BAB II TINJAUAN PUSTAKA

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 (ZrO 2 ) dan alumina (Al 2 O 3 ). Membran ultrafiltrasi tebalnya hanya
beberapa mikrometer dan terbuat dari alumina, zirconia, titania (TiO 2 ) dan
cerium (CeO 2 ). 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. Sifatsifat 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).
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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 [AlO ] dan
4
[SiO ] yang saling berhubungan melalui atom O
4
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)
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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).
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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 (%)
86.90 – 97.30
SiO2
0.58 – 2.50
K2O
0.00 – 1.75
Na2O
CaO
0.20 – 1.50
MgO
0.12 – 1.96
0,54
Fe2O3
0.2 – 2.85
P2O5
0.1 – 1.13
SO3
Cl
0.42
Sumber: Wen-Hwei (1986) dalam Jaya (2002)
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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 SiO 2 , 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).
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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).
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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. Faktorfaktor 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.
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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. Solsol koloid merupakan larutan koloid dari zat-zat padat seperti Al 2 O 3 , SiO 2 TiO 2 ,
atau ZrO 2 . 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.
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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.
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015
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.
Pengaruh Penambahan Abu..., Nanang Surya Prayitno, Fak. Teknik UMP, 2015