SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2014 (SFN XXVII), Oktober 2014,Denpasar-Bali

Transkripsi

1

2

3

4

5 Pengaruh Konsentrasi Dan Temperatur Pada Transpor Ion Dalam Membran Kitosan Ni Nyoman Rupiasih 1, 2), Umi Hariyani 1), Putu Erika Winasri 1), I Ketut Putra 1) 1 Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana 2 Group Research Material Sains dan Teknologi-Polymer dan Biomaterial rupiasih69@yahoo.com; putra_jongrang@rocketmail.com Abstract Bentuk kurva karakteristik arus-tegangan (I-V) dari sebuah membran penukar ion sangat dipengaruhi oleh kondisi eksternal seperti konsentrasi, laju aliran, dan kondisi fisika-kimia permukaan membran. Telah diteliti pengaruh konsentrasi dan temperatur larutan terhadap karakteristik kurva I-V dari membran kitosan, khususnya pada rapat arus difusi ion. Larutan elektrolit yang digunakan adalah NaCl dengan variasi konsentrasi 0,1 mm, 1 mm, 10 mm, 100 mm, dan 1000 mm, dan kenaikan temperatur larutan dari 28,8 C sampai 70 C dengan kenaikan 5 C. Proses transpor dilakukan dengan menggunakan sebuah model cell membran yang terdiri dari 2 ruang. Beda tegangan membran diukur menggunakan sepasang electroda calomel Activon AEP Single jnct 12 x 120 mm. Dari hasil pengamatan diperoleh, semakin besar beda konsentrasi larutan di kedua ruang dan semakin tinggi temperatur larutan, maka nilai rapat arus difusi ion semakin meningkat. Kenaikan rapat arus difusi terhadap kenaikan temperatur pada beda konsentrasi rendah yaitu 0,1 mm : 0,1 mm, 1mM : 0,1 mm, 10 mm : 0,1 mm, dan 100 mm : 0,1 mm menghasilkan kurva karakteristik rapat arus difusi daerah ohmik. Sedangkan pada beda konsentrasi besar yaitu 1000 mm : 0,1 mm menghasilkan kurva karakteristik rapat arus difusi dengan tiga daerah yaitu daerah I (ohmik), II (plateau), dan III (asymptotic). Keywords: membran kitosan, konsentrasi larutan, temperatur, rapat arus difusi Abstract The shape of the characteristics of the current-voltage (I-V) curve of an ion exchange membrane varies with the external conditions, such as concentration, flow rate, and the physicochemical conditions of the membrane surface. The effects of concentration and temperature of the solution on the characteristics of the I-V curve in chitosan membrane, particularly at current densities by ion diffusion were studied. The electrolyte solution used was NaCl with concentration varies of 0.1 mm, 1 mm, 10 mm, 100 mm, and 1000 mm, and temperature of the solution varies from 28.8 to 70 C with an increase of 5 C. Transport process was done by using a model of cell membrane consisting of two chambers. The voltage difference measured using a pair of Activon AEP Single jnct 12 x 120 mm calomel electrodes. From the observations obtained, the greater the concentration difference in the both chambers and the higher the temperature of the solution, then the current density was increased. At low concentrations, i.e. 0.1 mm: 0.1 mm, 1 mm: 0.1 mm, 10 mm: 0.1 mm, and 100 mm: 0.1 mm, showed the I-V curve of the ohmic region (region I). While the large concentration i.e mm: 0.1 mm, it showed the I-V curve with three regions, namely regions I (ohmic), II (plateau), and III (asymptotic). Keyword: chitosan membrane, solution concentration, temperature, diffusion current density 1. PENDAHULUAN Kitosan adalah salah satu polimer alami, yang merupakan senyawa turunan dari kitin. Kitosan dapat dibuat melalui proses deasetilasi kitin dengan menggunakan basa kuat sehingga gugus asetamida (NH-COCH 3 ) diubah menjadi gugus amina (NH 2 ) [1]. Gugus amina yang terdapat pada kitosan dapat menyebabkannya berfungsi sebagai penukar ion (ion exchange). Kitosan sudah banyak digunakan secara komersial dalam berbagai industri yaitu pangan, kosmetik, pertanian, farmasi, pengolahan limbah dan penjernihan air. Kitosan mampu mengadsorpsi logam dengan membentuk logam kompleks. Kitosan juga dapat dibuat menjadi membran dan digunakan sebagai filter/penyaring logam berat [2]. Teknologi pembuatan membran dari kitosan dan karakteristik membran yang diproduksi sangat penting dipelajari untuk mengetahui potensi pengguanaannya, seperti untuk reverse osmosis, pemisahan partikel dan gas, pervaporasi, transpor aktif, dan dialysis [3].

6 Karakteristik membran buatan meliputi termal, listrik, mekanik, dan optik. Salah satu karakteristik kelistrikan membran adalah karakteristik arus-tegangan. Karakteristik ini dipengaruhi oleh transpor/aliran elektronelektron (arus listrik) dan ion-ion (arus difusi) dalam membran. Arus difusi dapat terjadi akibat adanya beda konsentrasi pada kedua sisi membran, sedangkan transpor elektronelektron terjadi akibat pemberian arus listrik pada larutan yang melewati membran. Semua proses transpor tersebut dipengaruhi oleh faktor eksternal maupun internal dari membran. Beberapa faktor eksternal yang cukup berpengaruh antara lain konsentrasi, elektrolit, dan temperatur dari larutan yang dilewatkan pada membran. Sedangkan faktor internal membran, salah satunya adalah jenis membran. Sifat listrik membran biasanya digambarkan dengan kurva karakteristik I-V (arus-tegangan). Bentuk kurva I-V pada membran penukar ion berubah sesuai dengan kondisi eksternal, seperti konsentrasi, laju aliran dan kondisi fisika-kimia (physicchemical) permukaan membran [4]. Pada penelitian ini telah diamati karakteristik aliran ion-ion (transpor ion) dalam membran, yang dalam hal ini adalah rapat arus difusi ion terhadap beberapa parameter yaitu konsentrasi dan temperatur larutan. Hal ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh variasi konsentrasi dan temperatur larutan terhadap rapat arus difusi ion dalam membran polimer kitosan. 2. KAJIAN LITERATUR Membran kitosan adalah salah satu membran organik buatan, yang terbuat dari bahan dasar polimer alam kitosan. Membran tersebut merupakan membran bermuatan positif, yang dapat dilewati oleh anion (ion-ion negatif) saja. Dalam hal ini membran kitosan termasuk membran penukar ion yaitu penukar ion negatif (anion exchange membrane). Transpor ion pada membran dapat terjadi, salah satunya adalah karena adanya perbedaan konsentrasi di kedua sisi membran. Mekanisme transpor ion pada membran yang terjadi akibat adanya perbedaan konsentrasi disebut difusi. Berdasarkan Hukum Fick, jika perbedaan konsentrasi kecil, maka kerapatan fluks pada peristiwa difusi (J diff ) sebanding C dengan gradien konsentrasinya ( ) [5], x yang secara matematik dituliskan sebagai: C J diff D (2.1) x Dimana D adalah konstanta difusi [6]: 1 DV (2.2) C 1 log C2 dan 2 x ze (2.3) C 1 k Ttlog B C 2 Dengan mensubstitusikan persamaan (2.2) dan (2.3) ke persamaan (2.1) diperoleh: 2 x ze J diff V (2.4) 2 C 1 k Tt log B C2 3. METODE PENELITIAN Membran yang digunakan adalah membran kitosan 2% dan larutan elektrolit adalah NaCl dengan variasi perbandingan konsentrasi di ruang 1 : ruang 2 (C 1 /C 2 ) masing-masing dalam mm adalah 0,1 : 0,1, 1 : 0,1, 10 : 0,1, 100 : 0,1, dan 1000 : 0,1, dan kenaikan temperatur larutan dari 28,8 C (temperatur awal percobaan) sampai 70 C dengan kenaikan 5 C. Proses transpor dilakukan dengan menggunakan sebuah model cell membran yang terdiri dari 2 ruang, yaitu ruang 1 dan 2. Beda tegangan membran diukur menggunakan sepasang electroda calomel Activon AEP Single jnct 12 x 120 mm, pada jarak elektrode 0,01 m. Dari data hasil pengukuran seperti beda tegangan, konsentrasi, jarak kedua elektroda dan suhu larutan di ruang 1, maka dapat dihitung nilai rapat arus difusi (J diff ) dengan menggunakan persamaan (2.4). Kemudian dibuat grafik antara rapat arus difusi dengan variasi konsentrasi pada masing-masing temperatur. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Konsentrasi Larutan Elektrolit Terhadap Rapat Arus Difusi Ion Dari data hasil pengukuran maka dapat diplot grafik antara beda tegangan membran

7 (ΔV) dengan logaritma perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 dan 2 (Log(C 1 /C 2 )) seperti tampak pada Gambar 4.1. Gambar 4.1 memperlihatkan bahwa beda tegangan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya nilai Log (C 1 /C 2 ). Gambar 4.2a memperlihatkan bahwa, konsentrasi sangat mempengaruhi nilai rapat arus difusi ion. Semakin besar nilai C1/C2, maka nilai rapat arus difusi ion semakin besar. Kenaikan rapat arus difusi ion pada konsentrasi rendah yaitu 0,1 mm, 1 mm, dan 10 mm terlihat menumpuk, karena skala variasi konsentrasi yang sangat besar dan nilai rapat arus difusi ion sangat kecil. Untuk memperjelas kenaikan rapat arus difusi ion terhadap variasi nilai C1/C2 tersebut dapat dilihat grafik semilog Gambar 4.2b. Gambar 4.1 Grafik beda tegangan membran (ΔV) terhadap logaritma perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 dan 2 (Log (C 1 /C 2 )). Dari nilai beda tegangan, konsentrasi, jarak kedua elektroda, dan temperatur larutan, dapat dihitung nilai rapat arus difusi ion (J diff ) dengan menggunakan persamaan 2.4, seperti pada Tabel 4.1. Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Rapat Arus Difusi Ion (J diff ) Konsentrasi (mm) NaCl C1 C2 J J ( x 10-8 m -2.s -1 ) 0,1 0,1 0 ± 0 1 0,1 1,89± 0, ,1 6,37± 0, ,1 30,00± 0, ,1 238,00± 0,0744 Dari data pada Tabel 4.1 dapat diplot grafik antara rapat arus difusi ion dengan perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 dan 2 (C1/C2), seperti tampak pada Gambar 4.2a. Gambar 4.2a Grafik antara rapat arus difusi ion dengan perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 dan 2 (C1/C2). Gambar 4.2b Grafik semilog rapat arus difusi ion dengan perbandingan konsentrasi larutan di ruang 1 dan 2 (C1/C2). Gambar 4.2b memperlihatkan bahwa pada nilai perbandingan konsentrasi rendah yaitu 1, 10, dan 100, kenaikan rapat arus difusi ion sangat kecil, pada nilai 1000 terlihat peningkatan yang cukup besar, sedangkan pada nilai 10000, kenaikan nilai rapat arus difusi ion sangat tajam. Hal ini disebabkan karena pada nilai perbandingan konsentrasi 10000, beda konsentrasi antara kedua ruang sangat tinggi sehingga banyak ion-ion dari ruang 1 yang bergerak melewati membran. Hal ini menyebabkan nilai rapat arus difusi ion jauh lebih tinggi dibandingkan konsentrasi yang lebih rendah. Pengaruh Variasi Temperatur Larutan Elektrolit terhadap Rapat Arus Difusi Ion Selain variasi konsentrasi, temperatur juga sangat mempengaruhi nilai rapat arus difusi ion. Dalam hal ini beda tegangan yang terukur semakin besar dengan kenaikan temperatur larutan elektrolit. Dari data hasil pengukuran beda tegangan membran sebagai fungsi temperatur pada masing-masing konsentrasi larutan, dapat diplot grafik, seperti tampak pada Gambar 4.3.

8 Gambar 4.3 memperlihatkan bahwa nilai beda tegangan membran bertambah seiring dengan kenaikan temperatur. Hal ini dapat dijelaskan, dengan meningkatnya temperatur maka ion-ion memperoleh tambahan energi panas, yang mengakibatkan ion-ion bergerak dengan energi yang lebih besar. Dengan semakin banyaknya ion-ion yang mencapai permukaan membran di ruang 1, maka beda konsentrasi ion-ion pada permukaan membran di ruang 1 dan 2 menjadi bertambah besar sehingga beda tegangan semakin meningkat. Pengaruh beda tegangan terhadap rapat arus difusi ion dapat dijelaskan oleh persamaan 2.4 dimana beda tegangan berbanding lurus dengan rapat arus difusi ion. Berdasarkan hubungan ini dapat dijelaskan bahwa kenaikan temperatur juga menyebabkan kenaikan rapat arus difusi ion dalam membran, seperti tampak pada Gambar 4.4. Gambar 4.3 Grafik antara temperatur larutan di ruang 1 dengan beda tegangan membran terukur pada larutan elektrolit NaCl. Gambar 4.4 Grafik hubungan antara temperatur di ruang 1 dengan rapat arus difusi ion pada larutan elektrolit NaCl. Gambar 4.4 menunjukkan pola yang sama dengan grafik beda tengan terhadap temperatur di ruang 1 (Gambar 4.3), yaitu pada konsentrasi rendah seperti 0,1 mm, 1 mm, 10 mm, dan 100 mm, kenaikan rapat arus difusi ion linier terhadap kenaikan temperatur. Sedangkan pada konsentrasi 1000 mm, kenaikan rapat arus difusi ion terhadap temperatur membentuk grafik dengan 3 daerah yaitu daerah I (daerah ohmik), diikuti dengan daerah II (daerah plateau), dan daerah III (daerah asymtotic). Pada daerah I, kenaikan

9 temperatur sebanding dengan kenaikan rapat arus difusi ion. Kenaikan rapat arus difusi ion ini akan terjadi sampai tercapai suatu titik dimana beda konsentrasi antar permukaan membran mendekati nol. Ini merupakan batas kerapatan arus difusi pada daerah II. Dengan semakin tingginya temperatur dan jumlah ionion yang tidak mampu melewati membran, akibatnya energi ion-ion akan semakin meningkat. Dengan energi yang besar tersebut, ion-ion pada larutan elektrolit akan mendorong ion-ion yang menempel pada pori-pori membran hingga terlepas, sehingga proses transpor ion kembali terjadi, dan juga teramati bahwa permukaan membran membentuk cekungan seperti tampak pada Gambar 4.5b. Proses transpor ini terjadi pada daerah III dimana pada daerah ini terjadi kenaikan rapat arus difusi ion kembali seiring dengan kenaikan temperatur. Gradien grafik pada daerah III tersebut lebih rendah dari daerah I, dalam hal ini daerah dikatakan mencapai nilai asymtotic. a Gambar 4.5 (a) Membran kitosan sebelum digunakan. (b) Membran kitosan setelah digunakan transpor pada larutan elektrolit 1000 mm. 5. KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi beda konsentrasi dan temperatur larutan, maka nilai rapat arus difusi ion semakin meningkat. Kenaikan rapat arus difusi ion terhadap kenaikan suhu pada perbandingan konsentrasi yang rendah yaitu 0,1: 0,1, 1 : 0,1, 10 : 0,1 dan 100 : 0,1 menghasilkan kurva karakteristik rapat arus difusi ion daerah ohmik (daerah I). Sedangkan kenaikan rapat arus difusi ion pada perbandingan konsentrasi yang sangat tinggi yaitu 1000 : 0,1 menghasilkan kurva karakteristik rapat arus difusi ion dengan tiga daerah yaitu daerah I (daerah ohmik), daerah II (daerah plateau) dan daerah III (daerah asymtotic). b 6. UCAPAN TERIMA KASIH Penelitian ini secara finansial didukung oleh Kementerian Pendidikan Nasional, Republik Indonesia, di bawah dana Hibah Fundamental Penelitian, Universitas Udayana No: /UN14.2/PNL /2013 kami sangat berterimakasih. 7. REFERENSI 1. Savitri Emma, Natalia Soeseno dan Tokok Adiarto, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan : Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia. ISSN df Diakses pada tanggal Mariatna, Penggunaan Membran Kitosan untuk Menurunkan Kadar Logam Krom (Cr) dan Nikel (Ni) dalam Limbah Cair Industri Pelapisan Logam, Thesis, Universitas Sumatera Utara, Medan, Barbara Krajewska & Andrzej Olech, Polymer Gels and Nerworks 4, (1996). 4. Jae-Hwan Choi, Hong-Joo Lee dan Seung-Hyeon Moon, Journal of Colloid and Interface Science 238, (2001). 5. Hobbie, Russel K., Intermediate Physic for Medicine and Biology, Second Edition, Singapore: John Willey and Son, 1978, pp Sukardjo, Kimia Fisika, Jakarta: Bina Aksara, 1989, pp