BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Membran Keramik
Keramik dapat didefinisikan 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 sebuah media selektif
permiabel yang mempunyai pori dengan diameter tertentu dimana faktor
permeabilitas dan separasi merupakan indikator-indikator 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
5
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
6
untuk lapisan ultra dan 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 stabilitas termalnya 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 membrane
keramik membuatnya lebih mahal dari pada sistem membran polimer.
Selain itu, harga sistem membran meningkat signifikan seiring dengan
meningkatnya
kebutuhan
sifat-sifat
produk
antara
lain,
porositas,
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
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
7
kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit
kebanyakan tidak lebih dari 10-15 mikron (Sutarti, 1994).
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 [AlO ]
4
dan [SiO ] yang saling berhubungan melalui atom O.
4
Gambar 2.1. Kerangka utama zeolit
2.2.2 Sifat–sifat Zeolit
Zeolit mempunyai struktur berongga yang biasanya diisi oleh air dan
kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
8
Gambar 2.2. Struktur Pori di dalam Zeolit (Weller, 1994)
Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya:
2.2.2.a. Dehidrasi
Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan
zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam di dalam
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.
2.2.2.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.
2.2.2.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
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
9
dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion
(Bambang P, dkk, 1995).
2.2.2.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).
2.2.2.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
Cangkang Kerang (Anadara Granosa)
Cangkang kerang terdiri dari kapur (CaO) dan silika (SiO2), dimana
SiO2 merupakan bahan dasar membran.0.001µm dan mampu menahan
partikel berukuran 50-1000 Da. Cangkang kerang mengandung kalsium
karbonat (CaCO3) dalam kadar yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan
batu gamping, cangkang telur, keramik, atau bahan lainnya. Hal ini terlihat
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
10
dari tingkat kekerasan cangkang kerang. Semakin keras cangkang, maka
semakin tinggi kandungan kalsium karbonat (CaCO3)nya. Fungsi dari
cangkang kerang disini sebagai bahan pengisi untuk memperkuat membran
keramik yang dihasilkan.
2.4
Air Holding Basin
Holding Basin (HB) adalah unit pengolahan limbah cair yang
digunakan untuk mengendapkan partikel-partikel padat, serta mengurangi
kadar minyak dalam air buangan dan juga memperbaiki kualitas air
buangan, terutama kandungan oksigennya. Sehingga diharapkan air sudah
aman untuk dilepaskan ke lingkungan. Holding basin ini juga bisa
menghasilkan lumpur, dan debit lumpur berkisar 4000 m3/ tahun. Lumpur
holding ini bisa ditampung dari dalam sludge pond tersendiri sebelum
diolah lebih lanjut (Tanjung, 2014). Sampel yang akan digunakan pada
penelitian ini memiliki hasil analisa awal sebagai berikut : memiliki Ph = 8 ;
BD = 13,4 ; konduktivitas = 4,46 dan TDS = 2,23.
2.5
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 flatsheet, monolith atau tubular dan (3) konsolidasi membran keramik dengan
perlakuan panas pada suhu tinggi (Li 2007).
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
11
Pembentukan
powder
Proses sol-gel
Slurry/ pasta
sintering
Slip-casting
Tape – casting
Ekstrusi
Pressing
Produk akhir
(membran
komposit)
sintering
Pembentukan
prekursor
Produk akhir
(membran
poroussimetrik
yang biasa
digunakan)
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 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 100Ȧ. 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).
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
12
Pembuatan membran keramik dari zeolit alam menggunakan CaCO3
murni berhasil dilakukan dengan melihat karakteristik dari membran
tersebut yang membentuk ikatan yang kokoh antara zeolit alam dengan
kalsium karbonat dan menunjukkan mineral penyusun dan pori pori sudah
menyatu serta distribusi mineral sudah homogen (Budiman dan Asmi,
2013).
2.5.1. 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 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
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
13
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.
2.5.2. 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 soltitania dan
boehmite). Proses sol gel digunakan pada pembuatan membran alumina
dengan diameter pori 4-10nm dari sol boehmite. Dalam hal ini, polyvinyl
alcohol dalam larutan diboehmite
menurunkan
tingkat
defect
meningkatkan reproducibulity dan
produk
alumina. Fabrikasi membran nanofiltrasi memiliki
akhir
persyaratan
membran
ekstra
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
14
dibandingkan pembuatan membran ultra dan mikrofiltrasi. Diantara
persyaratan yang dimaksud adalah:
1.
Masing-masing butiran dalam sintered ceramic harus berukuran
kurang dari 10nm. 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.
3.
Memperlihatkan proses/metoda sol-gel dalam pembuatan membran
keramik.
Gambar 2.4. Metoda Sol-gel dalam Pembuatan Membran Keramik
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
15
2.5.3. Proses Fabrikasi
Proses fabrikasi yang paling umum pembuatan membran adalah
extrusion, tapecasting , dip dan spin coating. Extrusion dan tape casting
digunakan untuk support system, 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 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. Permeability support system 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.
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
16
2) Film coating
Dimana lapisan dispersi yang menempel terbentuk karena dragforce
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
100nm 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
mikrostruktur membran. Umumnya, pengeringan berlangsung pada
temperatur rata-rata 80-350oC, dan akan menghasilkan membran
hybrid
organic-inorganic.
Perlakuan
pengapian
(kalsinasi
dan
sintering) akan memperkuat keramik dan membantu membran melekat
kuat pada support pori. Tujuannya adalah memperbaiki mikrostruktur
dengan neck-formation, yang terdiri atas dua tahap yaitu:

Pembakaran organik (kalsinasi) yaitu tahapan krusial untuk
memperoleh membran yang bebas crack.
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
17

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 temperatur
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 dapat meningkatkan temperatur saat
berlangsungnya transformasi fasa, sedangkan titania menurunkan
temperatur
transformasi
fasa.
Penurunan
porositas
dapat
meningkatkan ukuran pori dengan pemanasan membran secara
terkontrol pada rentang temperatur 400-1000oC.
2.6
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 partikelpartikel yang tidak larut yang disebut granula. Ukuran dan bentuk granula
pati ini berbeda-beda antara satu tanaman dengan tanaman lain (Lineback
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
18
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. 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 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).
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016
19
2.7
Penelitian Pendukung
1. Siregar (2009) melaporkan hasil bahwa kulit kerang sebagai pengikat
dapat menghasilkan beton polimer yang memiliki kuat tekan tinggi,
lebih tahan asam dan lebih tahan api.
2. Hidayanti dan Damayanti (2010) melaporkan hasil bahwa teknologi
membran dapat dibuat dari bahan polimer organik dan senyawa
anorganik. Pembuatan membran silika nanopori dari kulit kerang dapat
menjadi solusi terbaik karena mampu mengubah air laut menjadi air
tawar yang kadar garamnya tinggi dan mengurangi konsentrasi zat padat
terlarut (TDS).
3. Fadlilah (2011) melaporkan hasil bahwa kulit kerang terdiri dari CaCO3
dan silika (SiO2), dimana SiO2 merupakan bahan dasar membran.
Pembuatan membran silika nanopori dapat digunakan untuk mengatasi
air payau dan pencemaran lingkungan akibat logam berat. Sehingga
dengan adanya pembuatan membran dari kulit kerang dapat memenuhi
kebutuhan air bersih penduduk pesisir pantai di Indonesia.
Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016