KUALIFIKASI ALAT SPEKTROMETER EMISI UNTUK PENENTUAN UNSUR-IMPURITIS DALAM BAHAN ALUMINIUM

Transkripsi

1 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 KUALIFIKASI ALAT SPEKTROMETER EMISI UNTUK PENENTUAN UNSUR-IMPURITIS DALAM BAHAN ALUMINIUM Dian Anggraini, Bybul, Arif Nugrh ABSTRAK KUALlFIKASI ALAT SPEKTROMETER EMISI TELAH OILAKUKAN TERHAOAP. UNSUR- UNSUR IMPURITAS ( SI, MN, CU, TI, NI, CR, MG) OALAM PAOUAN ALUMINIUM. Kualifikasi alat dilakukan dengan menggunakan metde ASTM, yang meliputi tahapan kalibrasi, yang dilanjutkan dengan penentuan batas linier pengukuran, limit deteksi, presisi serta akurasi pengukuran kalibrasi dilakukan pad a bahan standar aluminium dengan berbagai knsentrasi. Hasil kalibrasi yang diperleh berupa kurva kalibrasi yang menggambarkan hubungan antara knsentrasi dan intesitas pengukuran. Hasil evaluasi terhadap kurva kalibrasi dengan _menggunakan metde least square adalah daerah pengukuran linier, persamaan linier dan kefisien regresi. Kefisien regresi dari unsur yang dianalisis berkisar antara hingga Besaran presisi dan akurasi diperleh dari hasil pengukuran bahan standar aluminium yang memiliki knsentrasi pada daerah linieritas dan bahan AIMgSi dengan 7 kali pengulangan pengukuran. Presisi pengukuran ditunjukkan dengan nilai RSO dan dari kedua pengukuran tersebut diperleh masing- masing sebesar 0.8% hingga 3.4 % dan 0.8% sampai 5.8%. Sedangkan akurasi untuk aluminium standar dihasilkan dalam kisaran 95% % dan AIMgSi sebesar 42.2% hingga 89.30% PENDAHULUAN Spektrmetri emisi adalah salah satu aiat analisis kimia untuk penentuan unsurunsur kimia dalam suatu bahan padat masif lgam maupun paduan lgam, secara kualitatif maupun kuantitatif. Prinsip pengukuran berdasarkan panjang gelmbang dan intensitas dari sinar yang diemisikan leh bahan yang mengalami peristiwa deksitasi akibat prses pembakaran lkal. Sinar radiasi ini didispersi leh kmpnen ptik yang terdapat dalam spektrmeter menjadi garisgaris spektra. Garis-garis spektra yang dihasilkan mempunyai panjang gelmbang tertentu yang karakteristik untuk setiap unsur dan fenmena ini dijadikan dasar dalam analisis kualitatif. Selanjutnya dalam penglah data, sinar tersebut diubah menjadi bentuk sinyal listrik dalam ber,tuk digital. Kuantitas unsur- unsur dapat diketahui dari hubungan kesebandingan antara knsentrasi unsur dengan intensitas pancaran energi garis spektra setiap unsur[1]. Untuk meningkatkan kepercayaan terhadap hasil pengukuran dan memenuhi permintaan pengguna jasa maka bagi labratrium perlu menyiapkan infrmasi nilai yang akurat. Kebenaran dan ketelitian hasil pengukuran tergantung dari kebenaran dan ketelitian dari kalibrasi alat ukur dan ketepatan metde uji. Oeh karena itu untuk mendapatkan kebenaran hasil analisis maka labratrium harus memiliki alat yang berfungsi baik dan terkalibrasi, metde yang valid dan diperasikan leh persnel yang kmpeten [2]. Sehubungan dengan telah selesainya perbaikan dan uji fungsi alat spektrmeter emisi yang berada di labratrium BT OUPI P2TBOU maka selanjutnya perlu dilakukan kualifikasi a:at tersebut, yang diharapkan dari kegiatan ini dapat memberikan hasil./ 163

2 HasH-hasH Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN pengukuran yang memenuhi persyaratan standarisasi labratrium. Kualifikasi alat meliputi kegiatan kalibrasi untuk menetapkan hubungan antara respn alat dengan sesuatu nilai yang telah diketahui. Kemudian dilanjutkan dengan penentuan unjuk kerja alat dan metde yaitu batas linier pengukuran, limit deteksi, presisi dan akurasi. Kualifikasi alat spektrmeter ini akan dilakukan pada bahan aluminium yang merupakan bahan pendukung dalam pembuatan bahan bakar nuklir dan menggunakan metde yang telah valid dari ASTM. PRINSIP KERJA ALA T SPEKTROMETER Prinsip pengukuran spektrmeter emisi berdasarkan identifikasi energi radiasi yang dipancarkan leh unsur-unsur yang mengalami prses eksitasi akibat pembakaran lka!. Sumber pembakaran pada eksitasi ini adalah awan muatan atau discharge listrik ( spark ) yaitu api muatan listrik yang melncat antara sampel dan elektrde. Sinar emisi ini kemudian diresikafl dalam sistim ptik menjadi garisgaris spektra. Sistim ptik terdiri dari kmpnen-kmpnen ptik antra lain entrance slit, exit slit, grating dan phtmultiplier. Kmpnen-kmpnen tersebut berada dalam spektmeter kamera yang didesain seperti setengah lingkaran yang dikenal dengan nama Rwland circle. Pancaran sinar yang berasal dari sam pel yang tereksitasi masuk kedalam spectrmeter kamera melalui entrance slit yang mengubah kumpulan sinar menjadi suatu titik sinar. Sina, ini kemudian difkuskan ke diffractin grating yang berfungsi sebagai pengurai sinar menjadi garis-garis spektra. Garis spectra ini kemudiaan diteruskan melalui exit slit menuju phtmultiplier dan selanjutnya menjadi sinyal listrik. Kemudian sinyal terse but diubah menjadi data digital leh sistem penglah data. Tata Kerja A. Bahan: Aluminium standar dengan vanasl knsentrasi seperti yang terlihat pada tabel -1. Bahan AIMgSi Tabel- 1. Knsentrasi Bahan Standar Aluminium TiNi Cr ~ MnCu , Si Mg B. Peralatan: c. Tahapan Kerja: - Preparasi sampel Spektrmeter Emisi PV 8030 Mesin Bubut Berdasarkan ASTM dan didukung lerl pernyataan dalam mannual alat bahwa permukaan bahan yang akan dianalisis harus rata, halus Jan bersih Untuk itu maka sebelum dilakukan analisis, salah satu permukaan dari bahan tersebut dibubut sampai rata dan halus dengan menggunakan mesin bubut. Kemudian dibersihkan dengan alkhl dan ditunggu kering. Setelah kenng di tempatkan pada sam pel 164

3 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun Pengukuran hlder dengan jarak sekitar 4 mm dari elektrda Alat dapat digunakan bila nilai kevakuman sekitar 150 Hz yang setara dengan 40 bar.dan suhu spektrmeter sekitar 27 C yang dinyatakan dalam digit 300 dan 400 pad a layar mnitr. Aliran gas argn diatur agar mencapai 10 limen, untuk flashing dan 5 I/menit untuk prses analisis. Selanjutnya dilakukan ptimasi alat dengan cara mencari psisi Cntrail prafilling pada skala antara 66 hingga 74. Setelah alat terptimasi kemudian dilakukan kalibrasi alat dengan menggunakan bahan standar aluminium dengan berbagai knsentrasi. Selanjutnya dilakukan evaluasi terhadap data hasil kalibrasi untuk menetukan batas daerah linieritas dengan persamaan dan ketisien regresi, dan limit deteksi. Sedangkan besaran presisi dan akurasi diperleh dari pengukuran bahan standar yang memilki knsentrasi pad a daerah linier dan bahan AIMgSi dengan 7 kali pengukuran. Kemudian hasil yang diperleh dibandingkan dengan nilai yang terdapat di sertitikat. HASIL DAN PEMBAHASAN Optimasi Alat. Psisi entransce slit pad a sistim ptik akan mempengaruhi nilai intensitas sinar mengenai detektr. Penentuan psisi entransce slit dilakukan dengan cara melakukan pengukuran pada bahan aluminium pada berbagai skala prafilling. Dari hasil pengukuran diperleh nilai intensitas pada setiap skala prfilling seperti yang terlihat pad a Tabel - 2. Pada tabel terse but terlihat intensitas maksimum masingmasing unsur yang dianalisis tercapai pada psisi skala 70. Kndisi ini yang akan digunakan dalam pengukuran selanjutnya Tabel -2. Hubungan Nilai Intensitas Dengan Psisi Prfilling Intensitas Kalibrasi Alat. Kalibrasi alat dilakukan dengan menggunakan bahan standar aluminium dan metde spektrmeter emisi pada bahan aluminium dari ASTM. - unsur yang diukur dalam kegiatan kalibrasi berjumlah 7 yaitu Si. Mn. Cu, Ti, Ni, Cr dan My. Dari kalibrasi terse but diperleh kurva kalibrasi yang merupakan hubungan antara intensitas dan knsentrasi dari unsur yang diukur. Pada setiap kurva kalibrasi dilakukan pengamatan secara visual dan identifikasi daerah pengukuran linier, batas atas bawah dari daerah kerja. Dc;ri hasil identifikasi ini didapat knfirmasi visual linieritas daerah kerja dalam suatu bentuk garis lurus dengan knstanta persamaan dan ketisien regresi seperti yang terlihat pada gambar 1 dan tabel - 3. Pada tabel -3 tersebut terlihat bahwa ketisien regresi dari persamaan linier sekitar hingga Pustaka ASTM menyebutkan bahwa bila nilai kefisien regresi dari suatu persamaan linier lebih besar dari 0.98 menunjukkan ketepatan persamaan linier terhadap data ukur. Berdasarkan uji R diperleh harga R terukur lebih besar dari tabel, hal ini menunjukkan bahwa adanya hubungan linier antara intensitas dan 155

4 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN knsentrasi. Knstanta slpe dan intersep menggunakan metde persamaan linier, diperleh dengan feast square yang dilah dengan menggunakan sftware alat. Besaran knstanta terse but dapat dilihat pada tabel -3. Tabel - 3. Daerah Linieritas, Kntanta persamaan, Kefisien Krelasi Daerah- ( E blinieritas Dari Critical R2) E E E E E E tabel)* Kef value E-7 E-6 E6 E-2 Y Krelasi f = R a+ bx Presisi dan Akurasi. Presisi suatu metde ditunjukkan leh nilai simpangan baku dari pengukuran berulang sekurang-kurangmya 7 kali pengulangan. Penentuan presisi dilakukan dengan mengukur bahan standar yang memiliki knsenrasi pad a daerah linier. Hasil dari pengukuran ini ditunjukkan pada tabel -6. Dari tabel tersebut terlihat nilai simpangan baku (RSD) dari unsur yang diukur berkisar dari hingga Untuk mengetahui keberterimaan dari hasil yang diperleh maka dilakukan uji chi square, yang dihitung dengan menggunakan rumus[3} : X 2 = L( Xi - X rt) 2f Xrt (1) Pada umumnya derajat kepercayaan yang diambil unt!jk pengukuran secara spektrmetri sebesar 95 % (2]. Pad a tabel chi square untuk harga df 6 dan derajat kepercayaan 95% diperleh nilai Syarat keberterimaan berdasarkan chi square adalah nilai X2 pengukuran lebih kecil atau sama dengan nilai yang diperleh pad a tabel. Nilai X2 yang diperleh dengan menggunakan rumus diatas ditunjukkan pada tabel - 5 dan terlihat nilai tersebut lebih kecil dari nilai tabel. Hal tersebut diperkuat dari pernyataan dalam ASTM yang menyatakan bahwa nilai RSD untuk knsentrasi unsur antara 0.01 % hingga 0.5 % sebesar 3% dan untuk knsentrasi unsur lebih besar dari 0.5 % niali RSD seitar 1%. Dengan demikian niali pengukuran masih dalam batas yang dapat diterima. Akurasi dilakukan dengan cara analisis bahan standar yang hasilnya dibandingkan dengan nilai unsur sebenarnya (dari sertifikat). Selisihnya memberikan nilai penyimpangan dari metde. Akurasi pengukuran dapat dilihat pada tabel

5 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 Tabel -4. Data Presisi dan Akurasi %99,17% NiCr 3.4% TiMnCu E % % E-4 Pengulangan Mg I99.97% E % % E % E-4 &% E-4 % Akurasi Knsent bahan Standar Aluminium Knsentrasi Hasil analisis terhadap AIMgSi menggunakan alat emisi diperleh besaran presisi masih dalam batasan yang dapat diterima karena persayaratan dari ASTM memberikan besaran presisi sebesar 3% sedangkan hasil analisis AIMgSi yang diperleh antara 0,8 hingga 1,3% untuk unsure SinMn,Cr dan Mg, tetapi unsur Ti tidak dapat diterima karena berada diluar batas yang ditetapkan. Sedangkan nilai akurasi yang diperleh untuk semua unsur yang dianalisis dalam paduan AIMgSi jauh menyimpang dari standard yang diacu (NUKEM). Hal ini karena knsentrasi unsurunsur dalam bahan AIMg Si berada diluar daerah linieritas pengukuran, seperti yang terlihat pada table-3. Data presisi dan akurasi ALMgSi dapat dilihat pad a tabel /

6 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN Tabel -5. Data Presisi dan Akurasi Paduan AIMgSi Mn TiCr : % % :50.25 % % Mg % % Si % Pengulangan NUKEM Limit deteksi dan ketidakpastian pengukuran. Perhitungan limit deteksi dan ketidakpastian pengukuran menggunakan nilai- nilai dari hasil evaluasi kurva kalibrasi. Pada penentuan limit deteksi digunakan rumus sebagai beriku [3] ; DL = C bg.eq X (RSD) X r /100 (2) Dengan : C bg.eq = Knsentrasi pad a intesitas 2 kali intensitas backgrund RSD = RSD dari garis linier ( diperleh dari alat) R = 2 ( untuk derajat kepercayaan 95 %) Hasil perhitungan tersebut ditunjukkan dalam tabel -6. Tabel-G. Data Limit Deteksi Cnsentratin Backg Standard E-8 Limit ( %) E-6 (Y E-1 E-8E Deteksi -8 v.x ) Errr 168

7 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 Ketidakpastian pengukuran merupakan suatu parameter untuk menetapkan ukuran atau kisaran yang didalamnya diperkirakan ada nilai benar yang diukur. Perhitungan ketidakpastian pengukuran dihitung terhadap knstanta persamaan garis linier yaitu slpe dan intersep. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut [4[; a 1 = t n-2 S Y.x { 1 \ n +..J x rt \ ( L x2 - (LX )2 \ n}... (3) b 1 = t n-2 Sy.x \..J ( L X2 - ( LX) 2 \ n (4) dengan ; S Y.X = standar errr / RSD linieritas, diperleh dari kuna kalibrasi t n-2 = dari tabel critical value student's distributin, dengan 95 % tingkat kepercayaan Dari perhitungan diatas diperleh nilai seperti yang tercantum pada tabel - 7. Tabel- 7. Ketidakpastian Pengukuran dari Knstanta Persamaan Garis Linier E E-3±9.9200E E E-3±1.8933E E E-3±2.5499E E-3±2.9014E E E-3±2.8620E E E t , n.2 ±3.5762E-5 a ±1.7440E-4 ± a E E-5 b ± b1 E-6 ± E E-10 ± E E E E E-9 Y = a + bx KESIMPULAN Hasil analisis unsur- unsur impuritas ( Si, Mn, Cu, Ti, Ni, Cr dan Mg) dalam paduan aluminium diperleh besaran presisi, akurasi, limit deteksi. dan ketidakpastian pengukuran knstanta - knstanta persamaan linearitas pad a daerah pengukuran seperti yang tertuang dalam table -3. Berdasarkan hasil tersebut maka dapat dinyatakan bahwa alat spektrmeter emisi telah terkualifikasi untuk penentuan unsur- unsur impuritas (Si, Mn, Cu, Ti, Ni, Cr dan Mg ) dalam bahan paduan aluminium. DAFTAR PUSTAKA 1. SITI AMINI,Spektrmeter Emisi, Pelatihan Keahlian Analisis Kimia Bahan - Bakar Nuklir Secara Spektrmetri, Pusat Pendidikan dan Latihan - Badan Tenaga Atm Nasinal, YUSTINA TRI HANDAYANI, Pelatihan Penyelia Labratrium Analisi Aktivasi Neutrn, Pusat Pendidikan dan Latihan, Badan Tenaga Atm Nuklir, ANNUAL BOOK f ASTM STANDARDS, Optical Emssin Spectrmetric Analysis f Aluminium and Aluminium Ally by The Pint T Plane Technique, Vlume 03.05, ROBERT. Statistics Nstrand 1987 L. ANDERSON, Practical f Analytica! Chemist, Van Reinhld Cmpany, New Yrk, 169

8 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN Mn ( nm) N Knsentrasi Sfkt Intensitas Knsenrasi Terukur Kurva Kalibrasi Mn Knsentrasi(%) Si ( ) I N Knsentrasi Knsentrasi Sfkt Intensitas Terukur ), i I, Kurva Kalibrasi Si <J) !9 c <1> C r ~ I~ Knsentrasi (%) N Cu Knsentrasi Knsentrasi Sfkt Intensitas Terukur I <J).~ <J) <:: <1> C Kurva Kalibrasi Cu ~. ~ J ~---,-_._-, ,. Knsentrasi (%) Gambar.1. Kurva kalibrasi 170./

9 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 Ti ( nm) Kurva Kalibrasi Ti N Knsentrasi Knsentrasi 8ert Intensitas Terukur <II 2500 r ~ 2000 " ~ 1500 C Knsentrasi (%) 0.03 N Ni ( nm) Knsentrasi Knsentrasi ert Intensitas Terukur Kurva Kalibrasi Ni <II r.~ 8000 ~ 6000 E Knsentrasi (%) 0.03 Cr ( nm) N Knsentrasi Knsentrasi 0.00: ' ert d Intensitas Terukur Kurva Kalibrasi Cr <II.~ <II C c Knsentrasi (%)

10 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN Mg ( nm) N Knsentrasi Knsentrasi SertfkIntell&itas Terukur I/J l ~ l~ ~ ~ ' I Kurva Kalibrasi Mg ~! Knsentrasi ("!) 5 Mn ( nm) N IntensitasKn.Sfkt Knsenrasi Cerukur 0.25 Kurva Kalibrasi Mn 0.2 I/J r ;:; 0.15 c Q> ~ 0.1 ~ Intensitas Si ( ) N IntensitasKn.Sfkt Knsentrasi Terukur 0.2 Kurva Kalibrasi Si ii15 'ii) r ~01 Q> I/J. ~ Intensitas

11 ISSN Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 Cu N IntensitasKn.Sfkt Knsentrasi ! Terukur 0.07 Kurva Kalibrasi Cu ~ 0.06 ::: C/) e 0.04 ~ 0.03 ~ 0.02 ~ Intensitas ! 173