PENDAHULUAN. Latar Belakang

Transkripsi

1 1 Laar Belakang PENDAHULUAN Bahan bahan alami sepei cangkang elur iik yang selama ini jarang dimanfaakan dan hanya menjadi limbah yang berpoensi mencemari lingkungan api cangkang elur iik dikeahui memiliki komponen yang cukup berguna, paling idak sebagai sumber kalsium (a) alami unuk nurisi (Schaafsma, e al. 2). angkang elur ersusun aas srukur berlapis iga, yaiu lapisan kuikula, lapisan spong dan lapisan lamellar. Dengan menggunakan cangkang elur dapa menghasilkan bahan fungsional atio 3 yang disinesis dengan meode hidroermal dan dapa dikarakerisasi srukur krisal dan dielekriknya. Dengan menggunakan bahan dasar dari limbah, maka biaya sinesis bahan fungsional seperi atio 3 berbasis cangkang elur ini akan menjadi lebih murah. Demikian juga meode yang digunakan pada peneliian ini relaif lebih sederhana sehingga secara keseluruhan mengurangi biaya sinesis bahan. angkang elur iik mengandung kalsium karbona yang diperoleh dari saluran elur (hp://en.wikipedia.org/wiki). Tingginya kandungan ao 3 menjadikan cangkang elur sebagai komodias yang berpoensi sebagai saring maerial biokompaibel biomaerial. Hydroxyapaie (HAp) yang salah sau prekursor aau komponennya berasal dari eksrak cangkang elur. Bahan hydroxyapaie (HAp) merupakan bahan biokeramik yang ada di ulang aau gigi sehingga bahan ini dapa digunakan sebagai implan unuk ulang dan gigi. Para penelii di Ohio Sae Universiy elah menemukan cara memanfaakan cangkang elur dalam proses produksi Hidrogen. angkang elur digunakan unuk menyerap karbon dioksida dari sebuah reaksi yang menghasilkan bahan bakar hidrogen. Proses ini juga menghasilkan membran yang mengandung kolagen dari bagian dalam cangkang. Hal iu menunun mereka ke cangkang elur, yang paling banyak mengandung kalsium karbona. angkang elur yang digiling bisa digunakan pada reaksi pemisahan air gas. Kalsium karbona kandungan uama elur yang menangkap 78 % dari seluruh bera karbon dioksida. Iu berari bahwa dari jumlah karbon dioksida dan cangkang elur yang sama, cangkang akan menyerap 78% karbon dioksida. Ini menjadikannya penyerap karbon dioksida paling efekif yang pernah diuji (L.S. Fan, 27). Sebelum bisa menggiling cangkang elur ersebu harus membuang membran yang mengandung kolagen yang menempel di dalamnya. Bagian iu menghasilkan asam organik yang bisa dijual. Sekiar 1 persen membran mengandung kolagen, yang laku dijual seharga sekiar US$1 per gram. Seelah dieksrak, kolagen ini dapa digunakan dalam makanan aau oba-obaan, aau unuk perawaan kesehaan. Doker menggunakan kolagen unuk membanu regenerasi kuli pada korban kebakaran dan juga digunakan dalam bedah kosmeik. Tujuan 1. Sinesis atio 3 dari cangkang elur dan TiO 2 dengan meode hidroermal 2. Mengukur nilai kapasiansi atio 3 3. Mengukur nilai dari konsana dielekrik bahan organik atio 3 4. Melakukan karakerisasi atio 3 dengan XRD dan SEM angkang Telur TINJAUAN PUSTAKA angkang elur selama ini jarang dimanfaakan dan hanya menjadi limbah yang berpoensi mencemari lingkungan. Padahal cangkang elur iik ini dikeahui memiliki komponen yang cukup berguna, paling idak sebagai sumber kalsium (a) alami unuk nurisi (Schaafsma, e al. 2). angkang elur ersusun aas srukur berlapis iga, yaiu lapisan kuikula, lapisan spong dan lapisan lamelar. Lapisan kuikula merepresenasikan permukaan erluar dan erdiri dari sejumlah proein. Lapisan spong dan lamelar membenuk mariks yang ersusun oleh sera-sera proein yang erika dengan krisal kalsium karbona (ao 3 ) aau disebu juga kalsi dengan perbandingan 1:5. angkang elur memiliki bobo sebesar 11% dari bobo oal seluruh elur. Komposisi uama dalam cangkang ini adalah kalsium karbona (ao 3 ) sebesar 94% dari oal bobo keseluruhan cangkang, kalsium fosfa (1%), bahan-bahan organik (4%) dan magnesium karbona (1%). Kandungan kalsium dari cangkang elur iik dapa digunakan sebagai sumber yang efekif unuk meabolisme ulang (Sasikumar dan Vijayaraghavan, 26).

2 2 Pemanfaaan limbah cangkang elur sebagai energizer alernaif pada proses karburisasi pada. Selain iu, dikaji pula penggunaan energizer alernaif ini pada arang yang elah diakifkan dan arang yang belum diakifkan. Meode peneliiannya dimulai dengan penghalusan arang (sumber karbon) dan energizer (cangkang elur), kemudian mencampurkannya dalam berbagai komposisi arang-energizer, dengan ujuan mengeahui komposisi paling efekif. Kalsium karbona sebagai kandungan uama di dalam cangkang elur dapa diransformasikan menjadi kalsium oksida (ao) melalui pemanasan hingga sampel 9. Reaksi kimia yang erjadi akiba pemanasan ini diberikan oleh persamaan: ao 3 Hea O 2 + ao Pada persamaan reaksi diaas ampak bahwa dengan pemanasan hingga suhu erenu (9 ), ao 3 erdekomposisi menjadi ao dengan membebaskan gas karbondioksida (O 2 ) (Rivera, e al.1999). atio 3 Kalsium Tiana (atio 3 ) adalah bahan keramik iana yang memiliki srukur perovskie unuk penghenian limbah nuklir ingka inggi (Ringwood, e all.1988). Srukur perovskie Kalsium Tiana (atio 3 ) seperi yang diilusrasikan pada Gambar 1. atio 3 dikenal sebagai keramik dielekrik dengan konsana dielekrik inggi yaiu 17 dan koefisien suhu negaif. atio 3 memiliki aplikasi pening dalam sisem komunikasi gelombang mikro (hen, e al. 23). Dibawah ini adalah gambar srukur perovskie kalsium iana. atio 3 juga digunakan sebagai bahan keramik elekronik (elekrokeramik) khususnya sebagai bahan feroliskrik dan bahan dielekrik secara umum (Wang, e al. 21). Gambar 1 Sukur perovskie atio 3. Kalsium Tiana juga acuan uama unuk sronium, suau unsur limbah yang pening dan dapa menyerakan peningnya sejumlah lananida dan akinida (Hanajiri, e al. 1998). atio 3 elah banyak dikaji berbagai sifa fisikanya oleh sejumlah penelii. Sifa-sifa fisika atio 3 yang elah dielii melipui sifa lisrik khususnya kondukivias (Wang, e al. 22), sifa opik baik dengan meode absorpsi UV-Vis maupun sudi fooluminesensi (Wang, e al. 22; Ueda, e al. 1999) uji sifa ermolisrik, sudi sifa dielekrik (hen, e al. 23) dan sifa ferolisriknya (Wang, e al. 21). Disamping iu juga cukup banyak dikaji enang srukur dan mikrosrukurnya yaiu srukur krisal dan srukur elekroniknya baik secara eoriis maupun eksperimen (Ueda, e al. 1999). Hidroermal Sinesis hidroermal didefinisikan sebagai meode penumbuhan maerial (krisal) di dalam air panas pada ekanan inggi. Penumbuhan krisal dilakukan di dalam auoclave dari bahan sainless seel. Jika emperaur meningka maka ekanan akan meningka dalam auoclave. Temperaur dapa dinaikkan diaas iik didih air dan pencapaian ekanan dari saurasi uap air (Fernandes GF dan Laranjeira MM,1999). Meode hidroermal adalah suau cara unuk mengaasi kekurangan dari meode basah seperi pemakaian dalam waku lama dan konaminasi kimia, juga memungkinkan sinesis atio 3 mempunyai kemurnian yang inggi unuk waku kerja yang pendek. Meode hidroermal merupakan meode yang sesuai unuk mempersiapkan krisal yang baik benuk dan komposisi yang dapa dicapai pada emperaur rendah (Ashok, e al. 27). Meode hidroermal pada peneliian ini menggunakan prekursor kalsium (a) dari cangkang elur. Kalsium karbona (ao 3 ) dieksraksi dari cangkang elur iik kemudian diransformasikan menjadi ao melalui proses pemanasan hingga 9 di dalam furnace. Meode hidroermal dipilih karena relaif sederhana anpa menggunakan peralaan yang rumi dan mahal (Ding, e al. 24), selain iu juga mempunyai beberapa keunungan seperi pemanasan cepa, reaksi cepa, hasil lebih bagus, kemurnian inggi dan efesiensi ransformasi energi inggi (Hanajiri Y, e al.1998).

3 3 Dielekrik Isolaor elekrik memiliki beberapa elekron bebas yang berada dalam kondukivias normal dan membenuk insulaor ideal yang idak memiliki elekron bebas. Beberapa maerial memiliki sifa lisrik yang menarik karena kemampuan medan lisrik unuk polarisasi maerial yang menghasilkan dipol lisrik. Dipol adalah susunan dua muaan posiif dan negaif yang sama dipisahkan oleh jarak yang kecil, momen dipol lisrik (p) didefenisikan sebagai p= qr, yang diilusrasikan pada Gambar 2. q q r Gambar 2. Pemisahan muaan membenuk dipol. Momen dipol lisrik adalah sebuah vekor yang secara konvensional arahnya dari muaan negaif ke posiif dan sauan momen dipol lisrik adalah Debye (1 Debye 3 = 3,331 coulomb-meer). Hubungan anara dan medan E diperoleh dari fakor dimensi, permiivias dari vakum: E, 12 dimana 8,854 1 Farad/meer dan sebagai sumber dari garis flux elekrik dipermukaan anara pla, rapa garis flux disebu perpindahan elekrik (D). posiif dibawah. Muaan permukaan akan menarik dan menahan kumpulan muaan yang berlawanan diaas pla, idak seperi dipol yang dapa berpindah secara bebas. Kenaikan kapasiansi disebabkan oleh melemahnya medan lisrik dianara keping kapasior akiba kehadiran dielekrik. Dielekrik dapa memperlemah medan lisrik anara keping-keping suau kapasior, karena dengan hadirnya medan lisrik, molekulmolekul dalam dielekrik akan menghasilkan medan lisrik ambahan yang arahnya berlawanan dengan medan lisrik luar (Tipler, 1998). Pada Gambar 4 akan erliha perbedaan anara keping kapasior anpa dielekrik dan diberi dielekrik dimana seelah diberi dielekrik akan muncul dipol-dipol lisrik sehingga menghasilkan medan induksi. V Gambar 3 Kapasior dengan dielekrik pada. D= E...(1) Selama muncul di dalam maerial pada saa kehadiran medan, dipol hadir sebagai benuk permanen dari srukur molekul yang disebu dipol permanen. Maerial yang di dalamnya ada pengaruh polarisasi disebu dielekrik. Medan lisrik menghasilkan polarisasi lisrik dalam maerial. Kerja dari kapasior akan menggambarkan pengaruh dari polarisasi lisrik dan memungkinkan dielekrik diperkenalkan secara makroskopi anpa memperimbangkan secara deail apa yang erjadi pada skala aomik (M..Lovell, e al.1976). Kapasior dengan dielekrik pada seperi yang diilusrasikan pada Gambar 4, anggap baerai masih dihubungkan medium dielekrik dengan mengisi permukaan anar pla. Medium menjadi erpolarisasi oleh medan dan dipol muncul di keseluruhan maerial sesuai arah medan. Semua dipol dari muaan berlawanan di dalam maerial akan dihilangkan eapi akan ada muaan keidakseimbangan permukaan, muaan negaif disebelah aas dan muaan Gambar 4.1 Tanpa dielekrik. Gambar 4.2 Diberi dielekrik ( erjadi dipol dipol kecil).

4 4 dikali jarak pemisah d. Jadi besarnya beda poensial yang melewai suau kapasior adalah: Gambar 4.3 Dielekrik yang memiliki medan induksi. Kapasior Kapasior adalah komponen elekronik yang dapa menyimpan muaan jika diberi medan lisrik, kapasior keping sejajar yang diilusrasikan pada Gambar 5. Kemampuan kapasior unuk menyimpan muaan lisrik ini disebu sebagai kapasiansi. Sebagian besar kapasior memiliki lembar isolaor (misalnya keras aau plasik) yang disebu dielekrikum yang dileakan dianara pla-planya (Giancoli, 25). Suau maerial nonkondukor seperi keras, kaca aau kayu disebu dielekrik. Keika ruang dianara dua kondukor diisi dengan dielekrik, kapasiansi naik sebanding dengan fakor K yang merupakan karakerisik dielekrik dan disebu konsana dielekrik. Besar muaan yang ersimpan dalam kapasior sebanding dengan beda poensialnya. V (1) dimana: V= beda poensial (Vol) =kapasiansi kapasior(farad) V Ed d... (2) Nilai kapasiansi dari suau kapasior dienukan oleh fakor geomeris dan jenis bahan dielekriknya. Unuk kapasior pla sejajar, fakor geomeris dienukan oleh luas permukaan pla elekroda sera ebal bahan dielekrik. Sedangkan sifa bahan dielekrik dienukan oleh konsana dielekrik pada frekuensi erenu. Pada ruang hampa udara kapasiansi kapasior diberikan oleh: A... (3) d dimana: o kapasiansi ruang hampa o permiivias ruang hampa A =luas permukaan elekroda d = jarak anar elekroda Jika di anara pla elekroda diempakan suau bahan dielekrik, maka kapasiansinya akan berambah besar : A A k d d... (4) k adalah permiivias bahan yang nilainya sebanding dengan permiivias ruang hampa dengan konsana pembanding yang disebu konsana dielekrik. Dari persamaan 3 dan 4, konsana dielekrik dapa dinyaakan sebagai perbandingan kapasiansi bahan erhadap kapasiansi ruang hampa k aau k...(5) Gambar 5 Kapasior keping sejajar. Pengisian kapasior adalah Jika kapasior yang dihubungkan dengan erminal erminal baerai akan erjadi pengisian (muaan) pada keping-keping kapasior yang diilusrasikan pada Gambar 6 dan kurva pengisian kapasior yang diilusrasikan pada Gambar 7 Karena medan lisrik anara bidang bidang kapasior bersifa seragam, maka perbedaan poensial anara bidang sama dengan medan

5 5 Gambar 6 Pengisian kapasior. Gambar 7 Kurva pengisian kapasior. Medan lisrik dapa menimbulkan polarisasi muaan, menyebabkan molekul mempunyai muaan dipol permanen. Sebaliknya, akan polarisasi menimbulkan kerapaan muaan pada kapasior. Hal ini dapa dikeahui dengan memisahkan dua pla kapasior sejauh d meer dan dianara pla diberikan egangan sebesar V vol sehingga erjadi medan lisrik. Pada saa = dan saklar diuup maka pada kapasior idak ada muaan sehingga ak ada beda poensial di ujung ujung kapasior. Beda poensial di ujung ujung R adalah dan arus imum I = / R. Jika pada saa = dan saa seelah S diuup, di kapasior sudah ada muaan (+ di keping + dan di keping -). Beda egangan di ujung ujung kapasior menjadi / Akibanya beda egangan di ujung ujung R dan arus urun (Sugaa,1994). Dari hukum Kirchoff: V ir...(1) dan hubungan i...(2) d didapa persamaan : V R d 1 d V R ln( V ) k...(3) R k adalah konsana inegrasi, dari syara = muaan =, akan didapa k ln(v ). Keika kapasior erisi penuh, beda egangan di ujung ujung kapasior adalah V dan muaan di kapasior adalah m V...(4) Persamaan (1) menjadi ( ) ln R ln( 1 ) m R ( 1 ) e R...(5) m Jadi besarnya kapasior adalah: muaan pada pengisian R m ( 1 e )...(6) Pengosongan kapasior adalah Jika ujungujung kapasior yang bermuaan dihubungkan dengan kawa kondukor, pada kapasior akan segera erjadi pengosongan muaan yang diilusrasikan pada Gambar 8. Selama S eruup, egangan di ujung ujung R dan adalah sama dengan dan muaan di kapasior adalah =. Keika S dibuka pada =, muaan di kapasior mulai berkurang dan erjadi arus melalui resisor. Dari hukum Kirchoff unuk loop (Saklar erbuka) : ir Gambar 8 Pengosongan kapasior. Dan hubungan I = -/d didapa persamaan:

6 6 d R 1 d ln( ) k R R k adalah konsana inegrasi, dari syara =, muaan =,didapa k=ln Arus pada saa = adalah I = /R Jadi besarnya muaan pada pengosongan kapasior adalah: Pengisian dan pengosongan muaan dalam pla kapasior berlangsung secara cepa. Akibanya muaan yang ersimpan dalam pla makin berkurang dan kemampuan kapasior dalam menyimpan muaan semakin kecil (Surisno,1984). Bahan dielekrik yang erdapa anara pla akan memperlemah medan lisriknya. Bahan dielekrik ersebu akan erpolarisasi keika diberi medan lisrik sehingga akan imbul kerapaan muaan yang inggi pada sisi pla. Pengisian dan pengosongan kapasior berlangsung cepa dengan naiknya frekuensi. Kapasior dengan cepa melepaskan dan mengisi muaan dengan ingka resisansi yang rendah. Muaan-muaan yang ersimpan dalam kapasior akan berkurang dengan meningkanya frekuensi. Gambar 9 Kurva pengosongan kapasior. Gambar 1 menunjukkan kapasior yang dihubungkan pada erminal generaor, arusnya dihubungkan dengan muaan oleh: i d e R...(7) Gambar 1 Pembangki ac yang dihubungkan secara seri dengan kapasior. Beda egangan pada kapasior adalah V V V Dari kaidah simpal Kirchhoff diperoleh aau V cos Dengan demikian cos Arusnya sama dengan i sin d Nilai imum I erjadi apabila sin 1, maka I Arus diulis menjadi I sin I sin Dengan menggunakan persamaan rigonomeri sin cos( ) 2 I cos( ) 2, diperoleh: I...(8) Gambar 11 menunjukkan kurva arus dan egangan suau kapasior erhadap waku, dimana nilai imum egangan erjadi 9 aau seperempa perioda seelah nilai imum arus. Dengan demikian beda egangan pada kapasior erlamba erhadap arus sebesar 9. Muaan pada pla kapasior meningka, arus berkurang hingga muaannya imum ( sehingga V c arusnya nol. imum) dan

7 7 Diffracion(XRD), Scanning Elecron Microscopy (SEM), Uji Kapasior, Uji Dielekrik. Meodologi Peneliian Sinesis atio 3 Gambar 11 Kurva arus dan egangan suau kapasior erhadap waku. Hubungan anara arus imum dan egangan imum unuk kapasior dapa diulis dalam benuk persamaan: I 1 X... (9) dimana X disebu reakansi kapasiif yang mana berganung pada frekuensi.dalam hal ini semakin inggi frekuensi, semakin kecil reakansinya. Jika sumber ggl-nya berupa pembangki ac, perbedaan poensial berubah anda seiap seengah perioda dan seandainya ggl pembangkinya konsan sambil meningkakan frekuensinya. Unuk seiap seengah siklus, muaan 2 yang sama berpindah ke kapasior eapi jumlah siklus per deik berambah dimana kapasior meningka sebanding dengan frekuensi. Jadi, semakin inggi frekuensi, kapasiornya semakin kurang menghamba aliran muaan. BAHAN DAN METODE Tempa dan Waku Peneliian Peneliian akan dilaksanakan di laboraorium Fisika Maerial dan laboraorium Biofisika Deparemen Fisika IPB Darmaga. Waku peneliian dimulai dari Bulan November 28 sampai April 29. Bahan dan Ala Bahan yang digunakan dalam peneliian ini adalah cangkang elur yang diransformasikan menjadi ao, pla pcb dengan lapisan embaga, aquades, bubuk TiO 2. Ala - ala yang digunakan adalah crucible (cawan keramik), sudip, gelas ukur, keras saring, furnace, magneic sirer, ho plae, alumunium foil. Karakerisik menggunakan X-Ray Dalam peneliian ini dilakukan sinesis atio 3 dengan meode hidroermal menggunakan prekursor kalsium (a) dari cangkang elur. Kalsium karbona (ao 3 ) dieksraksi dari cangkang elur iik kemudian diransformasikan menjadi ao, dimana atio 3 erbenuk melalui proses pemanasan hingga 7 selama 3 jam, 8 selama 5 jam, dan 9 (PH) selama 5 jam menggunakan furnace. Bubuk ao dan TiO 2 dengan massa yang seimbang masing masing 2, gram digerus dalam waku 3 meni dimasukkan ke dalam aquades pada volume 5 ml dicampur pada gelas beaker yang di siring 1 rpm selama 3 meni pada ho plae. Reakor dileakkan diaas ho plae dan mulai proses hidroermal dengan memanaskan reakor pada suhu anara 2 yang menghasilkan ekanan inggi di dalam reakor. Hasil perlakuan hidroermal berupa endapan atio 3 disaring beberapa kali, selanjunya sampel dipele dan dipanaskan di dalam furnace pada sampel 9 selama 5 jam. Sinesis kalsium iana erbenuk melalui 2 meode yaiu meode dimana sampel dihidroermal dan dipele (PH) yaiu pada suhu 9 (PH). Selain iu sinesis kalsium iana diperoleh dengan hidroermal saja( ) Karakerisasi XRD(X-Ray Difracion) Karakerisasi XRD dapa memberi informasi secara umum baik secara kuaniaif maupun secara kualiaif unuk mengeahui fasa yang erdapa dalam sampel, menenukan ukuran krisal dan krisalinias. Hal yang perlu diperhaikan pada meode ini adalah posisi difraksi imum, inensias puncak dan disribusi inensias sebagai fungsi dari sudu difraksi. Tiga informasi ersebu dapa digunakan unuk mengidenifikasi fasa-fasa yang erdapa dalam suau bahan. Salah sau analisis komposisi fasa dalam suau bahan adalah dengan membandingkan pola XRD erukur dengan daa ersebu. Sampel dikarakerisasi menggunakan ala XR dengan sumber u yang memiliki panjang gelombang 1 1,546 1 nm.