pengaruh aditif arang batok kelapa terhadap densitas dan porositas

Seminar Nasional Fisika 2012
Jakarta, 9 Juni 2012
PENGARUH ADITIF ARANG BATOK KELAPA TERHADAP
DENSITAS DAN POROSITAS MEMBRAN KERAMIK BERBASIS
ZEOLIT DAN TANAH LEMPUNG
Ervina Purnama Sari1*), Agus Setyo Budi1 , Esmar Budi1
1
Universitas Negeri Jakarta, Jl. Pemuda 10, Rawamangaun, Jakarta (13220)
*)Email: [email protected]
Abstrak
Membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung dengan aditif arang batok kelapa dibuat dalam beberapa komposisi
yang berbeda. Setiap sampel menggunakan 10% tanah lempung. Sedangkan zeolit yang digunakan berkisar antara 90%
hingga 70% dengan perbedaan 5% pada setiap sampel. Arang batok kelapa yang merupakan karbon aktif yang berfungsi
sebagai penyerap bau, rasa, dan warna diharapkan dapat membuat membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung
menjadi lebih fungsional untuk diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Seperti zeolit, aditif yang digunakan berupa arang
batok kelapa digunakan berkisar antara 0% hingga 20% dengan perbedaan 5%. Penambahan aditif berupa arang batok kelapa
bertujuan untuk menambah fungsi dari membran keramik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh aditif berupa
arang batok kelapa terhadap porositas, densitas, dan ukuran pori dari membran keramik berbasis zeolit dan tanah lempung.
Selain itu, untuk mengetahui komposisi terbaik dari sampel-sampel tersebut yang dapat menghasilkan ukuran pori
terbaik.Dari hasil pengujian dan pengukuran sampel dapat diketahui bahwa aditif arang batok kelapa menurunkan kekerasan
dan densitas dari sampel dan menaikan porositas dari sampel.
Abstract
Ceramic membranes based on zeolites and clays with additives of coconut shell charcoal is made in several different
compositions. Each sample uses 10% of clay. While zeolites are used in range from 90%to 70% with difference of 5% on
each sample. Coconut shell charcoal which is an activated carbon absorber serving as smell, taste and colors are expected to
make ceramic membranes based on zeolites and clays become more functional to be applied in everyday life. Such aszeolites
additives used in the form of coconut shell charcoal used in range from 0% to 20% with a difference of 5% on each sample.
The addition of additives in the form of coconut shell charcoal aims to increase the functionality of the ceramic membrane.
This study aims to determine the effect of additives in the form of coconut shell charcoal for porosity, density, and pore size
of ceramic membranes based on zeolites and clays. In addition, to determine the best composition of the samples that can
produce the best pore size. From tested and measured of the sample, can be identified that additives of coconut shell charcoal
decreased the roughness and density of the sample and increased the porosity of the sample.
Keywords: membrane, additives, composition, porosity, density.
1. Pendahuluan
Keramik didefinisikan sebagai suatu hasil seni
dan teknologi untuk menghasilkan barang dari
tanah liat yang dibakar seperti gerabah, genteng,
porselin, dan sebagainya [11]. Akan tetapi, saat ini
penggunaan keramik tidak hanya diaplikasikan
untuk benda seni. Saat ini, keramik banyak
digunakan dalam proses penyaringan air dan gas.
Keramik digunakan sebagai alat untuk menyaring
dan memisahkan partikel dalam ukuran yang lebih
kecil atau lebih besar.
Pada dasarnya, keramik terdiri dari keramik
tradisional dan keramik halus. Keramik tradisional
adalah keramik yang dibuat dengan menggunakan
bahan alam seperti, kaolin, feldspar, ball clay, dan
kuarsa. Biasanya keramik ini dijadikan barang
pecah belah, keperluan rumah tangga dan untuk
industri. Sedangkan keramik halus yang biasa
disebut dengan keramik teknik, terbuat dari bahanbahan oksida logam seperti, Al2O3, ZrO2, MgO,
dan lain-lain [11]. Keramik teknik biasa digunakan
sebagai
elemen
pemanas,
semikonduktor,
komponen turbin, dan pada bidang medis.
Selain keramik tradisional dan keramik teknik,
terdapat pula keramik berpori. Keramik berpori
merupakan keramik yang saat ini banyak
dimanfaatkan untuk keperluan filtrasi seperti,
filtrasi ion-ion logam berat, absorbsi gas pada
temperatur tinggi, reaktor kimia atau bioreactor,
serta sebagai penyaring air [11].
Teknologi membran sudah dikembangan sejak
abad ke 18 [1]. Pada saat itu membran tidak
diproduksi untuk tujuan komersil, melainkan untuk
penelitian di laboratorium sebagai bahan observasi
kimia dan fisika. Membran sudah mulai
dikembangkan untuk keperluan dunia industri sejak
50 tahun lalu [9]. Akan tetapi, membran tersebut
masih memiliki banyak kekurangan, dan 30 tahun
kemudian kekurangan tersebut mulai dapat teratasi
dan teknologi membran mulai banyak digunakan
dalam industry [1].
Membran merupakan suatu alat untuk
menyeleksi dua fasa. Membran memiliki ketebalan
dan ukuran pori yang berbeda. Membran secara
67
Seminar Nasional Fisika 2012
Jakarta, 9 Juni 2012
umum terdiri dari membran alami dan sintesis [1].
Jika dilihat dari tingkat penyaringannya, maka
membran dibedakan dalam beberapa jenis, yaitu
mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse
osmosis [9].
Membran diklasifikasikan kedalam beberapa
jenis berdasarkan ukuran partikel yang dapat
dipisahkan. Jenis-jenis membran tersebut adalah
sebagai berikut:
a. Makrofiltrasi
b. Mikrofiltrasi
c. Nanofiltrasi, dan
d. Osmosis Balik (Reverse Osmosis)
Ukuran partikel yang dapat dihilangkan dengan
proses mikrofiltrasi berkisar antara 0,05 hingga 1
μm [9]. Proses pemisahan partikel-partikel yang
berukuran 0.01-0.1 μm dari fasa cair ke fasa cair
pula dengan gaya penggerak berupa tekanan
hidrostatis yang lebih besar dari proses
mikrofiltrasi[7]. Pada memnbran nanofiltrasi,
proses pemisahan sama dengan ultrafiltrasi, tetapi
untuk partikel-partikel yang berukuran 0.0010.01μm [1]. Merupakan proses pemisahan partikelpartikel dengan berat molekul relatif rendah dan
berukuran kurang dari 0,001 μm [3].
Zeolit merupakan bahan mineral yang terdiri
dari beberapa jenis unsur, yaitu aluminium, silikon,
dan oksigen. Zeolit pertama kali ditemukan pada
tahun 1755 oleh mineralogist asal Swedia, Baron
Alex dan Frederick Cronsted [8]. Mineral zeolit
secara umum merupakan senyawa alumino silikat
hidrat. Rumus empirik dari zeolit adalah sebagai
berikut [4]:
M2/nO. Al2O3. x SiO2. y H2O
Dimana:
M
= Kation alkali atau alkali tanah
n
= Valensi logam alkali
x
= Bilangan tertentu (2 s/d 10)
y
= Bilangan tertentu (2 s/d 7)
Karakteristik penting dari zeolit menjadikan
mineral ini cukup banyak digunakan. Karakteristik
tersebut antara lain adalah sebagai berikut [1]:
a. Sebagai penyeleksi dalam pertukaran ion.
b. Pori zeolit dapat menyimpan beberapa
molekul serta dapat menyeleksi ukuran
molekul tertentu.
c. Sebagai katalis solid yang bersifat asam.
d. Zeolit merupakan zat yang metastabil
dalam keadaan tertentu (pH dan
temperatur).
sehingga dapat menyaring dan memisahkan zat
dengan perbedaan besar molekul [8].
Material yang sering digunakan dalam pembuatan
keramik adalah clay, partikel halusnya yang berupa
aluminium silikat hidrat bersifat plastis ketika
dicampur dengan air [13]. Tanah lempung atau clay
merupakan mineral yang terbentuk dari batuan
sedimen yang tersusun atas kelompok alumina
silikat seperti Al, Fe, Mg, dan Si [11]. Clay
menjadi keras dan kaku dalam keadaan kering, dan
bersifat plastis dan lengket ketika terkena air, serta
bersifat vitreus bila dibakar pada temperatur yang
tinggi.
Lempung terdiri dari beberapa jenis, yaitu ball
clay, fire clay, kaolin, dan brick clay. Ball clay
umumnya digunakan dalam pembuatan keramik
putih karena memiliki plastisitas yang tinggi. Fire
clay biasa digunakan dalam pembuatan refraktori
dan batu tahan panas. Bahan ini memiliki
kandungan mineral kaolinit dan sedikit kuarsa
(silika). Selain itu, bahan ini bersifat lunak dan
tahan terhadap suhu tinggi di atas 1500oC [11].
Karbon aktif memiliki luas permukaan yang
berkisar antara 300 hingga 2000 m2/gram dan ini
berhubungan dengan struktur pori internal yang
menyebabkan karbon aktif memiliki sifat sebagai
absorben [10].
Karbon aktif dapat mengabsorbsi gas dan
senyawa kimia tertentu. Besar absorbsi yang
dilakukan karbon aktif bergantung pada besar atau
volume pori-pori dan luas permuakaan. Daya serap
karbon aktif sangat besar, yaitu 25 hingga 1000%
berat karbon aktif [10].
Karbon aktif dapat dibuat menggunakan bahanbahan organik. Bahan baku yang umum digunakan
untuk membuat karbon aktif berasal dari senyawasenyawa organik seperti tempurung kelapa, sekam
padi, tongkol jagung, serbuk gergaji, dan lain-lain.
Selain itu, juga terdapat bahan baku yang berasal
dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah atau
mineral yang diberikan perlakuan khusus untuk
menghasilkan karbon aktif.
Dalam penelitian ini, arang batok kelapa
digunakan sebagai karbon aktif yang berguna untuk
penyerapan warna dan bau dari air yang digunakan
sebagai sampel. Karbon aktif yang berasal dari
arang batok kelapa ini berasal dari Laboratorium
Fisika Material, Universitas Negeri Jakarta. Batok
kelapa ini melalui proses pembakaran dalam waktu
tertentu yang menghasilkan karbon.
Struktur zeolit yang berpori, membuat mineral
ini sering digunakan sebagai alat untuk
memisahkan suatu zat dari zat lain yang
molekulnya lebih kecil atau lebih besar. Dalam
penggunaannya sebagai pemisah, zeolit banyak
disentesa untuk kemudian dimodifikasi strukturnya
2. Metode Penelitian
Membran memiliki porositas. Porositas
merupakan banyaknya ruang kosong antar bulir
68
Seminar Nasional Fisika 2012
Jakarta, 9 Juni 2012
pada struktur mikro material. Porositas dirumuskan
sebagai,
(2)
dimana:
mb
mk
Vsampel
ρ
= massa basah (gr)
= massa kering (gr)
= volume sampel (cm3)
= massa jenis (gr/cm3)
Densitas adalah pengukuran massa per satuan
volume. Semakin tinggi densitas (massa jenis),
maka semakin besar pula massa setiap
volumenya[11]. Kerapatan atau densitas membran
dirumuskan sebagai berikut:
Gambar 1. Densitas menurun seiring dengan banyaknya
kandungan aditif yang terdapat dalam sampel.
Dalam tabel dan grafik tersebut dapat diketahui
bahwa setiap 5% penambahan aditif dalam sampel
akam membuat densitas sampel menjadi lebih
kecil. Sehingga dapat dikatakan penambahan aditif
mempengaruhi densitas dari membran keramik
berbasis zeolit dan tanah lempung.
Sedangkan porositas dari sampel tersebut
dirangkum dalam tabel berikut ini:
(3)
dengan
ρ = massa jenis objek (gr/cm3)
m = massa total objek (gr)
V = volume total objek (cm3)
Pada penelitian ini, akan dilakukan karakterisasi
sampel menggunakan SEM, yang bertujuan untuk
mengetahui ukuran pori dari setiap sampel. Selain
itu, untuk mengetahui pengaruh aditif yang
ditambahkan, yaitu arang batok kelapa terhadap
ukuran pori yang terdapat pada sampel yang dibuat.
Tabel 2. Porositas sampel.
Sampel
1
2
3
4
5
3. Hasil dan Pembahasan
Dari pengukuran dan pengujian sampel-sampel
tersebut, didapatkan hasil sebagai berikut:
Porositas (%)
30.8
43.4
46.9
52.9
61.5
Di bawah ini, disajikan pula data hasil
penelitian dalam bentuk grafik.
Tabel 1. Densitas sampel.
Sampel
1
2
3
4
5
Densitas (gr/cm3)
1.37
1.34
1.14
1.11
1.04
Data hasil pengujian di atas dibuat juga dalam
bentuk grafik seperti berikut ini.
Gambar 2. Porositas bertambah besar seiring dengan
banyaknya kandungan aditif apad sampel.
Porositas dari sampel pertama hingga kelima
mengalami kenaikan sesuai dengan banyaknya
69
Seminar Nasional Fisika 2012
Jakarta, 9 Juni 2012
aditif yang terkandung dalam sampel tersebut.
Penelitian yang pernah dilakukan [6, 11, 12]
dengan menggunakan aditif semakin banyak akam
menambah porositas membran keramik.
Setiap sampel yang telah diuji menggunakan
SEM diketahui memiliki ukuran pori sebagai
berikut:
(a)
(b)
(c)
Gambar 3. Grafik perbandingan ukuran pori
berdasarkan kandungan jumlah zeolit dan aditif arang
batok kelapa.
(d)
Dari hasil pengukuran pori menggunakan SEM
dapat diketahui bahwa sampel yang memiliki
ukuran pori terbesar adalah sampel dengan
kandungan zeolit 80% dan aditif sebesar 10%.Akan
tetapi, banyaknya ukuran pori yang dihasilkan
bergantung pada banyaknya aditif yang terkandung
dalam sampel. Semakin banyak aditif yang terdapat
pada sampel semakin banyak pori yang dihasilkan.
Berikut ini gambar dari pori sampel berdasarkan
aditifnya.
(e)
Gambar 4. Hasil SEM untuk membran berdasarkan
kandungan zeolit dan aditifnya. (a) 90% zeolit dan 0%
aditif, (b) 85% zeolit dan 5% aditif, (c) 80% zeolit dan
10% aditif, (d) 75% zeolit dan 15% aditif, dan (e) 70%
zeolit dan 20%.
70
Seminar Nasional Fisika 2012
Jakarta, 9 Juni 2012
4. Kesimpulan
[4].
Fitriadi, Hendrik. 2001. Pengaruh Variasi
Temperatur Sinter Terhadap Porositas dan
Kekerasan Membran Zeolit. Jurusan metalurgi.
Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok.
Jawa Barat.
[5].
Hanum, Faridah. 2009. Tesis Pengolahan Limbah
Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling
Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi.
Program Pascasarjana Teknik Kimia. Universitas
Sumatera Utara.
[6].
Karlinawati, Emi. 2009. Studi Analisis Simulasi
Tentang Korelasi Penambahan Aditif Cangkang
Kelapa Terhadap Sifat Fisis Keramik Berpori.
Sekolah Paska Sarjana. USU. Medan.
[7].
Masulili, Abinoor Chairina. 2001. Pengaruh
Ukuran Partikel Terhadap Porositas, Densitas,
dan Kekerasan Zeolit Sebagai Materi Membran
Keramik. Jurusan Metalurgi. Fakultas Teknik
Universitas Indonesia. Depok. Jawa Barat.
[8].
Rahmatullah, Dwi Karsa Agung dkk. 2007.
Pembuatan Absorben Dari Zeolit Alam Dengan
Karakteristik Adsorption Properties Untuk
Kemurnian Bioetanol. Program Studi Teknik
Fisika. Fakultas Teknik Industri. Institut
Teknologi Bandung.
[9].
Said, Nusa Idaman. 2009. Uji Pengolahan Air
Siap Minum Dengan Proses Biofiltrasi,
Ultrafiltrasi, dan Reverse Osmosis (RO) Dengan
Air Baku Sungai. Pusat Teknologi Lingkungan.
BPPT. Jakarta.
[10]. Salamah, Siti. 2008. Pembuatan Karbon Aktif
Dari Kulit Buah Mahoni Dengan Perlakuan
Perendaman Pada Larutan KOH. Program Studi
Teknik Kimia. Universitas Ahmad Dahlan.
[11]. Sihite, Debora Rospita. 2008. Pembuatan Dan
Karekterisasi Bahan Keramik Berpori Dengan
Aditif Sekam Padi Yang Digunakan Sebagai
Filter Gas Buang. Sekolah Pasca Sarjana. USU.
Medan.
[12]. Tambunan, Tiar Delimawati. 2008. Tesis
Pembuatan Keramik Berpori Sebagai Filter Gas
Buang dengan Aditif Karbon Aktif. Program
Pascasarjana Fisika. Universitas Sumatera Utara.
[13]. Avner, Sidney H. 1964. Introduction to Physical
Metallurgy, 2nd Ed. Jepang: Mc. Graw Hill,
p.612-620.
[14]. W. D. Kingery, HK. Bowen, DR. Uhlman. 1976.
Introduction to ceramics, 2nd Ed. United States of
America:
John
Wiley
and
Sons.
Dari
hasil
penelitian
tersebut
dapat
disimpulakan bahwa penambahan aditif berupa
arang batok kelapa dapat menurunkan densitas dari
membran keramik. Akan tetapi, penambahan aditif
berupa arang batok kelapa juga memperbesar
porositas membran keramik berbasis zeolit dan
tanah lempung (clay). Dari hasil SEM dapat
diketahui ukuran pori terbesar dimiliki oleh sampel
yang memiliki kandungan 80% zeolit dan 10%
aditif. Sedangkan untuk banyaknya jumlah pori
yang dihasilkan tergantung pada banyaknya
kandungan aditif yang terdapat pada sampel.
Semakin banyak aditif yang terdapat pada sampel,
semakin banyak pori yang dihasilkan.
Ucapan Terima Kasih
Terimakasih kepada Dr. Agus Setyo Budi, M.Sc
dan Dr. Esmar Budi, M.Si selaku pembimbing
penelitian ini. Saya ucapkan terima kasih kepada
Bapak Riza W yang membantu saya dalam
pengujian bahan dan sampel. Selain itu, saya
mengucapkan terima kasih kepada Bapak Reno dan
Ibu Puji Lestari yang selalu memotivasi saya dalam
menjalankan penelitian ini. Terima kasih saya
sampaikan kepada semua pihak yang telah
membantu saya secara moral maupun materiil.
Daftar Acuan
[1].
[2].
[3].
Akbary, Fauzan. 2009. Membran Zeolit Katalitik
Untuk Pembentukan Syngas. Program Studi
Teknik Material. Institut Teknologi Bandung.
Al, Heru Pratomo. 2003. Pembuatan dan
Karakteristik Membran Komposit Polisulfon
Selulosa Asetat Untuk Proses Ultrafiltrasi.
Jurusan Pendidikan Kimia. FMIPA. UNY.
Ardiansya, Deniro. 2003. Pengaruh Kandungan
Feldspar Terhadap Kekerasan, Porositas, dan
Densitas Support Membran Keramik Berbasis
Silika. Jurusan Metalurgi. Fakultas Teknik
Universitas Indonesia. Depok. Jawa Barat.
71