Kajian Sifat Listrik Membran Polisulfon yang

7
jam dan disonikasi selama 2 jam agar
membran yang dihasilkan homogen.
Langkah
selanjutnya,
membran
dituangkan ke permukaan kaca yang kedua
sisi kanan dan kiri telah diisolasi. Selanjutnya
membran direndam pada larutan aquades agar
menghasilkan membran. Membran polisulfon
yang dihasilkan ada 6 sampel dan satu sampel
dijadikan sebagai kontrol, yang dilakukan
dengan memvariasikan konsentrasi TiO2
sebanyak 5 konsentrasi berbeda yaitu 0, 0.5,
1, 3, 5, dan 7 %.
3. Perancangan sistem
Pengukuran
karakterisasi
I-V
menggunakan alat I-V meter, sedangkan
pengukuran kapasitansi, loss coefficient,
konduktansi, impedansi, sudut fase (θ)
menggunakan LCR Hi-Tester Hioki 5322-50
yang diangkai dengan plat kapasitor.
Rangkaian sistem pengukuran ini ditunjukkan
pada Gambar 7.
Eksperimen
Membran yang diukur adalah membran
polisulfon menggunakan sampel yang sudah
dibuat oleh rekan peneliti. Membran dipotong
berukuran (12 x 4) cm.
Pengambilan data
1. Karakterisasi arus - tegangan membran
polisulfon.
Pengukuran karakterisasi arus tegangan peralatan yang digunakan yaitu
menggunakan sepasang plat kapasitor yang
mengapit membran polisulfon. Pengujian
karakterisasi I-V menggunakan I-V meter,
software Keithley 2400, komputer.
Pengukurannya dilakukan dengan
memasukkan nilai tegangan awal, tegangan
akhir (-5 volt hingga 5 volt) dan banyaknya
data 50, dengan sweep delay sebesar 100. Dari
proses ini, secara otomatis akan didapat hasil
pengukuran karakterisasi arus - tegangan.
2.
Karakterisasi sifat listrik membran
polisulfon.
Sifat listrik membran yang akan diukur
meliputi kapasitansi (Cs), impedansi (Z),
konduktansi (G), loss coefficient (D), dan
sudut fase (θ). Membran tersebut diletakan
diantara dua buah plat elektroda yang terbuat
dari logam Cu. Kedua elektroda diberikan
sumber tegangan tetap (Cv) sebesar 1 V
dengan delay 9,00 s. Pada tahapan
selanjutnya, dilakukan pengaturan parameter
yang diukur pada layar LCR meter.
membran
Gambar 7. Skema sistem pengukuran sifat listrik
dengan LCR meter.
Parameter
diukur
dengan
memvariasikan frekuensi yaitu 10 Hz, 20 Hz,
80 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 80
kHz, dan 100 kHz. Selain itu, Variabel yang
diukur berupa kapasitansi (Cs), impedansi (Z),
konduktansi (G), loss coefficient (D), dan
sudut fase (θ) yang digunakan untuk
menghitung impedansi imajiner (Zim), dan
impedansi
real
(Zreal).
Langkah
pengoperasiannya dimulai dengan cara
menekan tombol pada layar yang sesuai
dengan variabel yang akan diukur. Setelah itu
catat data ketika menampilkan data yang
ketiga agar data tersebut menunjukan nilai
yang stabil.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polisulfon merupakan polimer yang
banyak dipakai pada membran ultrafiltrasi,
yang cenderung bersifat hidrofobik, serta
memiliki kelarutan yang rendah tetapi masih
bisa larut dalam larutan polar.21 Dalam
pembuatan membran, polisulfon dicampur
dengan pelarut polimer DMAc. Campuran
DMAc
dengan
polisulfon
merupakan
pasangan yang compatible yang dapat
membuat larutan menjadi homogen.1
Dalam penelitian ini, membran yang
telah dilarutkan dengan DMAc didadah
dengan salah satu bahan yang bersifat
semikonduktor yaitu TiO2. Sifat listrik yang
telah diuji dalam penelitian ini yaitu
mengkarakterisasi arus-tegangan, kapasitansi,
loss coefficient, impedansi, konduktansi,
dengan berbagai frekuensi.
Dari hasil yang diperoleh didapatkan
grafik sifat listriknya terhadap variasi
frekuensi. Plat kapasitor yang telah digunakan
dalam karakterisasi sifat listrik yaitu
menggunakan dua buah pelat sejajar yang
dibuat dari keping PCB tembaga karena
tembaga memiliki sifat konduksi yang baik.
Kedua pelat tersebut telah disisipi membran
polisulfon yang dihubungkan ke alat
karakterisasi sifat listrik.
7
8
Karakterisasi Arus - Tegangan Membran
Polisulfon.
Hasil penelitian yang diperlihatkan
pada Gambar 8 merupakan kurva arus tegangan membran polisulfon yang didadah
TiO2 pada berbagai konsentrasi. Berdasarkan
literatur, membran polisulfon merupakan
polimer yang bersifat isolator, dan hasil
karakterisasi arus - tegangan berbentuk linear
sehingga menandakan bahwa membran
polisulfon merupakan membran netral.
Dengan kelinieran grafik, maka dapat
diterapkan hukum Ohm dan nilai konduktansi
listrik berbanding lurus dengan
gradien
arus – tegangan. Apabila semakin besar
konsentrasi TiO2, maka semakin besar arus
pada membran polisulfon, hal ini dapat
dijelaskan dengan adanya aliran ion-ion
ataupun elektron yang merupakan pembawa
aliran arus listrik.20
Berdasarkan hasil penelitian, dengan
memperlihatkan kurva tersebut ternyata
membran polisulfon dengan konsentrasi TiO2
5% ada perbedaan yang signifikan. Hal ini
menandakan
bahwa
TiO2
merupakan
nanomaterial
yang
memiliki
sifat
semikonduktor. Asumsi awal bahwa semakin
besar konsentrasi TiO2 maka semakin banyak
ion dan elektron yang bergerak melintasi
membran
sehingga
kemiringan
kurva
meningkat. Dengan demikian yang terjadi
semakin besar arus yang dihantarkan dalam
larutan untuk menembus membran polisulfon.
Namun dari hasil yang diperoleh tidak
demikian, ternyata pada polisulfon dengan
5%
menunjukkan
konsentrasi
TiO2
kemiringan kurva yang tertinggi, kemudian
kurva semakin menurun pada penambahan
14
12
10
8
30
6
4
2
0
-5
-4
-3
-2
-1-2 0
1
2
3
4
5
-4
-6
Kapasitansi Listrik Membran Polisulfon.
Berdasarkan
prinsip kerja pada
kapasitor yaitu suatu kapasitor terdiri dua
keping konduktor sejajar yang terpisah.
Ketika konduktor-konduktor dihubungkan
pada ujung-ujung sumber tegangan, sumber
tegangan akan memindahkan muatan positif
menuju konduktor yang satu dan muatan
negatif pada konduktor yang lain. Ketika
suatu dielektrik diletakkan diantara kepingkeping kapasitor, medan listrik dari kapasitor
mempolarisasikan
molekul
molekul
dielektrik.
Tegangan (volt)
Kapasitansi ( nF)
Arus (µA)
16
konsentrasi
1%,
konsentrasi
0,5%,
konsentrasi 7%, dan kurva yang terendah pada
konsentrasi 3%.
Arus yang dihasilkan pada penambahan
konsentrasi 5% berkisar sampai 15,237455
µA, dapat dikatakan membrannya memiliki
kemampuan menghantarkan listrik lebih baik
dibandingkan dengan konsentrasi 0,5%, 1%,
3%, dan 7%. Hal ini dimungkinkan oleh
adanya batasan maksimum perbandingan
polisulfon dan penambahan konsentrasi TiO2.
Pada penambahan konsentrasi TiO2 5%
memiliki arus – tegangan yang paling besar
dibandingkan dengan yang lain, kemungkinan
pada penambahan TiO2 partikel TiO2 yang
terbentuk dengan membran menjadikan pori –
porinya lebih homogen sehingga arus yang
melewati membran menjadi paling besar
dibandingan dengan penambahan konsentrasi
TiO2 yang lain.
Jika diperhatikan pada Gambar 8, pada
kurva bias maju dengan bias mundur
menghasilkan kemiringan kurva yang
berbeda. Kurva pada bias maju, arus yang
dihasilkan lebih besar dibandingkan pada bias
mundur. Ketika pada bias maju arusnya
berkisar hingga 15 µA sedangkan pada bias
mundur hanya berkisar 6 µA, hal tersebut
terjadi pada tegangan sumber 5 volt.
25
20
15
10
5
0
-8
1
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 1%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 7%
Gambar 8. Karekterisasi arus-tegangan membran
polisulfon yang didadah TiO2 pada
berbagai konsentrasi.
10
100
1000
10000
100000
frekuensi (Hz)
PSF control
PSF + TiO2 1%
PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 7%
Gambar 9. Hubungan kapasitansi membran dan
frekuensi.
8
frekuensi 20 Hz
25
20
Loss coefficient
Kapasitansi (nF)
9
15
10
5
0
0
0.5
1
3
5
7
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Konsentrasi TiO2 (%-b/b)
1
Gambar 10. Hubungan konsentrasi TiO2 dan nilai
kapasitansi membran.
100
10000
Frekuensi (Hz)
PSF control
PSF + TiO2 1%
PSf + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 7%
Berdasarkan Gambar 9 maka semakin
bertambah nilai frekuensinya, nilai kapasitansi
yang terjadi pada membran semakin menurun.
Hal ini sesuai dengan pemodelan dari
Maxwell - Wagner yang menyatakan bahwa
nilai kapasitansi semakin menurun secara
eksponensial ketika frekuensinya meningkat.
Dengan demikian, adanya bahan
dielektrik diantara plat kapasitor akan
menimbulkan
muatan-muatan
yang
memperlemah medan listrik. Akibatnya
muatan dalam kapasitor semakin berkurang
dan kemampuan kapasitor untuk menyimpan
muatan semakin kecil.22
Dengan adanya peningkatan frekuensi
akan mengakibatkan gelombang yang
ditransmisikan setiap detiknya semakin
banyak. Pada grafik, membran polisulfon
yang didadah TiO2 dengan konsentrasi 5%
memiliki nilai kapasitansi yang paling tinggi,
setelah itu kemampuan tersebut menurun dan
dilanjutkan
dengan
konsentrasi
1%,
konsentrasi
0,5%,
polisulfon
kontrol,
konsentrasi 7%, dan yang terendah pada 3%.
Selain itu, grafik tersebut menunjukan
penurunan nilai kapasitansi yang tajam pada
frekuensi dibawah 1 kHz, namun pada
frekuensi diatas 1 kHz kapasitansi mengalami
penurunan yang landai dan kecil. Hal ini
dikarenakan kemungkinan nilai kapasitansi
memiliki perubahan yang signifikan pada
rentang frekuensi tersebut.
muatan menjadi menurun. Gambar 11
menunjukan pada frekuensi dengan rentang 10
kHz - 0,1 kHz mengalami pengurangan loss
coefficient yang tajam dan pada rentang diatas
1 kHz pengurangan yang terjadi cenderung
tidak ada perubahan sehingga lebih stabil.
Pada kasus ini, loss coefficient terbesar
juga terjadi pada konsentrasi 5%, setelah itu
menurun pada konsentrasi 0,5%, konsentrasi
7%, konsentrasi 1%, konsentrasi 3%, dan loss
coefficient terendah pada membran kontrol.
Pada membran kontrol memiliki
loss
coefficient
terendah dikarenakan pada
membran ini tidak didadah dengan TiO2
sehingga kemampuan kapasitor menyimpan
muatan tidak banyak kehilangan energi.
Loss Coefficient Membran Polisulfon
Dari enam sampel yang diamati faktor
kehilangan energi terhadap peningkatan
frekuensi, loss coefficient yang dihasilkan
semakin menurun. Hal tersebut dapat
dijelaskan berdasarkan persamaan 8 yang
menerangkan hubungan antara frekuensi
terhadap loss coefficient.
Semakin meningkat frekuensi maka
semakin banyak energi yang ditransmisikan
dan dikonversi menjadi panas. Penyebab
proses tersebut, akan berdampak pada
kemampuan kapasitor untuk menyimpan
Konduktansi Listrik Membran Polisulfon
Menurut model rangkaian membran
Maxwell – Wagner, konduktansi listrik
membran sangat tergantung pada frekuensi.
Saat frekuensinya rendah maka konduktansi
membran akan memiliki nilai minimum dan
saat frekuensinya besar maka konduktansi
juga semakin meningkat.
Hal ini juga terjadi jika membran
polisulfon yang didadah TiO2 dengan
konsentrasi semakin banyak maka membran
tersebut menjadi konduktif dan memiliki daya
hantar listrik. Pada Gambar 13 dapat dilihat
Gambar 11. Loss coefficient
frekuensi.
membran dan
Loss coefficient
3.5
frekuensi 20 Hz
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
3
5
7
Konsentrasi TiO2 (b/b) %
Gambar 12. Hubungan konsentrasi TiO2 dan nilai
loss coefficient.
9
10
Konduktansi (nS)
100000
10000
1000
100
10
1
100
10000
Frekuensi (Hz)
PSF control
PSF + TiO2 1%
PSF + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 7%
Gambar 13. Hubungan konduktansi membran dan
frekuensi.
3500
frekuensi 20 Hz
Impedansi ( kΩ)
Konduktansi (nS)
10000
rentang 1 kHz mengalami penurunan secara
tajam.
Dengan
adanya
penambahan
konsentrasi TiO2 semakin banyak maka
membran
yang
sebelumnya
bersifat
nonkonduktif akan menjadi konduktif yang
mempunyai daya hantar listrik yang besar,
sehingga elektron yang mengalir akan
semakin mudah ketika melewati membran dan
impedansi yang dihasilkan semakin kecil.
Lain halnya dengan data eksperimen,
dengan penambahan konsentrasi TiO2 5%
menunjukan impedansi yang paling rendah
dan
dimungkinkan
pada
penambahan
konsentrasi 5%, berada pada rentang frekuensi
resonansi sehingga
memiliki
nilai
1000
100
10
3000
2500
2000
1500
1000
1
0
0.5
1
3
5
500
7
0
Konsentrasi TiO2 (b/b) %
1
Gambar 14. Hubungan penambahan TiO2 dan
konduktansi membran.
Impedansi Listrik Membran Polisulfon.
Impedansi merupakan hambatan total
pada rangkaian listrik arus bolak - balik.
Berdasarkan Gambar 15 Penurunan impedansi
yang paling tinggi terjadi pada konsentrasi 7%
dan menurun pada konsentrasi 3%,
konsentrasi
0,5%,
polisulfon
kontrol,
konsentrasi 1%, dan yang paling rendah pada
konsentrasi 5%, hal tersebut berdasarkan
kenaikan frekuensi. Penurunan impedansi
pada frekuensi dengan rentang diatas 1 kHz
cenderung landai dan berada di bawah
PSF control
PSF + TiO2 1%
PSF + TiO2 5%
10000
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 7%
Gambar 15. Hubungan impedansi membran dan
frekuensi.
Impedansi imajiner
0
-200 1
-400
10
100
1000
10000
-600
-800
-1000
-1200
-1400
-1600
Impedansi real
PSF control
PSF + TiO2 1%
PSf + TiO2 5%
PSF + TiO2 0.5%
PSF + TiO2 3%
PSF + TiO2 7%
Gambar 16. Model cole-cole untuk impedansi
membran polisulfon.
3000
Impedansi (kΩ)
bahwa konduktansi meningkat paling besar
terjadi pada konsentrasi 5% yang memiliki
kemampuan menghantarkan listrik paling
besar, dilanjutkan pada nilai konduktansi yang
menurun pada penambahan konsentrasi 7%,
konsentrasi 3%, konsentrasi 1%, konsentrasi
0.5%, dan yang paling rendah pada membran
kontrol.
Dari enam sampel pada Gambar 14
dengan frekuensi 20 Hz,
maka
jika
dibandingkan antara membran yang didadah
berbagai
konsentrasi
TiO2 dengan
membran kontrol, membran kontrol berada
pada nilai konduktansi yang paling rendah.
Karena pada membran ini tidak ada unsur
penambahan zat aditifnya sehingga membran
bersifat nonkonduktif.
100
frekuensi (Hz)
frekuensi 20 Hz
2500
2000
1500
1000
500
0
0 0.5 1
3
5
7
Konsentrasi TiO2 (%-b/b)
Gambar 17. Hubungan penambahan TiO2 dan
impedansi membran.
10
11
hambatan
yang
paling
kecil
dan
mengakibatkan impedansi yang dihasilkan
sangat
kecil
dibandingkan
dengan
penambahan konsentrasi yang lain. Dengan
perbedaan konsentrasi ini, dimungkinkan oleh
adanya batasan maksimum perbandingan
polisulfon dan konsentrasi TiO2.
Nilai impedansi dapat diperlihatkan
pada Gambar 16, bahwa membran tersebut
bersifat konduktif atau resistif yaitu dengan
menentukan impedansi real dan impedansi
imajiner yang disebut impedansi kompleks.
Nilai impedansi mutlak dapat diperoleh
dengan menentukan besarnya sudut fase
terhadap variasi frekuensinya.
Semakin besar frekuensinya maka
sudut fase yang dihasilkan semakin kecil dan
menghasilkan impedansi real besar serta
imajinernya semakin kecil. Perolehan hasil
eksperimen dari Gambar 16, pada konsentrasi
7% memiliki nilai impedansi kompleks yang
paling tinggi.
Dari seluruh grafik yang dihasilkan,
Pada rentang frekuensi dibawah 10 kHz, nilai
kapasitansi, loss coefficient, impedansi
menurun dengan tajam dan diatas rentang 10
kHz hasilnya cenderung stabil tidak ada
perubahan yang signifikan.
Saran
Para peneliti selanjutnya diharapkan
memperhatikan kondisi lapisan tembaga pada
plat kapasitor sudah tergores atau tidak,
karena berkaitan dengan data pengukuran.
Penelitian ini dapat dilakukan lebih lanjut
pada membran polisulfon dengan penambahan
konsentrasi TiO2 5% hingga 7%. Dalam
pembuatan membran diharapkan dilakukan
minimal 3 kali perulangan agar data yang
diperoleh lebih akurat. Pengujiannya dapat
dengan melakukan uji XRD, SEM, atau FTIR, karena pada konsentrasi 5% memiliki
sifat listrik yang spesifik.
DAFTAR PUSTAKA
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan satuan yang digunakan
bahwa untuk kapasitansi dan konduktansi
berorde nano, dan besarnya impedansi berorde
kilo ohm. Hal ini membran cenderung bersifat
resistif. Untuk karakterisasi arus - tegangan,
ketika diberikan inputan variasi tegangan
berorde volt, arus yang dihasilkan pada
membran dapat dikatakan relatif kecil karena
besarannya berorde mikro. Arus-tegangan
membran polisulfon diperlihatkan oleh grafik
cenderung bersifat ohmic.
Pada penambahan konsentrasi 5%
memiliki arus paling besar dibandingkan
dengan konsentrasi yang lain termasuk dengan
membran kontrol. Hal ini sesuai dengan nilai
konduktansi yang dihasilkan pada konsentrasi
5% dengan pengukuran menggunakan LCR
meter. Pada nilai kapasitansi membran
polisulfon dapat disimpulkan bahwa semakin
besar frekuensi maka kapasitansinya semakin
menurun. Kurva yang menunjukan penurunan
kapasitansi yang paling besar pada konsentrasi
5% dan loss coefficient yang paling besar
yaitu pada konsentrasi 5%.
Selanjutnya yaitu pada konduktansi,
kurva yang menunjukan niai konduktansi
yang paling besar juga pada konsentrasi 5%,
dan pada konsentrasi 7% menghasilkan nilai
impedansi yang paling besar dibandingkan
dengan konsentrasi yang lain.
1.
Rahayu YS. Pengaruh pelarut terhadap
berbagai
karakteristik
membran
polisulfon [tesis]. Institut Teknologi
Bandung. 2009.
2.
Prihasa Novan. Magic box sebagai
pereduksi
polutan
udara.
2009.
http://novanprihasa.files.wordpress.com/
2009/03/magic-box-sebagai-pereduksipolutan-udara.pdf. [25 November 2010].
3.
Rohman Saepul. Membran polisulfon
sintetik.
2005.
file:///I:/LITERATUR%20MEMBRAN/
Membran%20Polisulfon%20Sintetik%2
0-%20Majari%20Magazine.htm.
[10
Maret 2010].
4.
AI Pratomo Heru. Pembuatan dan
karakterisasi
membran
komposit
polisulfon selulosa asetat untuk proses
ultrafiltrasi. J Pendidikan Matematika
dan Sains 2003; Ed ke-3.
5.
Nuwair.
Kajian
impedansi
dan
kapasitansi listrik pada membran telur
ayam ras [skripsi]. Bogor: Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan
Alam, Institut Pertanian Bogor. 2009.
6.
Wijayanti DL. Sintesis dan kajian sifat
listrik membran kitosan dengan variasi
kitosan [skripsi]. Bogor: Fakultas
11