Bab IV Hasil dan Pembahasan IV.1 Serbuk Awal Membran Keramik Material utama dalam penelitian ini adalah serbuk zirkonium silikat (ZrSiO 4 ) yang sudah ditapis dengan ayakan 400 mesh sehingga diharapkan memiliki ukuran partikel yang seragam. Untuk konfirmasi material yang digunakan, serbuk tersebut dianalisis dengan teknik difraksi sinar-x. Difraktogram difraksi sinar-x serbuk tersebut dapat dilihat pada Gambar IV.1. Gambar IV.1 Difraktogram XRD serbuk ZrSiO 4 yang digunakan Puncak-puncak khas serbuk material yang digunakan terdapat pada sudut 2θ 20,02 o, 27,02 o dan 35,58 o. Puncak-puncak tersebut mirip dengan puncak-puncak ZrSiO 4 pada database standar Powder Diffraction File (PDF) (Lampiran A). 30
IV.2 Pendukung Membran Keramik ZrSiO 4 IV.2.1 Pembuatan Pendukung Membran Keramik ZrSiO 4 Komposisi campuran yang digunakan untuk membuat membran ZrSiO 4 dicantumkan pada Tabel III.1. Poli(vinil alkohol) atau PVA digunakan sebagai zat pengikat (binder) yang berfungsi untuk mempermudah proses pencetakan. Selain itu, penggunaan PVA diharapkan dapat meningkatkan green strength membran ZrSiO 4. Hal ini dimungkinkan karena PVA mempunyai gugus OH yang dapat berfungsi sebagai perekat antarpartikel ZrSiO 4. Teknik dry pressing atau penekanan serbuk kering digunakan untuk membentuk green body membran ZrSiO 4. Dengan teknik ini, campuran keramik harus dijaga kekeringannya. Penambahan PVA dan air sebagai pelarut yang terlalu banyak akan menyebabkan campuran tidak bisa dicetak. Selain itu, tekanan yang digunakan untuk mencetak keramik harus diatur. Jika tekanan yang diberikan terlalu lemah, maka green body pendukung membran keramik menjadi rapuh. Green body membran ZrSiO 4 di-sinter pada berbagai temperatur, yaitu 1200, 1300 dan 1400 o C dengan waktu penahanan selama satu jam. Setelah di-sinter, membran ZrSiO 4 mengalami penyusutan akibat pemanasan atau disebut sebagai susut bakar. Susut bakar spesimen membran keramik dihitung menggunakan nilai rasio antara perubahan dimensi sesudah di-sinter dengan dimensi sebelum disinter (lampiran B). Besaran dimensi yang dimaksudkan adalah ketebalan, diameter serta volum spesimen keramik. Biasanya, nilai susut bakar volum membran keramik menggambarkan kerapatan struktur membran keramik. Jika nilai susut bakar membran keramik (dalam %) semakin besar, maka membran keramik tersebut akan semakin rapat atau pori yang dimiliki membran keramik semakin sedikit. 31
Tabel IV.1 Nilai susut bakar tebal dan diameter serta susut bakar volum Komposisi A B pendukung membran keramik ZrSiO 4 Temperatur sintering ( o C) Susut bakar tebal (%) Susut bakar diameter (%) Susut bakar volum (%) 1200 2,08 1,71 5,41 1300 6,25 3,93 13,47 1400 10,42 6,90 22,35 1200 2,17 1,76 5,59 1300 6,52 4,03 13,90 1400 10,87 6,95 22,83 Diharapkan susut bakar diameter lebih besar daripada susut bakar linear. Hal itu didasarkan pada fakta bahwa pada posisi vertikal (tebal) partikel-partikel keramik telah bergabung satu sama lain akibat perlakuan tekanan pada saat pembentukan green body membran ZrSiO 4 dengan teknik dry pressing. Akan tetapi, Tabel IV.1 memperlihatkan bahwa susut bakar diameter lebih kecil daripada susut bakar tebal pada temperatur sintering yang sama. Hal itu mungkin terjadi akibat orientasi kristalit ZrSiO 4 (bentuk kristal tetragonal) lebih acak pada permukaan daripada di bagian dalam (penampang) membran keramik ZrSiO 4. Akibatnya, susut bakar diameter lebih kecil daripada susut bakar tebal. IV.2.2 Karakterisasi Pendukung Membran Keramik ZrSiO 4 Untuk mempelajari sifat dan karakteristik membran ZrSiO 4 yang telah dibuat, dilakukan karakterisasi meliputi pengukuran kinerja membran (permeabilitas air), analisis SEM dan EDX. IV.2.2.1 Pengukuran Permeabilitas Air Permeabilitas air suatu membran dinyatakan sebagai fluks air yang dapat melewati membran. Sebelum dilakukan pengukuran fluks air, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Kompaksi ini diharapkan akan menyebabkan deformasi mekanik pada matriks membran sehingga struktur pori membran menjadi lebih rapat serta membentuk susunan yang kompak. Setelah kompaksi dilakukan maka membran diharapkan 32
mempunyai fluks dan rejeksi yang tetap konstan. Dalam penelitian ini, waktu kompaksi membran ZrSiO 4 terhadap umpan air adalah 40 menit. Gambar IV.2 menunjukkan bahwa pada temperatur sintering yang sama (1300 o C), fluks membran komposisi A (ZrSiO 4 = 95 %) lebih kecil daripada fluks membran komposisi B (ZrSiO 4 = 90 %). Banyaknya binder (PVA) dan pelarut (air) yang ditambahkan ke dalam campuran membran mempengaruhi porositas membran. Semakin banyak binder yang ditambahkan, maka antarpartikel keramik semakin terikat dengan baik sehingga terbentuk gabungan partikel yang lebih besar daripada partikel serbuk awal keramik. Akibat perlakuan sintering, pori yang terbentuk dari partikel besar akan lebih besar daripada pori yang terbentuk dari partikel yang kecil. 120 100 fluks (L/m 2 jam) 80 60 40 20 komposisi A komposisi B 0 0 20 40 60 80 100 120 laju alir (ml/s) Gambar IV.2 Grafik permeabilitas air membran ZrSiO 4 dengan temperatur sintering 1300 o C terhadap laju alir Dalam penelitian ini, membran komposisi B dianggap lebih baik karena mempunyai fluks yang lebih besar daripada membran komposisi A. Setelah dilapisi katalis V 2 O 5, diharapkan membran tetap mempunyai fluks yang besar dan rejeksi yang besar pula. Fluks membran keramik ZrSiO 4 pada temperatur sintering 1300 o C relatif lebih tinggi daripada membran yang di-sinter pada temperatur yang lain (Gambar IV.3). 33
Oleh karena itu, dalam penelitian ini dipilih temperatur 1300 o C sebagai temperatur sintering membran ZrSiO 4. Selain itu, berdasarkan penghitungan densitas membran ZrSiO 4 (subbab IV.2.2.2), diharapkan membran keramik ZrSiO 4 yang di-sinter pada temperatur 1300 o C memiliki struktur yang lebih kompak (rapat) daripada membran keramik ZrSiO 4 yang di-sinter pada temperatur 1200 o C. 120 100 fluks (L/m 2 jam) 80 60 40 20 0 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 temperatur ( o C) laju alir = 44 ml/s laju alir = 78 ml/s laju alir = 106 ml/s Gambar IV.3 Grafik permeabilitas air pendukung membran ZrSiO 4 komposisi B terhadap temperatur sintering pada berbagai kondisi laju alir IV.2.2.2 Perhitungan Densitas Membran ZrSiO 4 Densitas atau massa jenis keramik ditentukan dengan metode piknometri (Lampiran D). Hasil percobaan menunjukkan adanya kecenderungan bahwa semakin banyak ZrSiO 4 yang digunakan, maka densitasnya menjadi semakin besar (Tabel IV.2). Tabel IV.2 Densitas pendukung membran ZrSiO 4 pada temperatur sintering 1400 o C Komposisi Densitas (kg/m 3 ) A (ZrSiO 4 = 95 %) 4403,07 B (ZrSiO 4 = 90 %) 4390,31 34
Gambar IV.4 menunjukkan adanya kecenderungan bahwa semakin tinggi temperatur sintering, maka densitasnya menjadi semakin besar. Hal tersebut bisa dimaklumi karena semakin tinggi temperatur sintering yang digunakan, maka membran keramik menjadi semakin rapat atau padat. Akibatnya densitas membran keramik semakin besar jika temperatur sintering dinaikkan. 4400 densitas membran (kg/m 3 ) 4375 4350 4325 4300 4275 4250 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 temperatur sintering ( o C) Gambar IV.4 Grafik densitas pendukung membran keramik ZrSiO 4 komposisi B terhadap temperatur sintering Pada dasarnya, densitas bisa digunakan untuk menghitung porositas membran keramik. Porositas membran keramik merupakan perbandingan selisih densitas (teori dan hasil percobaan) dengan densitas teori. Akan tetapi, dalam penelitian ini digunakan ZrSiO 4 yang tidak murni (teknis) sehingga densitas teoritis ZrSiO 4 yang digunakan tidak diketahui. IV.2.2.3 Analisis SEM dan EDX Membran terbaik yang memiliki permeabilitas air paling besar, dianalisis dengan SEM dan EDX. Selama proses sintering, terjadi reaksi fasa padat sehingga dapat menyebabkan terjadinya perubahan struktur mikro sistem keramik, yang berbeda jika dibandingkan struktur mikro serbuk awal ZrSiO 4. Gambar IV.2 menunjukkan 35
struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO 4 campuran B setelah di-sinter pada temperatur 1300 o C. Gambar IV.5 Stuktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO 4 komposisi B dengan temperatur sintering 1300 o C perbesaran 5000 X Hasil foto SEM menunjukkan bahwa membran cukup berpori dengan ukuran pori dalam orde mikro. Walaupun demikian, terlihat bahwa pori membran keramik ZrSiO 4 tidak homogen. Ada pori yang terlihat besar, namun ada juga yang terlihat kecil. Fenomena tersebut mungkin disebabkan ukuran partikel serbuk ZrSiO 4 yang tidak seragam atau terjadi pengkasaran butir (grain coarsening) selama proses sintering serta kurang homogennya pencampuran material pembentuk keramik yang dilakukan dengan cara manual. Hasil analisis EDX digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan unsur-unsur penyusun membran keramik. Analisis EDX dilakukan pada permukaan pendukung membran keramik ZrSiO 4 komposisi B temperatur sintering 1300 o C dengan perbesaran 1000X (Lampiran E). Unsur-unsur penyusun pendukung membran keramik diperlihatkan pada Tabel IV.3. 36
Tabel IV.3 Unsur-unsur penyusun pendukung membran keramik komposisi B dengan temperatur sintering 1300 o C Unsur O Al Si Zr % massa 25,24 1,08 15,91 57,76 Walaupun % massa hasil analisis EDX tidak bisa merepresentasikan secara kuantitatif banyaknya unsur penyusun membran keramik, tetapi dapat memberikan gambaran secara kualitatif mengenai komposisi unsur penyusun pendukung membran keramik. Hasil analisis EDX juga menunjukkan adanya logam pengotor yaitu alumunium (Al) dalam bentuk Al 2 O 3 (lampiran E) dalam membran keramik ZrSiO 4. Keberadaan Al 2 O 3 dapat menjadi petunjuk bahwa serbuk ZrSiO 4 yang digunakan tidak murni (teknis) walaupun sudah mengalami pengolahan sebelumnya dari mineral alam. Serbuk ZrSiO 4 inilah yang biasa digunakan para pengrajin keramik konvensional sebagai pengopak glasir untuk melindungi badan keramik. IV.3 Membran Keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 IV.3.1 Pembuatan Membran Keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 Dari hasil karakterisasi subbab IV.2.2, membran pendukung yang dilapisi dengan V 2 O 5 adalah membran keramik komposisi B (ZrSiO 4 = 90 %, PVA = 0,4 % dan air 9,6 %) yang di-sinter pada temperatur 1300 o C. Pelapisan V 2 O 5 dilakukan dengan metode dip coating, yaitu dengan cara merendam membran keramik ZrSiO 4 dalam larutan kompleks (NH 4 ) 2 [VO(C 2 O 4 ) 2 ] yang berwarna biru pekat. Larutan dalam cawan petri dikeringkan pada suhu 180 o C selama 6 kemudian dipanaskan pada temperatur 500 o C agar membentuk lapisan V 2 O 5 yang berwarna kuning pada permukaan membran keramik serta untuk menghilangkan sisa pelarut 27. 37
V 2 O 5 yang terdapat di permukaan pendukung membran keramik dilelehkan pada temperatur 900 o C. Kondisi ini menyebabkan sebagian lelehan V 2 O 5 akan masuk ke pori membran keramik dan sebagian melingkupi butiran partikel membran keramik. Sebagai konsekuensinya, ditemui bahwa V 2 O 5 melapisi membran ZrSiO 4 dengan kuat. V 2 O 5 tidak mudah terlepas saat membran keramik ZrSiO 4 - V 2 O 5 dikenai aliran air selama berada dalam sel aliran kontinu IV.3.2 Karakterisasi Membran Keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 IV.3.2.1 Analisis SEM dan EDX Hasil foto SEM trhadap struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO 4 - V 2 O 5 menunjukkan adanya partikel-partikel V 2 O 5 melingkupi partikel ZrSiO 4. Selain itu terdapat butiran halus V 2 O 5 yang lebih terang pada permukaan dan kedalaman membran. Gambar IV.6 Struktur mikro permukaan membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 perbesaran 5000X 38
Hasil analisis SEM terhadap struktur mikro penampang melintang membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 menunjukkan bahwa antarmuka (interface) lapisan V 2 O 5 dengan pendukung membran ZrSiO 4 tidak terlalu jelas terlihat. Hal itu mungkin terjadi karena lelehan V 2 O 5 masuk ke dalam pori membran pendukung ZrSiO 4. Walaupun demikian, jika diperhatikan dengan lebih cermat terlihat bahwa fasa V 2 O 5 lebih rapat daripada fasa ZrSiO 4. PERMUKAAN PENAMPANG MELINTANG Gambar IV.7 Struktur mikro penampang melintang membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 perbesaran 5000X Hasil analisis EDX digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan unsur-unsur penyusun membran keramik. Analisis EDX dilakukan pada permukaan membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 dengan perbesaran 1000X (Lampiran F). Unsur-unsur penyusun membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 diperlihatkan pada Tabel IV.4. Tabel IV.4 Unsur-unsur penyusun membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 Unsur % massa O 35,18 Al 0,84 Si 14,81 V 0,71 Zr 48,46 39
Analisis EDX mengungkapkan bahwa logam vanadium (V) dalam bentuk V 2 O 5 jumlahnya sangat sedikit pada permukaan membran keramik. Hal ini mengkonfirmasi foto SEM (Gambar IV.7) yang menunjukkan bahwa lapisan V 2 O 5 yang terbentuk jauh lebih tipis daripada pendukung membran keramik ZrSiO 4. Selain itu, elektron yang digunakan untuk analisis EDX hanya mampu menembus sekitar 2 μm dari ketebalan sampel sehingga V 2 O 5 yang masuk ke dalam pori membran tidak bisa dideteksi. IV.3.2.2 Pengukuran Permeabilitas Air Permeabilitas air suatu membran dinyatakan sebagai fluks air yang dapat melewati membran. Seperti yang dinyatakan pada subbab IV.2.2.1, sebelum dilakukan pengukuran permeabilitas air, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Dalam penelitian ini, volum permeat yang konstan diperoleh setelah dilakukan kompaksi selama 40 menit. Setelah membran dikompaksi, fluks dan rejeksi membran cenderung tetap konstan karena struktur pori membran menjadi lebih kompak. 140 fluks (L/m 2 jam) 120 100 80 60 40 y = 1.3281x - 22.3767 R 2 = 0.9900 y = 1.155x - 17.501 R 2 = 0.9916 ZrSiO4-V2O5 ZrSiO4 20 0 0 20 40 60 80 100 120 laju alir (ml/s) Gambar IV.8 Grafik permeabilitas air pendukung membran ZrSiO 4 dan membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 40
Pada Gambar IV.8 terlihat bahwa fluks air membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 lebih besar daripada membran ZrSiO 4. Hal ini mungkin terjadi karena V 2 O 5 bersifat hidrofil 28. Lapisan selektif membran yang bersifat hidrofil dapat memfasilitasi terjadinya permeasi yang lebih baik. IV.3.2.3 Permselektivitas Membran Dalam penelitian ini, permselektivitas membran dinyatakan sebagai rejeksi membran terhadap larutan Pb 2+. Jika rejeksi membran sama dengan 100 %, artinya tidak ada ion Pb 2+ yang dilewatkan. Sebaliknya jika rejeksi membran sama dengan 0 %, artinya semua ion Pb 2+ dilewatkan. Seperti halnya pengukuran permeabilitas air membran, terlebih dahulu membran dikompaksi sampai didapatkan volum permeat yang konstan. Dalam penelitian ini, volum permeat yang konstan diperoleh setelah dilakukan kompaksi selama 40 menit. Permeabilitas membran ZrSiO 4 -V 2 O 5 terhadap larutan umpan Pb 2+ menunjukkan hasil yang sama dengan permeabilitas membran ZrSiO 4 -V 2 O 5 terhadap larutan umpan air (Lampiran H) Pengukuran rejeksi membran dilakukan pada laju alir operasional 44 ml/s. Hasil pengukuran rejeksi membran terhadap larutan Pb 2+ menggunakan dua replika membran, memberikan rejeksi yang cukup baik. Rata-rata rejeksi kedua replika membran tersebut sekitar 90 %. 41
rejeksi (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 waktu (menit) replika 1 replika 2 Gambar IV.9 Grafik rejeksi membran keramik ZrSiO 4 -V 2 O 5 terhadap ion Pb 2+ pada berbagai waktu Untuk mengkonfirmasi keberadaan ion Pb 2+ dalam pori membran, dilakukan analisis EDX terhadap permukaan membran yang sudah digunakan untuk pengukuran permselektivitas membran. Analisis EDX dilakukan pada permukaan membran dengan perbesaran 1000X (Lampiran I). Tabel IV.6 menunjukkan unsur-unsur yang terdapat pada membran. Tabel IV.5 Unsur-unsur yang terdapat pada membran ZrSiO 4 -V 2 O 5 yang sudah digunakan untuk mengukur rejeksi membran terhadap larutan Pb 2+ Unsur N O Si V Zr Pb % massa 15,41 28,30 11,89 0,59 39,89 3,92 Tabel IV.5 memperlihatkan bahwa sebagian Pb 2+ masuk ke dalam pori membran selama proses pengukuran permselektivitas membran. Ukuran jari-jari atom Pb yang kecil, sekitar 180 pm atau sekitar 0,00018 μm, mengakibatkan Pb 2+ dapat masuk ke dalam pori membran keramik ZrSiO 4. 42