Kecepatan Korosi Oleh 3 Bahan Oksidan Pada Plat Besi

Transkripsi

1 Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : Kecepatan Korosi Oleh 3 Bahan Oksidan Pada Plat Besi Zul Bahrum Caniago Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Bengkulu, Indonesia Diterima 25 Juni 2006: disetujui 1 Juli 2006 Abstrak - Telah dilakukan penelitian untuk menentukan kecepatan korosi yang disebabkan oleh tiga bahan oksidan yaitu air, asam dan garam terhadap logam (plat besi). Waktu pengamatan dilakukan secara berselang, yakni t = 0, 5,10, 15, 20 dan 25 hari. Dengan menggunakan sinar Gamma (γ) yang dihasilkan dari sumber Cobalt (Co-60) yang diradiasikan pada plat logam, kemudian radiasi sinar γ dideteksi oleh tabung Geiger Muller. Intensitas cacahan menunjukkan daya tembus sinar γ semakin tinggi pada logam yang teroksidasi dengan waktu yang lebih lama. Hal ini memberi arti terjadi kerenggangan molekul besi, kerenggangan tersebut akibat proses oksidasi (korosi). Hasil penelitian menunjukkan bahwa daya serap sinar γ dalam material merupakan fungsi eksponensial terhadap waktu. Kecepatan korosi yang didapatkan adalah untuk asam sulfat = db/hari, garam = db/hari, dan air = db/hari. Kata Kunci: Korosi; Oksidan; Sinar γ 1. Pendahuluan Secara teoritis ilmu tentang nuklir, relatif tidak mengalami perkembangan seperti ilmu pengetahuan yang lain, karena masih banyak fenomena nuklir yang belum dapat dijelaskan secara tuntas. Namun dari segi pemanfaatan, teknologi nuklir telah banyak dimanfaatkan dalam berbagai bidang, misalnya kedokteran, bidang rekayasa dan konstruksi, material. Pada bidang konstruksi bangunan, teknologi nuklir dimanfatkan misalnya, untuk memantau keretakan pada bangunan dan kecepatan korosi pada logam. Korosi atau oksidasi dapat menyebabkan turunnya kualitas dan kekuatan dari suatu bahan. Untuk menghindari kerugian yang lebih besar, perlu tindakan preventif dengan cara mengawasi proses korosi secara dini. Pengawasan korosi dapat digunakan radiasi sinar γ, yakni dengan menyinari bahan yang mengalami korosi dengan Sinar γ, kemudian akan dapat diketahui tingkat atau kelajuan proses korosi pada bahan yang diawasi tersebut untuk selanjutnya dapat diprediksi tingkat kerusakan [4]. Logam adalah bahan yang banyak digunakan untuk berbagai keperluan. Dalam udara terbuka logam mudah teroksidasi yang menimbulkan korosi/ karat, sehingga dapat menurunkan kualitas dan kekuatannya. Kecepatan korosi pada suatu bahan, dipengaruhi oleh kelembaban udara dan kadar garam atau asam, sehingga daerah pinggir pantai memiliki peluang yang sangat besar terjadinya korosi. Korosi terjadi dimulai dari permukaan logam yang terbuka dan menyebar ke bagian lain sesuai dengan fungsi waktu. Bagian yang terkena korosi mengalami perubahan susunan molekul karena terjadinya ikatan kimiawi antara atom logam dengan oksigen. Sinar γ dengan sifat gelombang elektromagnetik dan memiliki daya tembus kuat, dapat digunakan untuk mendeteksi tingkat korosi yang terjadi pada logam, yakni dengan teknik penyinaran pada bagian yang terkena korosi. Pada bagian logam yang terkena korosi akan terjadi perubahan kerapatan logam, sehingga terjadi perubahan daya serap antara yang terkena korosi dengan yang tidak terkena korosi. Perbedaan daya serap sinar γ pada bahan yang terkena korosi ini akan memberikan informasi tingkat korosi yang terjadi pada logam [5]. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kecepatan tingkat korosi dari suatu bahan yang disebabkan oleh 3(tiga ) jenis bahan oksidan (garam, udara, asam). Penelitian ini dimaksudkan untuk memberikan

2 Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : kontribusi kepada Iptek dalam salah satu pemanfaatan teknologi nuklir. Sedangkan manfaat, dapat ditunjukan manfaat sinar γ untuk mengukur tingkat korosi logam secara dini untuk diambil tindakan yang diperlukan untuk mengatasi kerugian yang lebih besar pada suatu sistem kontuksi besi Sifat Fisika Sinar γ. Sinar γ adalah radiasi elektomagnetik dengan daya tembus tinggi dengan panjang gelombang cm. Sinar γ dipancarkan dari inti atom yang tidak stabil (radioaktif) atau pada inti dalam keadaan tereksitasi (excited state), kemudian sinar γ terpancar ke keadaan dasar dengan jalan memancarkan radiasi elektromagnetik yang disebut sebagai Sinar γ. Dengan kata lain, jika suatu inti berada dalam keadaan tereksitasi namun karena ketakstabilan dari keadaan tereksitasi, inti tersebut akan berpinduh ke keadaan stabil, inti tersebut akan memancarkan sinar γ. Sinar γ sama seperti radiasi sinar elektromagnetik lainnya biasa dipandang sebagai paket-paket energi yang disebut foton (γ). Massa dan muatan suatu inti yang memancarkan sinar γ tidak berubah. Sinar γ ini memiliki energi yang sama dengan selisih antara tingkat-tingkat energi tersebut. Sebagai contoh tinjau peluruhan 60 Co 27 menjadi 60 Ni 28 melalui emisi partikel beta Co 27 Ni28 + β + 0 Dimana 0 (neutrino) adalah zarah elementer yang mempunyai massa hampir sama dengan nol dan tidak bennuatan listrik sehingga sangat sukar dibuktikan keberadaannya. 60 Ni 28 yang dalam keadaan teruja ini mempunyai energi sebesar 2,5057 Mev. Dia akan meluruh dengan memancarkan dua sinar γ. Proses pancaran inti dari keadaan teruja ke keadaan dasar disebut proses deexitasi. Deeksitasi suatu anak luruh memiliki energi yang merupakan selisih antara tingkat teruja dan tingkat dasar Interaksi Sinar γ Dengan Materi Seperti halnya atom, maka sebuah inti dapat berada dalam kedaan ikat yang energinya lebih tinggi daripada keadaan dasar. Jika inti yang tereksitasi ini kembali ke keadaan dasar, maka inti tersebut akan memancarkan sinar γ. Sinar γ ini memiliki energi yang bersesuaian dengan perbedaan energi antara berbagai keadaan awal dan keadaan akhir dalam transisi yang bersangkutan. Dengan kata lain sinar γ ini memiliki energi yang sama dengan selisih antara tingkat-tingkat energi tersebut. Sinar γ merupakan sinar elektromagnetik, tidak bermassa dan tidak bermuatan. Kondisi inilah yang menyebabkan sinar γ memiliki daya tembus material yang cukup tinggi atau memiliki daya ionisasi yang kecil Penyerapan Sinar γ [1] Tiga cara utama Sinar-X atau Sinar γ dapat kehilangan energinya ketika melewati materi, yaitu Efek fotolistrik, Hamburan compton, dan Produksi pasangan. Efek Fotolistrik [1]- Yaitu gejala terlepasnya electron logam akibat logam tersebut dijatuhi radiasi elektromagnetik. Elektron dapat terlepas dari logam karena ia menyerap energi dari radiasi tersebut. Besamya energi kinetik elektron yang terlepas E = hf k hf o E k = hf W Dimana W sering disebut fungsi kerja atau energi ambang. Gambar 1. Skema pancaran γ dari peluruhan [1][3] Hamburan Compton [1] - Gejala Compton adalah gejala dimana sinar-x atau sinar γ yang menumbuk electron dihamburkan dengan panjang gelombang yang lebih besar. Menurut teori kuantum cahaya, foton berlaku sebagai partikel, hanya proton tidak memiliki massa diam. Foton sinar γ menumbuk electron yang mula-mula diam terhadap sistem koordinat dan

3 163 Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : kemudian mengalami hamburan dari arahnya semula, sedangkan elektronnya menerima impulse dan mulai bergerak. Dalam tumbukan ini foton dapat dipandang sebagai partikel yang kehilangan sejumlah energi kinetik K yang diterima oleh electron, walaupun sebenamya kita mengamati dua foton yang berbeda. Jika foton semula mempunyai frekuensi δ, maka foton terhambur mempunyai frekuensi yang lebih rendah δ' sehingga terjadi kehilangan energi sebesar K = hδ hδ ' Produksi Pasangan [1] - Ketika foton melewati dekat inti dimungkinkan terjadinya electron dan positron (elektron bermuatan positif), dimana jumlahan keduanya menghasilkan muatan yaitu nol. Dalam semua kasus baik efek fotolistrik, efek Compton dan produksi pasangan energi foton ditransfer pada electron yang diikuti dengan kehilangan energi terutama disebabkan oleh proses oksidasi atau ionisasi. Pada energi foton rendah efek fotolistrik merupakan mekanisme utama dari. kehilangan energi. Pentingnya efek fotolistrik dengan bertambahnya energi diganti dengan hamburan Compton, lebih besar nomor atomic penyerapannya lebih tinggi pula energi ketika efek fotolistrik memegang peranan penting. Dalam unsur ringan hamburan Compton berperan utama pada energi foton, beberapa puluh KeV, sedangkan pada unsur berat peran utama pada energi hampir 1 MeV. Produksi pasangan peluangnya meningkat lebih besar energinya dari energi ambang 1,02 MeV, lebih besar nomor atomik penyerapannya. Intensitas I dari berkas sinar γ dari laju transpor energi per satuan luas penampang dari berkas itu. Energi fraksional yang hilang dari berkas ketika melalui penyerapan setebal dx adalah : di = µ dx I Konstanta pembanding µ disebut koefisien Alennasi linier dan harganya bergantung dari energi foton dan sifat material penyerap. Integrasi persamaan itu adalah µ x I = I 0e Jadi Intensitas radiasi menurun secara eksponensial terhadap tebal penyerap. Hubungan antara tebal penyerap x dengan rasio Io/I adalah I ln = I 0 x µ 1.4. Proses pengkorosian pada plat Besi Pada proses pengkorosian besi, penyebab utamanya adalah terjadi reduksi oksigen pada molekul asam oleh molekul logam. Mekanisme korosi lebih lanjut dapat dijelaskan sebagai berikut : Pada permukaan logam yang bersentuhan langsung dengan oksidan dapat dipandang sebagai anoda, pada bagian ini terjadi reaksi: Fe( s) 2 Fe( + aq ) + 2e Elektron yang dihasilkan melakukan pertukaran dengan oksigen, atau mengalami reduksi : + O2( g) + 4H( aq ) + 4e 2H2O( l) Dari proses reaksi di atas, ion H + berperan sebagai pereduksi oksigen. Makin besar kosentrasi H + (makin asam) reaksi berlangsung semakin cepat. Sebaliknya makin kecil kosentrasi ion H + (makin basa) reaksi berlangsung semakin lambat. Besi tidak terkorosi pada ph > 9. Ion Fe 2+ yang terbentuk pada anoda mengalami oksidasi berlanjut membentuk Fe 3+ yang selanjutnya membentuk senyawa oksidasi terhidrasi, Fe x H 2 O, yang disebut sebagai korosi besi. 2+ 4Fe ( aq) + O2( g) + 4H2O() l + 2Fe 2O3x H2O( s) + 8H( aq) Katoda adalah bagian yang mendapat banyak suplai oksigen, sehingga korosi terjadi pada bagian ini. Pada proses pengkorosian besi bisa dilakukan secara alamiah atau secara buatan. Secara alamiah, bila oksigen yang terdapat dalam udara dapat bersentuhan dengan permukaan logam besi yang lembab, kemungkinan terjadinya korosi lebih besar. Korosi terutama terjadi pada bagian sel yang kekurangan oksigen. Gejala ini dapat dijelaskan berdasarkan reaksi-reaksi pada permukaan katoda yang memerlukan elektron. Reaksi katoda hanya dapat terjadi bila ada oksigen, dapat dilihat, seperti dibawah ini: 2( H O) + O + 4e 4( OH) 2 2 (Pembentukan Hidroksil) Disamping itu dari reaksi katoda ini memerlukan elektron dan logam daerah disekitarnya yang kurang oksigen harus menyerahkan elektron-elektronya. Jadi dapat dsimpulkan bahwa daerah yang kurang oksigennya menjadi anoda. Set oksidasi akan mempercepat korosi didaerah dimana konsentrasi

4 Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : oksigen lebih rendah. Besi mempunyai potensial elektroda φ sebesar -0,44 volt. Agar terjadi rekasi anoda: 3 + ( OH) Fe Fe + 3e (Reaksi anoda) Hal ini disebabkan karena Fe harus melepaskan ketiga elektronnya agar berlangsung reaksi katoda sehingga terjadi ion Fe 3+. Bila kita lakukan reaksi: 6H 0 + 3O + 2e 12( OH) (Reaksi katoda) 2 2 Sehingga akan terjadi kesetaraan reaksi sebagai berikut: 3+ 4Fe + 6H20 + 3O2 + 12e 4Fe + 12( OH) + 12e 4Fe + 6H O 2 4Fe( OH) 3 Bila reaksi terjadi dalam aair yang diperkaya dengan oksigen akan didapat hasil korosi yang tidak larut dalam air dan akan mengendap yang selanjutnya disebut karat. 2. Metode Penelitian sesudah melewati sampel (I) kemudian mengihtung daya serapnya masing-masing. Untuk menentukan daya serap (A) adalah I A = log (1) I I adalah Intensitas sinar γ setelah melewati bahan (cacah/menit) dan Io adalah Intensitas sinar γ sebelum bahan terkorosi (cacah/menit) Kecepatan korosi adalah: d I v = log dt I 0 3. Hasil Dan Pembahasan 0 (2) Hasil pengukuran rata-rata intensitas sinar γ yang melewati plat besi pada berbagai medium korosi dengan 3 jenis oksidan ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Intensitas sinar γ yang melewati plat Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Fisika Eksperimen Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Dalam penelitian ini digunakan metode eksperimen, bahan yang digunakan adalah plat besi. Plat besi tersebut dipotong dengan ukuran yang sama. Kemudian dikorosikan pada media korosi (oksidan) yaitu air (H 2 O), asam sulfat (H 2 S0 4 ), dan air garam (NaCl). Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah perangkat alat pendeteksi Tabung Geiger Muller, Sumber radiasi sinar γ (Co-60), dan Digit Counter. Lempengan besi dengan ukuran (2x3 cm, ketebalan 3 mm) diletakkan diatas gelas yang berisi media yang berbeda-beda disusun dalam sebuah kotak kayu yang terlebih dahulu dibasahi dengan oksidan. Sebagai sampel pengontrol adalah logam yang bebas korosi, yang diukur intsnsitas sinar γ sebelum dan sesudah melewati sampel dan dihitung daya serap sinar γ pada plat besi tersebut dinyatakan sebagai data Ao. Sedangkan sampel uji, digunakan plat besi yang telah mengalami korosi dengan waktu pengoksidasian yang berbeda, yaitu: ± 5 hari, 10 hari, 15 hari, 20 hari, dan 25 hari. Data yang diambil sama dengan data pada sampel kontrol yaitu intensitas sinar γ sebelum (I o ) dan Hasil penelitian menunjukkan bahwa korosi terbesar terjadi pada plat besi dengan oksidan asam sulfat (H 2 SO 4 ) dan terkecil terjadi dengan oksidan air(h 2 O) Dari tabel 1, untuk oksidan H 2 O, nilai rata-rata intensitas meningkat dari 278,8 (waktu korosi 5 hari) menjadi 293,9 (waktu korosi 25 hari). Sedangkan oksidan dengan larutan NaCl, nilai rata-rata intensitasnya meningkat dari 281,1 (waktu korosi 5 hari) menjadi 295,1 (waktu korosi 25 hari). Demikian untuk oksidan H2S04, peningkatan nilai rata-rata intensitas dimulai dari 286,8 (waktu korosi 5 hari) dan berakhir (wakt korosi 25 hari). Peningkatan instensitas sinar γ yang menembus pada bahan bersesuaian dengan semakin lamanya waktu oksidasi, dengan demikian oksidasi meyebabkan kerenggangan molekul besi sehingga sinar γ berpeluang lolos. Perbandingan karakteristik bahan (hubungan Intensitas dengan lama korosi) yang mengalami korosi dengan 3

5 165 Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : jenis oksidan dapat dilihat pada gambar 2 berikut : Dari kurva yang diperlihatkan pada gambar 3, maka diperoleh linearisasi daya serap sebagai berikut : H 2 O = t NaCl = t H 2 SO 4 = t Dengan menggunakan persamaan (2) maka diperoleh kecepatan korosi v sebagai berikut : Asam sulfat = db/hari Garam = db/hari Air = db/hari Gambar 2. Karakteristik bahan yang mengalami korosi 4. Kesimpulan Dari gambar 1 terlihat bahwa semakin lama besi terkorosi maka intensitas sinar γ yang melewati plat besi mengalami kenaikan. Dampaknya adalah intensitas sinar γ yang diserap oleh plat besi mengalami penurunan yang bersesuaian dengan lama proses korosi yang dialami. Semakin tinggi intensitas sinar γ yang melewati plat besi, maka semakin kecil intensitas yang diserap oleh plat besi. Hasil penyerapan intensitas sinar γ (A) oleh plat besi di tunjukan pada tabel 2. Dan grafik daya serap dilihatkan oleh gambar 3. Tabel 2. Daya Serap Besi mengalami korosi terbesar (kecepatan tingkat korosinya paling besar) berturut-turut dengan oksidan H 2 S0 4 kecepatan korosi rata-rata 0,00198 db/hari, NaCI kecepatan korosi rata-ratanya 0,00165 db/hari dan HzO kecepatan kurosi rata-ratanya 0,00157 db/hari. Intensitas sinar γ paling banyak melewati plat besi dengan oksidan H 2 S0 4 dengan interval 286,8 sampai 300,7. Plat besi yang mengalami korosi mudah ditembus oleh sinar γ dengan arti lain daya serap rendah. Plat besi yang tingkat korosinya kecil mampu menyerap intensitas sinar γ dengan cepat Penentuan kualitas material logam dapat dilakukan dengan menembakkan sinar γ pada logam itu, bila intensitas sinar γ banyak melewati logam (sedikit yang diserap oleh logam) maka dapat diartikan kualitas logam relatif rendah. Maka disarankan untuk menguji kualitas material bangunan dapat memanfaatkan sinar γ yang ditembakan pada material tersebut. Daftar Pustaka Gambar 3. Daya serap [1] Arthur Beiser The Houw Liong, Concepts Of Modern Physics, 1981, MC Graw-Hill, INC. [2] Kenneth S. Krane, Modern Physics, 1992, Department Of Physics, Oregon State University. [3] Kenneth S. Krane, Introductory Nuclear Physics, 1988, Oregen State University.

6 Zul Bahrum Caniago, Jurnal Gradien Vol. 2 No.2 Juli 2006 : [4] Lawrenceh. Van Vlack, Elements Of Materials Science and engineering, 1985, University Of Michigan, USA. [5] M. Ridwan, M.Sc, Ph. D, dkk, Pengantar Ilmu Pengetahuan dan teknologi nuklir, 1978, Jakarta.