ,

2012 melaporkan bahwa berdasarkan hasil pengujian dengan XRD bisa

disimpulkan bahwa sekam padi bisa dimanfaatkan untuk membuat zeolit

sintetis. Hal ini ditunjukkan dengan bentuk-bentuk kristalin yang

dihasilkan sama dengan bentuk kristalin dari zeolit.

2. Bokau, N.S., 2013. Melaporkan bahwa Hasil karakterisasi kapasitas

penyerapan air dan permeabilitas membran menunjukkan bahwa adanya

peningkatan seiring dengan penambahan massa silica abu sekam padi.

3. Darsono.,Sugiarto Danu.,danTamzil Las, 2000 melaporkan bahwa

Konsentrasi PVA berpengaruh sangat nyata terhadap densitas dan kuat

tekan komposit, dan adanya rongga-rongga udara karena rendahnya

kandungan PVA dalam campuran komposit zeolit-PVA menyebabkan

rendahnya sifat mekanik komposit.


bab ii tinjauan pustaka - repository.ump.ac.idrepository.ump.ac.id/1070/3/nanang surya bab...

Documents