III. METODE PENELITIAN

Transkripsi

1 21 III. METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian dilaksanakan pada Bulan Februari hingga Desember Pembuatan dan karakterisasi arang aktif dilakukan di Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan, Departemen Kehutanan Bogor. Proses sintesis dan karakterisasi membran dilakukan di Laboratorium Biofisika, Fakultas MIPA, Institut Pertanian Bogor. Khusus untuk karakteristik morfologi membran, dilakukan di Laboratorium Geologi Kuarter, Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Bandung. 3.2 Bahan dan Alat Bahan baku pembuatan karbon/arang aktif adalah kayu sengon (Paraserienthes falcataria) dari PD. Wijaya Kayu Ciampea, Kabupaten Bogor, dan limbah tempurung kelapa (Cocos nucifera) dari beberapa kios sembako di Ciomas, Kota Bogor. Sebagai bahan sintesis membran, digunakan polimer polisulfon (Aldrich), pelarut N,N-dimethylacetamide (DMAc) (Sigma Aldrich), dan air destilasi sebagai koagulan. Bahan kimia lain untuk pembuatan dan karakterisasi arang aktif adalah kalium hidroksida (KOH), natrium tiosulfat (Na 2 S 2 O 3 ), benzena (C 6 H 6 ), kloroform (CHCl 3 ), iod (I 2 ), dan larutan kanji. Untuk pengarangan dan aktifasi karbon, digunakan tungku pengarangan (retort pirolisis) dan retort aktivasi. Plat kaca, batang silinder kaca, dan selotip digunakan sebagai media pencetakan membran. Alat preparasi sampel lain di antaranya adalah gelas beker, gelas ukur, labu erlenmeyer, labu takar, cawan petri, pipet tetes, alat titrasi, kertas saring, hot plate stirrer, magnetic stirrer, ultrasonic processor (Cole Parmer), desikator, tanur, oven, inkubator, dan mesin gerus arang. Sedangkan alat ukur yang digunakan adalah neraca analitis, mikrometer, jangka sorong, mistar, stopwatch, dan termometer. Karakterisasi struktur kristalit arang aktif dan membran dilakukan dengan X-Ray Diffractometer (XRD) Shimadzu seri XRD7000 Maxima 40 kv. Konduktivitas listrik arang aktif dan membran diukur dengan LCRmeter Hioki Hi-Tester 5 MHz. Analisis struktur morfologi dilakukan dengan

2 22 Scanning Electron Microscope (SEM) ZEISS seri EVO 20 kv untuk arang aktif, dan SEM JEOL JSM-6063 LA untuk membran. Karakteristik fluks dan kuat mekanik membran diuji dengan alat uji fluks tipe cross-flow dan sensor gaya PASCO CI-6746 dengan ScienceWorkshop 750 Interface. 3.3 Diagram Alir Penelitian Seluruh rangkaian kegiatan dan tahapan penelitian yang dilakukan dapat diilustrasikan dengan diagram alir pada Gambar 8 dan Gambar 9. Tempurung Kelapa; Kayu Sengon Karbonisasi (500 O C, 4 Jam) Perendaman dalam KOH 10% (24 Jam) Penumbukan (0,5 0,8 cm) Aktivasi dengan H 2 O (850 O C; 80,110 menit) Tanpa perendaman Arang Arang aktif Analisis: - Rendemen - Kadar air, abu, karbon, zat terbang - Daya serap benzena, kloroform, dan iod. Karakterisasi: - XRD - SEM - Konduktivitas listrik Penyeleksian berdasarkan struktur pori Arang aktif optimum untuk aplikasi membran Gambar 8 Proses pembuatan dan karakterisasi arang dan arang aktif

3 23 Gambar 8 menunjukkan diagram alir untuk proses pembuatan dan karakterisasi arang dan arang aktif, dengan bahan baku kayu sengon atau tempurung kelapa, yang merupakan tahap pertama penelitian. Tahap kedua adalah proses sintesis dan karakterisasi membran polisulfon yang didadah karbon aktif, sebagaimana ditampilkan pada Gambar 9. Polisulfon + Karbon Aktif 0, 2, 6% (b/b) Dilarutkan dalam DMAc 99%, 24 Jam Homogenisasi (Stirring 1 jam dan Sonikasi 1 jam) Larutan Cetak (Dope) Pencetakan Membran (Teknik Inversi Fasa) Membran Karakterisasi Membran Fluks membran Derajat pengikatan air Konduktansi membran Kuat mekanik SEM XRD Gambar 9 Proses sintesis dan karakterisasi membran polisulfon didadah karbon aktif

4 Metode Penelitian Pembuatan Arang dan Arang Aktif Arang dibuat dari dua bahan baku, yaitu tempurung kelapa dan kayu sengon. Perlakuan yang sama diberikan pada kedua jenis bahan. Bahan baku dikarbonisasi pada retort pirolisis dengan pemanas listrik, pada suhu 500 o C selama 4 jam, lalu didinginkan ± 24 jam. Sebagian arang dihaluskan untuk karakterisasi dan sebagian lagi diproses untuk aktivasi. Sebelum proses pengaktifan arang pada retort aktivasi, arang dibagi menjadi dua perlakuan, yakni tanpa perendaman dan dengan perendaman dalam larutan kalium hidroksida (KOH) teknis, konsentrasi 10% (b/b). Arang direndam selama 24 jam, lalu ditiriskan hingga kering pada suhu ruang. Perendaman ini merupakan proses aktivasi kimia. Masing-masing jenis arang (tanpa dan dengan perendaman) selanjutnya diaktivasi secara fisika, menggunakan retort aktivasi yang terbuat dari bahan baja anti karat, dan dililit dengan elemen kawat nikelin sebagai pemanas. Aktivasi dilakukan pada suhu 850 o C, dengan memberikan aliran uap air panas (steam) selama 80 dan 110 menit. Variasi perlakuan arang aktif selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3 Variasi perlakuan aktivasi arang aktif Perlakuan Bahan baku arang Lama steam Perendaman kimia (menit) KOH 10% 80 KOH 10% 110 Tempurung kelapa Kayu sengon KOH 10% KOH 10% Kode arang aktif AAT KOH-80 AAT KOH-110 AAT-80 AAT-110 AAS KOH-80 AAS KOH-110 AAS-80 AAS Penetapan Mutu Arang Aktif Pengujian mutu arang dan arang aktif dilakukan dengan prosedur sesuai Standar Nasional Indonesia (SNI) tentang arang aktif teknis. Pengujian meliputi penetapan rendemen, kadar air, abu, zat terbang, karbon, serta daya serap terhadap benzena, kloroform, dan iod, dengan 2 kali ulangan.

5 25 a. Rendemen Rendemen atau perolehan arang aktif dihitung melalui perbandingan berat arang setelah diaktivasi, terhadap berat bahan baku sebelum diaktivasi. Massa arang aktif Rendemen (%) = x 100% (9) Massa bahan baku b. Kadar Air (SNI ) Sejumlah 1 gram contoh arang aktif dimasukkan ke dalam cawan petri, lalu dikeringkan dalam oven selama 3 jam pada suhu 110 o C. Hasil pengeringan selanjutnya didinginkan dalam desikator dan ditimbang sampai massanya konstan. Massa basah Massa kering Kadar air (%) = x 100% (10) Massa basah c. Kadar Abu (SNI ) Contoh arang aktif sebanyak 1 gram dimasukkan ke dalam cawan petri yang telah diketahui massanya, lalu dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu 750 o C selama 6 jam. Contoh kemudian didinginkan dalam desikator dan ditimbang hingga massanya tetap. Massa sisa contoh Kadar abu (%) = x 100% (11) Massa contoh awal d. Kadar Zat Terbang (SNI ) Kadar zat terbang ditentukan dengan memasukkan 1 gram contoh arang aktif ke dalam cawan porselin yang telah diketahui beratnya, selanjutnya dipanaskan dalam tanur listrik pada suhu 950 o C selama 10 menit. Setelah itu didinginkan dalam desikator dan ditimbang sampai massanya konstan. Penurunan massa contoh Kadar zat terbang (%) = x 100% (12) massa contoh awal e. Kadar Karbon (SNI ) Besarnya kadar karbon dalam arang aktif diperoleh dengan jalan pengurangan dari kadar abu dan kadar zat terbang. Kadar karbon (%) = 100% - (Kadar abu + Kadar zat terbang) (13)

6 26 f. Daya Serap Iod (SNI ) Contoh arang aktif ditimbang sebanyak 0.25 gram, lalu dimasukkan ke dalam botol bertutup dengan warna gelap. Sebanyak 25 ml larutan iod 0,1 N ditambahkan ke dalam botol, lalu dikocok selama 15 menit pada suhu kamar. Larutan kemudian disaring, hasilnya dipipet sebanyak 10 ml dan dititrasi dengan larutan natrium tiosulfat 0,1 N, hingga diperoleh larutan berwarna kuning muda. Beberapa tetes larutan kanji 1% dapat ditambahkan pada larutan sebagai indikator. Larutan dititrasi kembali hingga bening tak berwarna. Vtio x N tio Viod x x fp N iod Daya serap iod (mg/g) = (14) M Keterangan : V iod V tio N iod N tio fp M = Volume iod sebagai titran (ml) = Volume natrium tiosulfat sebagai titrat (ml) = Normalitas iod (N) = Normalitas natrium tiosulfat (N) = Faktor pengenceran = Massa arang aktif (g) g. Daya Serap Uap Benzena dan Kloroform Sebanyak 1 gram contoh arang aktif dimasukkan ke dalam cawan petri, lalu ditempatkan dalam desikator yang telah dijenuhkan dengan uap benzena atau uap kloroform selama 24 jam. Selanjutnya contoh ditimbang, di mana sebelumnya dibiarkan dulu selama 5 menit pada udara terbuka, untuk menghilangkan uap yang tertempel pada permukaan kaca. Massa uap yang terserap Daya serap (%) = x 100% (15) Massa contoh awal Karakterisasi Arang Aktif a. Struktur Kristalit Struktur kristalit arang dan arang aktif dianalisis dengan difraksi sinar-x, menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD). Analisis ini bertujuan untuk mengetahui derajat kristalinitas (X), jarak antar lapisan (d), tinggi lapisan (Lc),

7 27 lebar lapisan (La), dan jumlah lapisan aromatik (N) pada arang dan arang aktif, dengan sumber radiasi tembaga (Cu). Penetapan nilai parameter tersebut dilakukan menurut Iguchi (1997) serta Kercher dan Nagle (2003). Struktur kristalit diilustrasikan pada Gambar 10. Perhitungan untuk mengetahui struktur kristalit arang dan arang aktif dirumuskan sebagai berikut: Bagian kristal Derajat kristalinitas : X = x 100% (16) Bagian kristal + Bagian amorf Jarak antar lapisan aromatik (d 002 ) : λ = 2 d sin θ (17) Tinggi lapisan aromatik (Lc) : Lc (002) = K λ / β cos θ (18) Lebar lapisan aromatik (La) : La (100) = K λ / β cos θ (19) Jumlah lapisan aromatik (N) : N = L c /d (20) di mana: λ = nm (panjang gelombang radiasi sinar Cu) β = Intensitas ½ tinggi dan lebar intensitas difraksi (radian θ) K = Tetapan untuk lembaran grafit (0.89) θ = Sudut difraksi Gambar 10 Skema struktur kristalit arang dan arang aktif; dengan jarak antar lapisan (d), tinggi lapisan (Lc), lebar lapisan (La), dan jumlah lapisan aromatik (N) b. Konduktivitas Listrik Konduktivitas adalah ukuran ilmiah tentang kemampuan material dalam mengalirkan arus listrik yang melaluinya. Konduktivitas merupakan kebalikan dari resistivitas atau sifat tahanan jenis bahan. Penentuan nilai konduktivitas arang dan arang aktif dilakukan dengan LCRmeter (Gambar 11). Sampel yang telah

8 28 dihaluskan, ditimbang sebanyak 0.3 gram, lalu dimasukkan ke dalam tabung konduktor berdiameter mm. Nilai konduktivitas sampel diukur pada arus bolak-balik (AC), dalam rentang frekuensi 50 Hz - 5 MHz dan tegangan 1 V. Ketebalan sampel dalam tabung diukur menggunakan jangka sorong. Nilai konduktivitas listrik dihitung dengan persamaan berikut (Purwanto et al. 2007): d σ = G (21) A dengan σ adalah konduktivitas listrik (S/m), G adalah nilai konduktansi yang terukur (Siemens), d adalah ketebalan sampel (m), dan A merupakan luas penampang dalam tabung sebagai tempat sampel (m 2 ). Gambar 11 Pengukuran konduktivitas listrik arang dan arang aktif c. Analisis Morfologi Permukaan Analisis morfologi permukaan arang dan arang aktif dilakukan dengan mikroskop elektron, pada tegangan operasi 20 kv. Pengambilan foto SEM dilakukan pada bahan baku tempurung kelapa dan kayu sengon, serta arang dan arang aktifnya, dengan perbesaran 500 kali Sintesis Membran dengan Dadah Arang Aktif Teknik pembuatan membran yang digunakan adalah metode inversi fasa. Proses pembuatannya melalui dua tahap, yaitu pembuatan larutan cetak atau dope, dan pencetakan membran untuk memperoleh lapisan tipis padat membran. Pembuatan membran polisulfon dilakukan dengan mencampurkan bahan polimer polisulfon dan karbon aktif sebagai bahan terlarut, dan dimethylacetamid (DMAc) sebagai pelarut. Komposisi larutan membran terdiri atas 12% polisulfon,

9 29 karbon aktif dengan variasi konsentrasi 0, 2, dan 6% (b/b), dan sisanya adalah pelarut DMAc, dengan massa total larutan cetak 10 gram. Nilai perbandingan ini didasarkan pada penelitian Romli et al. (2006), yang melakukan uji permeabilitas membran polisulfon terhadap air, dengan fluks tertinggi diperoleh pada konsentrasi polisulfon 12%. Variasi komposisi membran disajikan pada Tabel 4. Tabel 4 Perbandingan fraksi massa polisulfon, karbon aktif, dan DMAc Jenis Bahan Terlarut (gr) Pelarut Total Kode membran Polisulfon Karbon aktif DMAc (gr) massa (gr) membran Polisulfon PS-TKP* PS-TKP PS-Sengon PS-Sengon PSM PST 2% PST 6% PSS 2% PSS 6% * PS: Polisulfon, TKP: Tempurung kelapa Setelah penimbangan, masing-masing bahan dimasukkan ke dalam gelas beker dan ditutup kertas alumunium foil untuk menghindari penguapan pelarut. Larutan membran disimpan pada suhu ruang selama 24 jam, agar seluruh bagian polisulfon dan karbon aktif terlarut dalam DMAc. Selanjutnya membran distiring selama 1 jam dengan kecepatan 300 rpm dan disonikasi selama 1 jam dengan amplitudo 25%, agar campuran larutan lebih homogen. Gambar 12 Proses pencetakan membran dengan metode inversi fasa

10 30 Langkah kedua adalah proses pencetakan membran, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 12. Larutan cetak dituangkan ke atas plat kaca yang telah dibatasi selotip berketebalan 0,05 mm pada kedua sisinya, kemudian diratakan dengan batang silinder kaca agar menjadi lapisan tipis. Plat kaca bersama lapisan membran kemudian dikoagulasikan (dicelupkan) ke dalam nampan berisi aquades sebagai non pelarut. Selama pencelupan, membran polisulfon-karbon aktif terbentuk. Membran selanjutnya dilepaskan dari plat kaca dan tetap disimpan dalam aquades sampai dilakukan proses karakterisasi Karakterisasi Membran a. Fluks Membran Ukuran kecepatan suatu spesi tertentu untuk melalui membran disebut sebagai permeabilitas membran. Permeabilitas dinyatakan sebagai aliran fluks permeat melewati membran tiap satu satuan waktu. Nilai fluks membran dapat diperoleh dengan persamaan berikut (Kertesz et al. 2009): J 1 dv = (22) A dt Di mana J merupakan nilai fluks (L/m 2.jam), V adalah volume permeat (L), A adalah luas area filtrasi membran (m 2 ), dan t adalah waktu (jam). (b) (a) (c) Gambar 13 Pengujian fluks membran dengan metode cross flow; (a) skema aliran, (b) alat uji fluks tipe cross-flow, (c) modul membran

11 31 Uji fluks dilakukan dengan metode cross flow (Gambar 13). Pada metode ini, umpan mengalir melalui suatu membran, di mana hanya sebagian umpan yang melewati membran untuk menghasilkan permeat, sedangkan aliran pelarut atau cairan pembawa akan melewati permukaan membran, sehingga larutan, koloid, dan padatan tersuspensi yang tertahan oleh membran akan terus terbawa menjadi aliran balik (Li et al. 2008). Pengujian fluks dilakukan dengan bahan filtrat air destilasi. Air pada wadah umpan dipompa dengan tekanan tetap 5 psi (tekanan trans membran 2.5 psi). Pertambahan volume air yang tersaring oleh membran diukur setiap 30 detik selama 15 menit. b. Derajat Pengikatan Air Penentuan derajat serapan air dilakukan melalui penimbangan membran saat kering dan basah. Membran kering dipotong dengan ukuran 3x3 cm, ditimbang dengan neraca analitis, lalu direndam dalam aquades bersuhu 40 o C selama 24 jam. Setelah perendaman, seluruh permukaan membran dikeringkan dengan tisu dan kertas saring, lalu ditimbang kembali. Derajat pengikatan air oleh membran (W) dihitung dengan persamaan berikut: Wb Wk W (%) = x 100% (23) W W b dan W k masing-masing adalah massa membran (gr) saat basah dan kering. k c. Konduktansi dan Porositas Penentuan konduktansi dan porositas membran didasarkan pada metode yang dilakukan oleh Smith et al. (1992), dengan beberapa modifikasi pada alat dan proses pengukuran. Konduktansi diukur pada suatu media chamber, dengan mengalirkan larutan elektrolit NaCl melewati membran. Bagian lapisan aktif membran dihadapkan pada larutan NaCl dengan molaritas lebih tinggi yakni 1 M dan sisi lainnya dengan larutan NaCl 0.1 M, di mana aliran ion mengalir dari molaritas tinggi ke rendah. Besarnya aliran ion melalui membran diukur sebagai nilai konduktansi, menggunakan LCRmeter yang dihubungkan dengan 2 buah elektroda AgCl pada kedua sisi membran. Pengukuran dilakukan pada arus AC dengan frekuensi 1 khz dan tegangan masukan 1 V. Nilai konduktansi (G) diukur

12 32 dengan variasi suhu larutan (T) o C. Untuk memanaskan larutan NaCl, chamber diletakkan pada waterbath kaca berisi air, yang dipanaskan dengan pemanas listrik. Proses pengukuran konduktansi membran diilustrasikan pada Gambar 14. Pertambahan nilai konduktansi terhadap kenaikan suhu diplotkan dalam kurva ln G terhadap 1/T. Kemiringan atau gradien kurva digunakan untuk menentukan perubahan energi diri membran dan jari-jari pori membran. Gambar 14 Pengukuran konduktansi membran Perubahan energi diri (ΔU) membran ditentukan dengan persamaan berikut: ΔU = B k (24) Di mana B adalah gradien dari grafik hubungan konduktansi (ln G) terhadap suhu (1/T), dan k adalah nilai konstanta Boltzman ( x J/K). Dengan mengetahui nilai energi diri, maka dapat diperoleh ukuran jari-jari pori membran: b = 2 2 z q α 4π ε ε U 0 m Δ (25)

13 33 Keterangan: b = Jari-jari pori membran (m) z = Bilangan valensi ion (untuk NaCl = 1) q = Muatan ion (1.6 x C) α = Konstanta geometri dan dielektrik (pendekatan 0.2) ε o = Permitivitas ruang hampa/konstanta resapan (8.85 x F/m) ε m = Konstanta dielektrik membran (3-4) d. Kuat Mekanik Pengukuran kuat mekanik meliputi kuat tekan dan tarik membran, menggunakan sensor gaya. Sampel membran yang diuji memiliki luasan 3x2 cm. Membran ditekan atau ditarik hingga robek dengan sensor gaya (Gambar 15). Sensor diintegrasikan langsung dengan komputer, sehingga data pengukuran ketika gaya diberikan dapat langsung terbaca melalui software sensor. (a) (b) Gambar 15 Pengukuran kuat mekanik membran; (a) kuat tekan, (b) kuat tarik e. Analisis Morfologi Analisis membran dengan SEM dilakukan untuk mengamati struktur morfologi permukaan dan penampang lintang membran. Foto SEM dilakukan pada tiga bagian membran, yaitu pada penampang atas dan bawah dengan perbesaran kali, serta penampang samping dengan perbesaran 500 kali. f. Analisis Struktur Kristalit Analisis struktur dengan XRD dilakukan untuk mengetahui struktur kristalit membran polisulfon murni tanpa dadah, serta perubahannya setelah didadah dengan karbon aktif tempurung kelapa dan kayu sengon.

14 Rancangan Percobaan Data arang berupa rendemen, kadar air, kadar abu, kadar zat terbang, dan kadar karbon terikat untuk arang dari bahan baku tempurung kelapa dan kayu sengon dianalisa secara deskriptif. Sedangkan kadar air, kadar abu, kadar zat terbang, kadar karbon terikat, serta daya serap terhadap iod, benzena, dan kloroform dari arang aktif yang dihasilkan, dianalisis menggunakan rancangan acak lengkap faktorial dengan 3 variasi perlakuan: A = Jenis arang; tempurung kelapa (A1), kayu sengon (A2), B = Perendaman kimia; perendaman dengan KOH 10% (B1) dan tanpa perendaman (B2), C = Lama aktivasi; 80 menit (C1) dan 110 menit (C2). Berikut adalah model persamaan analisisnya: Y ijkl = µ + A i + B j + (AB) ij + C k + (AC) ik + (BC) jk + (ABC) ijk + ε ijkl (26) Keterangan: Y ijk = Nilai pengamatan pada perlakuan A taraf ke-i, perlakuan B taraf ke-j, perlakuan C taraf ke k, dan ulangan ke-l µ = Rataan umum A i = Pengaruh utama perlakuan A taraf ke-i B j = Pengaruh utama perlakuan B taraf ke-j C k = Pengaruh utama perlakuan C taraf ke-k (AB) ij = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i dan B taraf ke-j (AC) ik = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i dan C taraf ke-k (BC) jk = Pengaruh utama interaksi perlakuan B taraf ke-j dan C taraf ke-k (ABC) ijk = Pengaruh utama interaksi perlakuan A taraf ke-i, B taraf ke-j, dan perlakuan C taraf ke-k ε ijkl = Pengaruh acak yang menyebar normal (0,σ 2 ) Hasil analisis kemudian diuji lanjut dengan uji perbandingan antar perlakuan, menggunakan metode beda nyata terkecil (BNT) (Matjik dan Sumertajaya 2006).