PENDAHULUAN. Latar Belakang

Transkripsi

1 1 Latar Belakang PENDAHULUAN Hidrogen Sulfida (H 2 S), adalah gas beracun yang sangat berbahaya. Dalam waktu singkat gas ini dapat melumpuhkan sistem pernafasan dan dapat mematikan seseorang yang menghirupnya. Pada konsentrasi rendah, H 2 S memiliki bau seperti telur busuk, namun pada konsentrasi tinggi, bau telur busuk tidak tercium lagi, karena secara cepat gas H 2 S melumpuhkan sistem syaraf dan mematikan indera penciuman [1]. Pada dasarnya semua sulfur yang memasuki atmosfer diubah dalam bentuk SO 2, dimana SO 2 sangat berbahaya karena langsung dapat meracuni makhluk di sekitarnya, dapat mengakibatkan iritasi saluran pernafasan dan kenaikan rekresi mucus. Orang yang mempunyai pernafasan lemah sangat peka terhadap kandungan SO 2 yang tinggi di atmosfer. Dengan konsentrasi 500 ppm, dapat menyebabkan kematian pada manusia [2]. Karena adanya kesadaran akan bahaya gas tersebut, maka banyak penelitian yang dilakukan untuk mendeteksi keberadaan gas H 2 S, salah satunya dengan menggunakan serat optik. Beberapa tahun terakhir ini, serat optik berkembang dan dimanfaatkan sebagai sensor, diantaranya adalah sensor gas. Pada penelitian kali ini akan digunakan dye methyl violet sebagai cladding sensitif untuk mendeteksi keberadaan gas H 2 S. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk membuat sensor serat optik yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan gas H 2 S. Hidrogen Sulfida TINJAUAN PUSTAKA Hidrogen sulfida (H 2 S), dihasilkan dari proses pembusukan bahan-bahan organik yang mengandung belerang oleh bakteri anaerob, juga sebagai hasil reduksi dengan kondisi anaerob terhadap sulfat oleh mikroorganisme dan sebagai salah satu bahan pencemar gas yang dikeluarkan dari air panas bumi [2]. Belerang terdapat secara luas di alam sebagai unsur, sebagai H 2 S dan SO 2, dalam bijih sulfida logam dan sebagai sulfat seperti gips dan anhidrit (CaSO 4 ), magnesium sulfat, dan sebagainya [3]. Belerang dapat ditemukan dengan cukup mudah, salah satunya di dalam air. Secara umum sebagian besar belerang yang terdapat dalam air adalah S (IV) dalam ion sulfat, SO Dalam kondisi anaerobik SO 4 dapat direduksi oleh aktifitas bakteri menjadi H 2 S, HS -, atau garam sulfid yang tidak larut. Gas H 2 S yang dihasilkan dari reduksi sulfat tersebut menyebabkan bau telur busuk yang dikeluarkan oleh air yang tergenang dan airair tanah [2]. Gas H 2 S juga terdapat di atmosfer. Sejumlah bahan pencemar anorganik berbentuk gas masuk ke atmosfer sebagai hasil dari aktifitas manusia, salah satunya adalah H 2 S, yang jumlahnya relatif kecil jika dibandingkan gas CO 2 dalam atmosfer. Secara global senyawa-senyawa belerang dalam jumlah cukup besar masuk ke atmosfer melalui aktivitas manusia sekitar 100 juta metrik ton belerang setiap tahunnya, terutama sebagai SO 2 dari pembakaran batu bara dan gas buang pembakaran bensin. Jumlah yang cukup besar dari senyawa belerang juga dihasilkan oleh kegiatan gunung berapi dalam bentuk H 2 S, proses perombakan bahan organik, dan reduksi sulfat secara biologis. Jumlah yang dihasilkan dari proses biologis ini dapat mencapai kurang lebih 1 juta metrik ton H 2 S per tahun. Pada dasarnya semua sulfur yang memasuki atmosfer diubah dalam bentuk SO 2, dan hanya 1% atau 2% saja sebagai SO 3. SO 2 sangat berbahaya karena langsung dapat meracuni makhluk di sekitarnya, dapat mengakibatkan iritasi saluran pernafasan dan kenaikan rekresi mucus. Orang yang mempunyai pernafasan lemah sangat peka terhadap kandungan SO 2 yang tinggi di atmosfer. Dengan konsentrasi 500 ppm, dapat menyebabkan kematian pada manusia. Tidak hanya pada manusia, belerang dioksida juga berbahaya bagi tanaman, karena adanya gas ini dengan konsentrasi yang tinggi dapat membunuh jaringan pada daun (necrosis daun). Kerusakan lebih lanjut dialami oleh bangunan yang bahan-bahannya seperti batu kapur, batu pualam, dan dolomit akan rusak oleh SO 2 dari udara. Efek dari kerusakan ini akan nampak dari penampilannya, integritas struktur, dan umur dari gedung tersebut [2]. Peralatan metal juga dapat retak karena H 2 S, hal ini disebabkan metal menderita tingkat tarikan yang tinggi di daerah korosif H 2 S. hampir semua metal berekasi dengan H 2 S dan membentuk metal sulfida. Hal ini dapat

2 2 menimbulkan terjadinya kerusakan pada peralatan yang terbuat dari metal, kerusakan pada pipa dapat menyebabkan pipa patah secara mendadak [1]. Hidrogen Sulfida (H 2 S), adalah gas beracun yang sangat berbahaya. Dalam waktu singkat gas ini dapat melumpuhkan sistem pernafasan dan dapat mematikan seseorang yang menghirupnya. Pada konsentrasi rendah, H 2 S memiliki bau seperti telur busuk, namun pada konsentrasi tinggi, bau telur busuk tidak tercium lagi, karena secara cepat gas H 2 S melumpuhkan sistem syaraf dan mematikan indera penciuman. Gas H 2 S bersifat ekstrim racun yang menempati kedudukan kedua setelah hidrogen sianida (HCN), dan sekitar lima kali lebih beracun dari karbon monoksida (CO). Gas H 2 S sangat berbahaya jika terhirup masuk ke saluran pernafasan. Jika jumlah gas H 2 S yang terserap ke dalam sistem peredaran darah melampaui kemampuan oksidasi dalam darah, akan menimbulkan keracunan terhadap sistem syaraf. Setelah itu dengan segera diikuti terjadinya sesak nafas dan kelumpuhan pernafasan, pada konsentrasi tinggi. Jika penderita tidak segera dipindahkan ke ruangan berudara segar dan diberikan bantuan pernafasan maka akan segera terjadi kematian akibat kelemasan. Pengaruh gas H 2 S pada konsentrasi rendah mengakibatkan terjadinya gejala pusing, mual, rasa melayang, batukbatuk, gelisah, mengantuk, rasa kering, serta nyeri di hidung, tenggorokan, dan dada. Gas H 2 S pada konsentrasi rendah (0, ppm) akan tercium seperti bau telur busuk yang memberikan peringatan kepada seseorang yang berada di lingkungan tersebut untuk segera lari meninggalkan tempat tersebut dan segera menggunakan alat bantu pernafasan. Karena jika konsentrasi gas H 2 S terus meningkat di atas 25 ppm akan dapat mematikan indera penciuman dan korban mulai tidak sadarkan diri [1]. Gambar 1. Struktur serat optik Serat optik menggunakan cahaya untuk mengirimkan informasi (data) dan merupakan teknologi baru yang menawarkan kecepatan pengiriman data dan kapasitas yang lebih besar sepanjang jarak yang lebih jauh dengan harga yang lebih rendah daripada sistem kawat tembaga. Cahaya yang membawa informasi dipandu melalui serat optik berdasarkan fenomena total internal reflection (Pantulan Internal Total). Pantulan internal total terjadi pada bidang batas antara dua media dengan indeks bias yang berbeda yaitu n 1 dan n 2. Hubungan antara sudut datang i 1 dan sudut bias i 2 terhadap indeks bias dielektrik dinyatakan oleh hukum Snell: [5] (1) Pada salah satu sudut datang tertentu, cahaya akan dibiaskan sepanjang permukaan kedua medium, sudut inilah yang dinamakan dengan sudut kritis. Nilai sudut kritis diberikan oleh: sin (2) Dan ketika sudut datang lebih besar dari sudut kritis, sinar yang dibiaskan akan dipantulkan sepenuhnya kembali ke medium pertama (pantulan internal total) [6]. Serat optik Serat optik adalah salah satu media transmisi yang dapat menyalurkan informasi dengan kapasitas besar dengan keandalan yang tinggi. Berlainan dengan media transmisi lainnya, pada serat optik sinyal pembawanya bukan sinyal listrik, akan tetapi berupa gelombang optik [4]. Struktur serat optik terdiri dari inti (core) silinder dari bahan kaca atau plastik, mantel (cladding), dan bahan pelindung berupa jaket (coating). Gambar 2. Pemantulan Internal Total Inti (core) serat optik berfungsi sebagai media penjalaran gelombang optik melalui fenomena pemantulan internal total di dalam inti. Oleh karena itu, inti (core) harus

3 3 mempunyai indeks bias lebih besar dari indeks bias cladding, sehingga ketika gelombang optik memasuki inti pada sudut lebih besar dari sudut kritis. Gelombang optik akan mengalami pemantulan total secara berulang-ulang di dalam inti serat [7]. Salah satu parameter penting dalam serat optik adalah Numerical Aperture (NA) yang didefinisikan sebagai sinus sudut terbesar sebuah sinar datang yang dapat mengalami pemantulan internal total di dalam inti serat optik. NA adalah ukuran kemampuan memandu cahaya dari sebuah serat optik. Nilai NA dapat ditentukan dengan mengukur sudut divergen kerucut cahaya ruang yang dapat memasuki inti dan menjalar sepanjang serat optik, dirumuskan sebagai (3) dimana n 1 adalah indeks inti dan n 2 adalah indeks refraksi cladding. Sudut penerimaan penuh adalah 2α [8]. Serat optik dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis berdasarkan sebaran (distribusi) indeks bias inti, yaitu: 1. Serat Optik Gradded Index (GRIN), mempunyai indeks bias inti yang bervariasi secara parabolik dengan indeks maksimum pada sumbu inti dan mengecil ke arah bidang batas inti-cladding. Penjalaran sinarnya tidak lurus tapi melengkung akibat pembiasan yang terjadi di dalam inti membentuk lintasan parabolik. 2. Serat optik step index, mempunyai indeks bias yang konstan di semua bagian inti yang lebih besar daripada indeks cladding sehingga membentuk tangga (step) pada batas inticladding. Penjalaran sinar dalam inti lurus karena tidak ada variasi indeks bias inti [8]. Sedangkan berdasarkan sifat karakteristiknya jenis serat optik secara garis besar dapat dibagi menjadi 2 yaitu : 1. Multimoda Pada jenis serat optik ini penjalaran cahaya dari satu ujung ke ujung lainnya terjadi melalui beberapa lintasan cahaya, karena itu disebut multimoda. Sedangkan berdasarkan sebaran indeks biasnya serat optik multimoda memiliki dua profil yaitu graded index (Gambar 3B) dan step index (Gambar 3A). Pada graded index, serat optik mempunyai indeks bias cahaya yang merupakan fungsi dari jarak terhadap sumbu/poros serat optik. Dengan demikian cahaya yang menjalar melalui beberapa lintasan pada akhirnya akan sampai pada ujung lainnya pada waktu yang bersamaan. Berlainan dengan graded index, maka pada serat optik step index sinar yang menjalar pada sumbu akan sampai pada ujung lainnya dahulu. Hal ini dapat terjadi karena lintasan yang melalui poros lebih pendek dibandingkan sinar yang mengalami pemantulan pada dinding serat optik. Sebagai hasilnya terjadi pelebaran pulsa atau dengan kata lain mengurangi lebar bidang frekuensi. Oleh karena itu secara praktis hanya serat optik graded index sajalah yang dipergunakan sebagai saluran transmisi serat optik multimoda [4]. 2. Singlemoda Serat optik singlemoda atau monomoda mempunyai diameter inti (core) yang sangat kecil 3 10 mm, sehingga hanya satu berkas cahaya saja yang dapat melaluinya. Oleh karena hanya satu berkas cahaya maka tidak ada pengaruh indeks bias terhadap perjalanan cahaya atau pengaruh perbedaan waktu sampainya cahaya dari ujung satu ke ujung yang lainnya, dengan demikian serat optik singlemoda sering dipergunakan pada sistem transmisi serat optik jarak jauh atau luar kota [4]. Serat optik singlemoda hanya memiliki satu profil yaitu step index (Gambar 3C). Gambar 3. Jenis-jenis Serat Optik Ada beberapa keunggulan serat optik di banding media transmisi lainnya, yaitu lebar bidang yang luas, sehingga sanggup menampung informasi yang besar, bentuk yang sangat kecil dan murah, tidak terpengaruh oleh medan elektris dan medan magnetis, isyarat dalam kabel terjamin keamanannya, karena di dalam serat tidak terdapat tenaga listrik, maka tidak akan terjadi ledakan maupun percikan api, disamping itu serat tahan terhadap gas beracun, bahan kimia dan air, sehingga cocok ditanam dalam tanah, substan sangat rendah, sehingga memperkecil jumlah sambungan dan jumlah pengulang. Tetapi di samping kelebihan yang telah

4 4 disebutkan di atas, serat optik juga mempunyai beberapa kelemahan di antaranya yaitu, sulit membuat terminal pada kabel serat, penyambungan serat harus menggunakan teknik dan ketelitian yang tinggi [9]. Gelombang evanescent Saat berkas cahaya berpropagasi sepanjang serat optik, medan elektromagnetik tidak mendadak jatuh ke nol pada bidang batas core-cladding, namun sebagian kecil menembus cladding dan meluruh cepat dalam arah tegak lurus bidang batas. Medan ini dikenal dengan medan evanescent. Gambar 4. Gelombang evanescent Intensitas medan ini meluruh secara eksponensial terhadap jarak tegak lurus (z) bidang batas menurut persamaan (4) Dengan I 0 adalah intensitas radiasi datang, dan d p adalah kedalaman penetrasi. Kedalaman yang bisa dicapai oleh gelombang evanescent (kedalaman penetrasi) adalah (5) Dengan n adalah n 2 dibagi dengan n 1 [10]. Peningkatan indeks bias cladding akan meningkatkan kedalaman penetrasi, sehingga intensitas medan evanescent akan meningkat. Berdasarkan hal ini dikembangkan sistem sensor serat optik berbasis absorpsi medan evanescent dengan mengganti cladding asli serat optik dengan bahan yang mengalami sifat optik terhadap gangguan yang diberikan [11]. Sensor serat optik Sensor adalah sesuatu yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik atau kimia. Pada saat ini, sensor telah dibuat dengan ukuran sangat kecil dengan orde nanometer. Ukuran yang sangat kecil ini sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi. Ada dua jenis sensor yang kita kenal, yaitu sensor fisika dan sensor kimia. Sensor fisika mendeteksi suatu besaran berdasarkan hukumhukum fisika. Contoh sensor fisika adalah sensor cahaya, sensor suara, sensor gaya, sensor kecepatan, sensor percepatan, dan sensor suhu. Sedangkan Sensor kimia mendeteksi jumlah suatu zat kimia dengan cara mengubah besaran kimia menjadi besaran listrik. Biasanya melibatkan beberapa reaksi kimia. Contoh sensor kimia adalah Sensor ph, sensor oksigen, sensor ledakan, dan sensor gas. Perkembangan sensor optik dalam analisis kimiawi sangat menarik karena kemungkinan aplikasinya di biologi, bioteknologi dan ekologi dan karena keuntungan-keuntungan yang didapatkan dari serat optik [12]. Perkembangan sensor optik kimia, terutama sensor gas telah menarik perhatian secara global seiring dengan peningkatan kesadaran akan kebutuhan dalam memonitor polusi udara terutama yang mengandung racun, misalnya karbon monoksida, karbon dioksida, nitrogen oksida, hidrogen sulfida, dll [13]. Teknologi sensor serat optik mulai berkembang tahun 1960 ketika laser dan serat optik dikenal. Setelah itu, dilakukan banyak penelitian secara khusus mengenai hal tersebut karena adanya beberapa kelebihan sensor serat optik dibandingkan dengan sensor biasa, diantaranya adalah ketelitian dan sensitifitasnya, lebih mudah dalam menghantarkan sinyal, dapat digunakan dengan resiko bahaya yang kecil, dan masih banyak keuntungan yang lainnya. Sensor serat optik di kategorikan dalam tiga bagian: sensor intensitas, sensor polarimetrik, dan sensor interferometrik [14]. Sensor serat optik merupakan piranti yang dapat mengukur perubahan modulasi cahaya yang terpandukan akibat adanya gangguangangguan, baik intrinsik maupun ekstrinsik [15]. Sensor serat optik intrinsik adalah sensor yang mengukur perubahan penjalaran gelombang yang disebabkan gangguan dari dalam serat optik, seperti perubahan indeks bias pada cladding, adanya kisi core, dan lainlain. Sedangkan sensor serat optik ekstrinsik adalah sensor yang mengukur perubahan penjalaran gelombang yang disebabkan gangguan dari lingkungan, seperti cahaya yang masuk ke dalam serat selain sumber cahaya [14].

5 5 Dye Methyl violet Dye adalah molekul pigmen atau senyawa kimia yang dapat menyerap cahaya. Masing- yang masing dye memiliki panjang gelombang berbeda-beda. diaplikasikan Methyl sebagai violet reagen dapat untuk mendeteksi ion S 2- yang terdapat pada senyawa H 2 S [12]. Metode Penelitian Pembuatan Gel Serbuk dye Methyl Violet sebanyak 7.5 mg dicampurkan dengan kitosan 5 ml dan aquades 0.5 ml hingga tercampur merata. Larutan kemudian diaduk perlahan dengan magnetic stirrer dan dipanaskan padaa suhu 60 C selamaa 10 menit hingga membentuk larutan gel. Pembuatan Probe Sensor Serat Optik Gambar 5. Struktur kimia methyl violet BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di laboratorium Biofisika Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor, pada bulan Maret 2009 sampai September Bahan dan Alat Bahan yang digunakann adalah: 1. Serat optik plastik 1000/960 µm 2. Dye methyl violet 3. Aquades 4. Asam klorida (HCL) 5. kitosan 6. Aseton 7. Silver paint Alat yang digunakan adalah: 1. Bundle fiber optic 2. Magnetic stirrer hotplate 3. High Sensitivity Light Sensor (PASCO) 4. Tungstenn Halogen Light Sources 5. USB2000 VIS-NIR spectrophotometer 6. PASCO Science Workshop 750 interface 7. Data Studio Software 8. Fiber optic stripper 9. Amplas 10. Botol kaca 11. Masker 12. Timbangan analitik Serat optik plastik multimoda dikelupas bagian jaketnya sepanjang 2 cm di bagian ujung dengan menggunakan fiber optic stripper, dan claddingnyaa dikelupas dengan cara dicelupkan ke larutan aseton. Bagian tanpa cladding ini dilapisi dengan gel yang didoping dye methyl violet sebagai cladding pengganti. Pelapisan dilakukan dengann cara mencelupkann serat optik yang terkelupas claddingnya ke gel yang didoping dye methyl violet sampai serat optik terlapisi dengan merata, kemudian serat optik dikeringkan dibawah sinar matahari kurang lebih 15 menit. Setelah mengering, ujung serat optik dihaluskan dengan menggunakan kertas amplas, lalu dilapisi dengan cat perak sebagai reflektor. Pengujian Sensor Serat Optik terhadap Gas H 2 S untuk Melihat Nilai Absorbansi Karakterisasi untuk melihat nilai absorbansi dilakukan dengan set up alat yang terlihat pada Gambar 6. Ujung probe serat optik yang telah dilengkapi konektor dihubungkan ke ujung bundel serat optik bifurkasi (berbentuk Y), sedangkan ujung lainnyaa dimana terdapat elemen sensor akan dimasukan ke botol yang terdapat gas H 2 S. Kedua ujung serat optik yang lain dihubungkan dengan sumber cahaya berupa lampu halogen dan ujung yang lainnya dihubungkan ke spektrofotometer. Saat pengujian, serat optik akan dijalarkan sinar yang selanjutnya akan dianalisis oleh spektrofotometer dan datanya terlihatt pada komputer.