BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Transkripsi

1 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Analisis difraksi sinar X serbuk ZrSiO 4 ZrSiO 4 merupakan bahan baku utama pembuatan membran keramik ZrSiO 4. Untuk mengetahui kemurnian serbuk ZrSiO 4, dilakukan analisis menggunakan teknik difraksi sinar-x. Difraktogram serbuk ZrSiO4 dapat dilihat pada gambar IV. Gambar IV.1 Difraktogram sinar X serbuk ZrSiO 4 Gambar IV.2 Difraktogram sinar-x serbuk ZrSiO 4 PDF 26

2 Nilai 2θ serbuk ZrSiO 4 yang diperoleh dari analisis difraksi sinar-x (Gambar IV.1) yaitu,02; 27,02; 35,58; 38,6;,64; 43,78; 47,6; 52,24; 53,64; 55,6; 62,9; 67,8; 68,74;,74;,76; 88,94. Jika hasil analisis tersebut dibandingkan dengan sudut 2θ yang diperoleh dari PDF (Gambar IV.2), serbuk ZrSiO 4 yang digunakan untuk pembuatan membran memiliki kemiripan 73,68%. Maka dapat dikatakan bahwa serbuk yang digunakan merupakan serbuk ZrSiO 4. IV.2 Pembuatan membran ZrSiO 4 Untuk membuat membran komposit keramik ZrSiO 4 -TiO 2, dibuat terlebih dahulu pendukung membran ZrSiO 4. Pendukung membran ini kemudian dilapisi dengan TiO 2 sebagai lapisan selektif membran pendukung. Pembuatan pendukung membran ZrSiO 4 dilakukan menggunakan metode sintering menghasilkan membran ZrSiO 4 yang keras dan tidak mudah pecah. Tahap sintering dimulai dengan mencetak serbuk ZrSiO 4 dengan cara uniaxial pressing menggunakan cetakan dengan diameter 2,475 cm. Sebelum digunakan, serbuk ZrSiO 4 diayak menggunakan ayakan berukuran 0 mesh, sehingga didapatkan ukuran serbuk yang lebih kecil. Serbuk awal ZrSiO 4 yang tidak diayak akan menghasilkan membran ZrSiO 4 yang mudah pecah, sedangkan serbuk ZrSiO 4 yang diayak, menghasilkan membran ZrSiO 4 yang keras dan tidak mudah pecah. Ukuran serbuk awal mempengaruhi kualitas membran ZrSiO 4 yang dihasilkan, saat di-sinter proses difusi antarmuka akan terjadi jika ukuran partikel lebih kecil. PVA yang digunakan sebagai zat pengikat (binder) yaitu PVA dengan BM PVA dengan BM yang lebih rendah menghasilkan membran ZrSiO 4 yang retak dan mudah pecah. PVA merupakan partikel yang dapat membentuk jembatan antara serbuk keramik sehingga PVA dengan BM yang lebih tinggi akan memberikan kekuatan melekat yang lebih besar. PVA juga merupakan aditif yang berfungsi mencegah terjadinya retak pada membran pada saat dipanaskan selama proses sintering. PVA yang kita gunakan sebagai pengikat terlebih dahulu dilarutkan dalam 27

3 air panas. Hal ini bertujuan agar serbuk PVA terdispersi lebih merata dalam campuran cetak membran ZrSiO 4. Pada saat dipanaskan pada suhu sintering, green compact ZrSiO 4 akan mengalami penyusutan. Besarnya penyusutan yang terjadi dapat dilihat pada Gambar IV.3. Penyusutan green compact ZrSiO 4 dengan komposisi 90: 0,2: 9,8 lebih besar dibandingkan komposisi 95: 0,1: 4,9. Penyusutan yang lebih tinggi dihasilkan pada suhu sintering yang lebih tinggi. Penyusutan berat 10 % Penyusutan Suhu Sintering ( o C) Gambar IV.3 Aluran penyusutan berat terhadap suhu sintering IV.3 Variasi komposisi Ukuran pori membran ZrSiO 4 dipengaruhi oleh perbedaan komposisi campuran membran ZrSiO 4, PVA dan air yang digunakan. Hal tersebut dapat kita lihat dari perbedaan fluks yang dihasilkan oleh membran ZrSiO 4 dengan berbagai komposisi yang bisa dilihat pada Gambar IV.4. Uji permeabilitas membran dilakukan pada 3 skala laju alir. 28

4 Membran ZrSiO 4 suhu sintering 10 o C 1 R 2 = R 2 = Laju Alir (L/jam) Membran ZrSiO 4 suhu sintering 1300 o C 1 R 2 = R 2 = Laju Alir (L/jam) (b) Membran ZrSiO 4 suhu sintering 10 o C 1 R 2 = 1 R 2 = Laju Alir (L/jam) (c) Gambar IV.4 Aluran fluks terhadap laju alir untuk membran pendukung ZrSiO 4 yang di-sinter pada berbagai suhu. 10 o C, (b) o C, dan (c). 10 o C 29

5 Gambar IV.4 memperlihatkan bahwa komposisi pendukung membran ZrSiO 4 dengan perbandingan 90: 0,2: 9,8 memiliki fluks yang lebih tinggi dibandingkan dengan fluks pendukung membran dengan komposisi 95: 0,1: 4,9. Berdasarkan hal tersebut, maka variasi komposisi membran ZrSiO 4 90: 0,2: 9,8 dipilih sebagai membran yang akan dilapisi dengan TiO 2. Konsentrasi aditif yang lebih rendah menghasilkan struktur membran yang lebih rapat, sehingga fluks air akan semakin rendah. Pada saat laju alir meningkat, maka fluks juga meningkat secara linier. Hal tersebut disebabkan karena gaya dorong yang besar akan lebih memudahkan umpan untuk berpermeasi melalui membran. IV.4 Variasi suhu sintering Ukuran pori pendukung membran ZrSiO 4 dipengaruhi oleh suhu sintering. Variasi suhu sintering yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 10, 1300 dan 10 o C. Secara kuantitatif, pori pendukung membran ZrSiO 4 tergambar oleh fluks yang dihasilkan membran pada tekanan yang sama. 1 Fluks pendukung membran untuk setiap komposisi pada berbagai suhu dapat dilihat pada gambar IV.5. Laju alir 157,61 L/jam Suhu Sintering ( o C) 30

6 Laju alir 283,43 L/jam Suhu Sintering ( o C) (b) Laju alir 283,43 L/jam Suhu Sintering ( o C) (c) Gambar IV.5 Aluran fluks pendukung membran ZrSiO 4 terhadap suhu sintering padaberbagai laju alir a. 157,61; b. 283,43; c. 381,02 L/jam Gambar IV.5 memperlihatkan bahwa suhu sintering 1300 o C menghasilkan nilai fluks yang paling tinggi, sehingga dipilih sebagai suhu sintering yang akan digunakan untuk menghasilkan pendukung membran ZrSiO 4 yang akan dilapisi dengan TiO 2. Fluks akan meningkat seiring dengan naiknya suhu sintering. (11) Hal ini dapat dilihat dari meningkatnya fluks pendukung membran ZrSiO 4 yang di-sinter pada suhu 10 dan 1300 o C. Untuk suhu sintering 10 o C, fluks pendukung membran ZrSiO 4 31

7 terhadap air menurun. Hal ini disebabkan karena suhu o C merupakan zona transisi zirkon. (11) Pada zona transisi ini terjadi proses pemadatan yang menyebabkan porositas menurun, sedangkan proses penyusutan pendukung membran akan meningkat. IV.5 Membran ZrSiO 4 -TiO 2 1 ZrSiO4 ZrSiO4-TiO2 R 2 = Fluks (L/jam m2) R 2 = Laju Alir (L/jam) Permeabilitas membran ZrSiO 4 -TiO 2 Air Larutan Pb(II) R 2 = R 2 = Laju Alir (L/jam) (b) Gambar IV.6 Aluran fluks membran ZrSiO 4 -TiO 2 terhadap laju alir larutan umpan air, (b) larutan umpan Pb(NO 3 ) 2 32

8 Gambar IV.6. menunjukkan fluks terhadap air pendukung membran ZrSiO 4 dan membran ZrSiO 4 yang telah dilapisi dengan TiO 2. Membran ZrSiO 4 -TiO 2 memiliki fluks yang lebih kecil dibandingkan pendukung membran ZrSiO 4. Hal ini terjadi karena partikel TiO 2 yang menutupi permukaan membran ZrSiO 4 memiliki ukuran partikel yang lebih kecil daripada partikel ZrSiO 4, sehingga secara keseluruhan membran ZrSiO 4 -TiO 2 memiliki struktur yang lebih rapat daripada pendukung membran ZrSiO 4. Gambar IV.6.(b) memperlihatkan fluks membran ZrSiO 4 -TiO 2 terhadap air dan larutan Pb(II). Pada laju alir 157,61 L/jam dan 283,43 L/jam membran ZrSiO 4 -TiO 2 menunjukkan fluks yang lebih rendah dibandingkan fluks pendukung membran ZrSiO 4. Pada laju alir 381,02 L/jam membran ZrSiO 4 -TiO 2 menunjukkan fluks terhadap larutan Pb(II) yang lebih tinggi dibandingkan terhadap air. Hal ini disebabkan karena pada laju alir tersebut lapisan TiO 2 terlepas dari pendukung membran ZrSiO 4. Rapatnya struktur membran ZrSiO 4 -TiO 2 dibandingkan pendukung membran ZrSiO 4 dapat dikonfirmasi oleh analisis morfologi permukaan dan penampang lintang pendukung membran ZrSiO 4 dan membran ZrSiO 4 -TiO 2 (Gambar IV.7) (b) 33

9 (c) (d) Gambar IV.7 Gambar morfologi SEM. penampang melintang membran ZrSiO 4, (b).penampang melintang membran ZrSiO 4 -TiO 2, (c). permukaan membran ZrSiO 4, (d). permukaan membran ZrSiO 4 -TiO 2 Gambar IV.7 b menunjukkan lapisan TiO 2 yang menutupi membran ZrSiO 4 dengan ketebalan >50 μm. Gambar IV.7.d. memperlihatkan bahwa ada partikel yang halus menutupi permukaan pendukung membran yang telah dilapisi oleh TiO 2. Dapat diamati juga bahwa partikel TiO 2 (Gambar IV.7.d) memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan partikel pembentuk pendukung membran ZrSiO 4 (Gambar IV.7.c). Kecilnya ukuran partikel TiO 2 menghasilkan membran ZrSiO 4 -TiO 2 dengan struktur yang lebih rapat dibandingkan pendukung membran ZrSiO 4. Analisis morfologi permukaan pendukung membran ZrSiO 4 menunjukkan bahwa membran ZrSiO 4 merupakan membran yang memiliki pori berukuran mikro. Tabel IV.1. Hasil EDX membran ZrSiO 4 Unsur Senyawa O - Al K Al 2 O 3 Si K SiO 2 Zr L ZrO 2 34

10 Tabel IV.2. Hasil EDX membran ZrSiO 4 -TiO 2 Unsur Senyawa O - Ti K TiO 2 EDX membran ZrSiO 4 -TiO 2 (Tabel IV.2) tidak memperlihatkan adanya senyawa SiO 2 dan ZrO 2 yang teramati pada pendukung membran ZrSiO 4 (Tabel IV.1). Hal ini mungkin terjadi karena lapisan TiO 2 yang terlalu tebal, sehingga instrumen SEM- EDX tidak bisa memindai lapisan pendukung membran ZrSiO 4. EDX hanya bisa memindai unsur dengan kedalaman 2 μm. IV.6 Selektivitas membran ZrSiO 4 -TiO 2 Konsentrasi(ppm) Umpan Permeat Waktu (menit) Konsentrasi(ppm) Umpan Permeat Waktu (menit) (b) Gambar IV.8 Aluran konsentrasi Pb dalam umpan dan permeat terhadap waktu. membran 1, (b). membran 2 Untuk mempelajari selektivitas membran ZrSiO 4 -TiO 2, membran ditempatkan dalam sel aliran kontinu yang berisi larutan Pb(NO 3 ) 2. Gambar IV.8. memperlihatkan terjadinya penurunan konsentrasi Pb +2 yang terkandung dalam fasa umpan, sedangkan konsentrasi Pb +2 dalam permeat relatif stabil. Hal ini menjadi petunjuk bahwa terjadi penyerapan Pb +2 oleh membran ZrSiO 4 -TiO 2. Dari data tersebut, dapat dihitung koefisien rejeksi membran ZrSiO 4 -TiO 2 menggunakan persamaan II.2. 35

11 Koefisien ejeksi (%) Waktu (menit) Koefisien rejeksi (%) Waktu (menit) (b) Koefisien rejeksi (%) Waktu (menit) (c) Gambar IV.9 Aluran koefisien rejeksi membran ZrSiO 4 -TiO 2 terhadap larutan Pb(II). membran 1, (b) membran 2, (c) rata-rata Gambar IV.9.c. menunjukkan koefisien rejeksi membran ZrSiO 4 -TiO 2 yang relatif stabil pada kisaran 91,46 %. Koefisien rejeksi tersebut diperoleh dengan merataratakan koefisien rejeksi membran 1 dan 2. Hal ini menunjukkan proses pemisahan larutan Pb(II) menggunakan membran ZrSiO 4 -TiO 2 memberikan hasil yang baik. Terjadinya penyerapan Pb 2+ oleh membran ZrSiO 4 -TiO 2 dapat dikonfirmasi melalui percobaan sederhana yaitu dengan merendam membran ZrSiO 4 -TiO 2 dalam larutan Pb(NO 3 ) 2. Penyerapan Pb 2+ oleh membran ZrSiO 4 -TiO 2 akan meningkat seiring dengan waktu (Tabel IV.3). 36

12 Tabel IV.3. Data penyerapan Pb oleh membran ZrSiO 4 -TiO 2 Waktu Konsentrasi awal Konsentrasi akhir Penyerapan (ppm) (ppm) (ppm) 197 menit 71,570 65,262 6, jam menit 78,445 66,592 11,853 Gambar IV.10. merupakan hasil analisis morfologi permukaan membran ZrSiO 4 -TiO 2 menggunakan SEM-EDX. Membran yang digunakan yaitu membran yang telah diuji selektivitasnya terhadap larutan Pb 2+ dalam sel aliran kontinu. Foto SEM membran ZrSiO 4 -TiO 2 memperlihatkan adanya perbedaan antara membran ZrSiO 4 -TiO 2 sebelum dan setelah diuji selektivitasnya menggunakan larutan Pb 2+. Hal ini membuktikan bahwa Pb 2+ tertahan oleh membran ZrSiO 4 -TiO 2. Analisis EDX juga memperlihatkan adanya kandungan Pb 2+ yang tertahan di dalam membran ZrSiO 4 - TiO 2 (Tabel IV.4) 37

13 (b) Gambar IV.10 Morfologi permukaan membran ZrSiO 4 -TiO 2. sebelum, (b). setelah diuji selektivitasnya menggunakan larutan Pb(II) Tabel IV.4. Hasil EDX membran ZrSiO 4 -TiO 2 setelah diuji dengan larutan Pb(II) Unsur Senyawa O - Si K SiO 2 Ti K TiO 2 Zr L ZrO 2 Pb M PbO 38