KALIBRASI ALAT THERMAL GRAVIMETRI DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854-5561 KALIBRASI ALAT THERMAL GRAVIMETRI DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS Sutri Indaryati, Yanlinastuti, Aslina B.Ginting ABSTRAK Kalibrasi Alat Thermal Gravimetri Differential Thermal Analysis. Menurut sistem mutu pengujian SNI 17025-2000 setiap alat uji yang baru selesai melakukan perbaikan dan penggantian suku cadang harus dikalibrasi. Kalibrasi alat TG-DT A dilakukan dengan cara melakukan pengukuran temperatur dan entalpi peleburan CRM (Certificate Reference Material) In,Sn, Pb, Zn, AI, Ag Au dan Ni pada rentang temperatur 30 C hingga 1500 C dengan kecepatan pamanasan DC/men, DC/men, dan DC/men. Dari kalibrasi diperoleh hasil besaran entalpi dan temperatur lebur masing-masing CRM dan dievalusi dengan cara regresi sehingga diperoleh besaran sensitivitas koefisien dan temperatur koefisien. Kedua be~aran ini merupakan parameter uji alat yang menyatakan alat telah terkalibrasi. Hasil ka/ibrasi menunjukkan bahwa parameter uji yang optimum digunakan untuk pengukuran entalpi dan temperatur lebur adalah koefisien sensitifitas (/lv/mw) sebesar, S = (3,49163x10-2) + (1,73047E-03 T) - (4,08108E-06T2) - (1,4953E-09T3) (1,49553E-12r) dan koefisien temperatur (0C) sebesar C f(t,r) = (-4,08822+00) +(6,31388E-03T) + (1,12709 R) - (6,62628x1 0-2R2) dengan penyimpangan pengukuran untuk temperature peleburan sebesar 0,001 % hingga 3,552% dan pengukuran entalpi sebesar 0,068% hingga 8,765%. Besaran penyimpangan tersebut dapat diterima karena sertifikat alat dari fabrikan menetapkan besar penyimpangan yang dapat diterima sebesar 10%. Dari hasil ana/isis diatas dapat dinyatakan bahwa alat TG-DT A te/ah terkalibrasi untuk penentuan penentuan temperatur serta entalpi peleburan pada rentang pengukuran 30 C hingga 1500 C. PENDAHULUAN Alat Thermal Gravimetry Differential Thermal Analysis type CS92 (TG-DT A'92) telah mengalami kerusakan sehingga perlu di/akukan perbaikan yang disertai dengan up grading pada soft ware MS-DOS ke MS-WINDOW. Setelah selesai perbaikan maka per/u di/akukan uji fungsi dan kalibrasi untuk mengetahui unjuk kerja alat tersebut. Kalibrasi terhadap alat TG DTA dilakukan dengan menggunakan standar logam CRM yang telah diketahui titik lebur dan entalpi secara teoritis dari sertifikat. Hasil kalibrasi alat TG-DT A diperoleh besaran sensitifitas koefisien dan temperatur koefisien yang merupakan parameter uji dan sebagai faktor koreksi untuk merubah satuan pengukuran dari hasil satuan IlV/mW menjadl call gram atau joule Igram. Setelah dilakukan kalibrasi alat, serta diperoleh besaran sensitifitas koefisien dan temperatur koefisien kemudian dilakukan pengukuran titik lebur dan entalpi terhadap standar CRM untuk mengetahui kinerja alat serta besarnya penyimpangan dari pengukuran. Peralatan Thermal Gravimetry Differential Thermal Analysis type CS92 (TG DTA'92) merupakan dua buah alat yang dapat dioperasikan secara simultan, Adapun kegunaan alat TG-DT A tersebut adalah dapat menentukan perubahan berat, temperatur peleburan, temperatur perubahan fasa titik rekristalisasi, titik transisi glass dan entalpi dari suatu bahan. Sesuai dengan fungsinya maka penunjukan temperatur diharapkan selalu tepat dan akurat agar diperoleh hasil analisis dengan ketelitian yang tinggi. Pada waktu yang lalu alat TG-DT A menga!ami kerusakan dan setelah selesainya perbaikan alat tersebut dilakukan uji 174

ISSN OS54-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 fungsi yang dilanjutkan dengan kalibrasi.[1]. Uji fungsi dilakukan dengan mengukur ental pi dan titik lebur dari CRM Sn pada temperatur 30 C sampai dengan 300 C dan Ni pada temperatur A1 A4 A2 A3 AO 30 C sampai dengan 1500 C, dengan kecepatan pemanasan 10 CI menit. Pelaksanaan uji fungsi ini dilakukan dengan parameter uji pada besaran sensitifitas koefisien dan temperature koefisien yang lama seperti dituangkan pada Tabel-1 Tabel-1: Besaran konstanta sensitifitas dan temperature koefisien. '":?L Sensitifitas -2,749-3,9399E-Ol -1,2563E+00-1,OE+03-5,7429E-OS' 5,09244 2,2363E+02 2,5720E-04 6,4909E-02 Koefisien E-03B3 B1 BO B2 Temp,Koefisien Dari hash uji fungsi tersebut diperoleh hasil besaran entalpi dan titik lebur CRM diperoleh hasil seperti Tabel-2 Tabel-2: HasH uji fungsi alat TG-DTA. No cal/gram Sam Sn pel..238,47. 6,140 1430,73 70,44 Pengukuran CRM 71,5 14,4 Serti Sertifikat 1452 231,7 Entalpi Titik lebur "C HasH pengukuran entalpi dan titik lebur CRM Sn dan Ni menggunakan sensetifitas koefisien dan temperatur koefisien seperti Table 1 tidak sesuai dengan besaran sertifikat yang ada, sehingga perlu dilakukan kalibrasi terhadap alat TG-DT A Kalibrasi dilakukan hingga temperatur 1500 C menggunakan beberapa CRM (Certificate Reference Materia0 antara lain In. Sn, Pb, In, AI, Ag, Au dan Ni serta menggunakan metode uji yang valid dari SETARAM yang telah diverivikasi dengan metode ASTM ['.2) dengan 3x pengulangan. Setelah alat terkalibrasi kemudian dilakukan penentuan temperatur peleburan dan entalpi sampel standar In. Sn, Pb, In, AI, Ag, Au dan Ni pad a rentang temperatur 30 C hingga 1500 C dengan kecepatan pemanasan 5 C/menit, 10 C/menit, 15 C/menit dalam media gas Argon dengan 3x (tiga) kali pengulangan13i, Hasil pengukuran pengulangan temperatur peleburan dan enta!pi diuandingkan dengan data temperatur peleburan dan entalpi teoritis untuk mengetahui besar penyimpangan dari [4.5) pengukuran.. CARA KERJA Kalibrasi Alat CRM Nikel ditimbang seberat :: SO mg. kemudian dimasukkan ke dalam krusibel Alumina dan dimasukkan ke dalam chamber TG-DT A rod. kemudian divakumkan hingga 1O"mbar. Setelah tercapai kevakumannya kemudian dialiri dengan gas Argon dengan kecepatan alir 2,5 mbar/detik. CRM Nikel 99.999% dipanaskan di dalam tungku TG-DTA dari temperatur 30 C hingga 1500 C dengan variasi kecepatan pemariasan 5 C/menit, 10 C/menit dan 15 C 1men it. Hal yang sama dilakukan terhadap sampel In, Sn, Pb, In, AI, Ag dan Au dengan masing masing temperatur pemanasan secara berurutan 250 C, 350 c, 450 C. 700 DC. 1000 c dan 1100 c dengan 3 kali pengulangan pengukuran untuk masing masing variasi kecepatan pemanasan. Hasil pengukuran berupa Termogram DTA membentuk puncak endotermik' yang 175

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854-5561 menyatakan besarnya temperatur peleburan dan besarnya entalpi peleburan dari sampel CRM. Dari besaran temperatur dan entalpi yang diperoleh akan dievaluasi dengan software TG-DT A menjadi suatu faktor koreksi kalibrasi terhadap parameter uji berupa sensitifitas koefisien S = AO + A 1 T + A2 T2 +A3 T3 +A4 r dan temperature koefisien (0G), CT =BO +B1T +B2 +B3. Se!anjutnya besaran ini digunakan sebagai parameter uji untuk penentuan temperatur peleburan dan entalpi dari masing-masing CRM tersebut. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Kalibrasi Alat Dari kalibrasi diperoleh suatu -------1ermo9fa!P- DTA yang ditunjukkan oleh besaran aliran panas (Heat Flow =,.N) dari temperatur 30 C hingga 1500 C. Perubahan aliran panas tersebut menyebabkan terbentuknya puncak endotermik yang menyatakan temperatur terjadi peleburan CRM Nikel 99,999% yang ditunjukkan oleh titik onset temperature dan diakhiri oleh top temperature seperti yang terlihat pada Gambar-1. Onset temperature adalah titik awal pembentukan puncak endotermik tersebut da'n top temperature adalah titik akhir dari terjadinya reaksi peleburan terse but. Sedangkan luasan puncak endotermik yang terbentuk menunjukkan besarnya panas yang dibutuhkan atau besar entalpi CRM untuk melakukan reaksi peleburan. Sebagai salah satu contoh pada tulisan ini adalah hasil anal isis terhadap CRM Ni yang menunjukkan bahwa CRM Nikel mengalami reaksi peleburan pada temperatur 1459,55 C dengan entalpi peleburan 85,9862 /lv,s/mg. Untuk mengubah satuan entalpi (/lv,s/mg) menjadi satuan entalpi (cal/g) maka dilakukan perhitungan dengan langkah -Iangkah sbb: Besarnya temperature lebur dan entalpi untuk CRM Nikel dari sertifikat adalah: Tf = 1435 C, tlh = 73,8 cal/g atau 308,48 Joule/g. Berat Nikel yang diukur (sample mass experiment) = 80 mg Besat sampel 80 mg memberikan entalpi sebesar L'lH = 308,48 Joule/1000mg x 80mg = 24,6784 Joule.. ONeIpcM:1U:;~"C F't0i01_ I. V'( E...,.,/f'i~ ~8112._~ Gambar-1: Termogram Peleburan Standard Nikel = 24678,4 mjoule Entalpi Pengukuran Nikel = 85,9862 /lv.s/mg x 80 mg =6878,896 /lv.s L'lH Pengukuran 6878,896 /lv.s - -------------------- - ---------- ------ Sensitivitas - - tlh Sertifikat 24678,4 mjoule = 0,28 /lv/mw Dengan cara yang sama, kemudian dilakukan perhitungan sensitifitas terhadap CRM In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag dan Au sehingga diperoleh suatu korelasi antara besaran sensitifitas dengan temperatur seperti yang dituangkan pada Tabei-3 dan pada Gambar-2. 176

ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penel!tian EBN Tahun 2005 Tabel-3: Sesitivitas dan temperature lebur pengukuran Standar Sampel Sensitifitas Tik Tik lebur lebur- c (~V/mW) 1462.35 Ag0.298 Sn 662.49 Zn422.2 Au0.424 1064,88 1464.42 Pb0.311 1066.85 1459.56 1067.65 AI 328.87 233.87 Ni 421.18 668.32 234.3 965.61 966.29 661.56 233.43 966.55 0.350 328.0 0.275 420.8 326.2 0.243 0.338 0.266 0.410 0.470 0.323 0.360 0.283 0.223 0.496 0.175 0.435 0.287 0.384 Kec pemanasan 100C/min 1SoC/min SOC/min TAAAWI REGRESSION: AaIiM Kallbrul -----".- Senstttvlty I JjV/mW. eo +.1-T" a2 T"'2 + a3 T"'3 + &4 T~ I I.---.--.", i- Sensitivity IIJV/mW 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20..0.15 ~O ; 349163E 07 CJ 1 =. 1 7304 7E 03 37; --408108E 06.3; 4.23053E-09 34; -, 49553E 12 0.10 0.00 ~.05 200 400 600 800 1000 1200 1400 Gambar-2: Kurva Kalibrasi Sensitivitas dengan Temperatur Besaran masing-masing sensitivitas (fiv/mw). sebagai fungsi temperatur kemudian dievaluasi dengan software yang ada sehingga diperoleh besaran konstanta koefisien sensitifitas dan koefisien temperatur sebagai hasil kalibrasi pad a rentang temperatur 30 C hingga 1500 C dituangkan pada Tabel-4 177

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854-5561 Tabel-4: Besaran konstanta sensitivitas dan temperature koefisien. Sensitivitas 3,49163x10- -4,08108-1,49553 1,73047 6,31388-6,62628-4,08822 1,12709Koefisien x10-" x10-vb2 x10-1' x10-~ O_JB3 0-<' BO B1 Temp,Koefisien Besaran konstanta koefisien sensitifitas dan koefisien temperatur yang diperoleh dimasukkan ke menu parameter, merupakan parameter uji yang digunakan untuk analisis temperatur lebur dan entalpi untuk pengukuran lebih lanjut. B. Penentuan Temperatur Peleburan Dan Entalpi Dengan menggunakan parameter uji berupa sensitivitas koefisien diatas, S = (3,49163x1 0_2) +( 1,73047 x10-3 T) - (4,08108 X10-~2) - (1,4953 x10_9t3) - (1,49553 X10_12-r) dan koefisien temperatur (0C) sebesar C f(t,r) =( -4,08822) +(6,31388x10-3T) + (1,12709 R) - (6,62628 x10 2R2)selanjutnya dilakukan pengukuran temperatur lebur dan entalpi terhadap sampel standar In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag, Au dan Ni dengan 3 (tiga ) kali pengulangan. Besarnya temperatur peleburan merupakan fenomena awal perubahan base line aliran panas membentuk suatu puncak endotermik menunjukkan bahwa mulai terjadinya fenomena peleburan (onset temperature) dan akhir pembentukan puncak endotermik tersebut menyatakan selesainya reaksi peleburan yang terjadi (top temperature). seperti yang ditunjukkan pad a Gambar-3 yaitu termogram temperatur peleburan standar Emas (Au). Pembentukan puncak endotermik pada fenomena peleburan ini menunjukkan bahwa dalam melakukan peristiwa peleburan tersebut sam pel emas membutuhkan sejumlah panas. Dari Gambar-4 dapat diketahui bahwa sampel standar emas mulai mengalami peleburan pad a temperatur 1056,99 C dan berakhir pada temperatur 1064,88 C dengan membutuhkan panas sebesar 14,2173 cal/g. Besarnya temperatur dan entalpi peleburan yang diperoleh dari masing-masing standar In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag, Au dan Ni dengan pengulangan pengukuran sebanyak 3x dituangkan pada Tabel-5 dan Tabel-6 H t FloW'f mw O~I.IT\- ~ IF~. : Ex~riment: Au.wnd.30-12000C.5oCJ~n (10-03-05) Atm. ~ 03-10-05 p,.oc-.du,..: Au etand.30-12000c.5ocjrt--. (Seq 1) Exo Ar Crucible: Al203 1 M (mg) ::189.e -20.. 0 Ona.et po4nt : 1 05e. g.o C P~k 1 tot". 1 064.68 C Enth.'py I CaVg; '.:2173 (EnaOChef-."k; ef'f-=:t) -100-120.00 '000 Gambar-3: Termogram DTA Peleburan Standar Emas 'i78

ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 Tabel-5: Temperatur Peleburan Sampel Standar Variasi Kecepatan Pemanasan. 156.40 15 pemnasn Kec Pengukuran Titik lebur C (CRM) Ag Pb Sn In Au Zn 1056.99 1451.59 AI 421.45 960.34 Ni599.691 328.87 1449.12 659.51 231.56 1451.58 1066.85 1062.66 659.59 962.69 420.34 159.70 326.27 659.22 234.17 326.89 421.18 233.56 168.51 167.67 962.4 C %.RSD.168.359 523. 327.233 598.820 599.606 592.897 599.777 599.871 % 599.713 Teoritis 960.45 418.43 235.63 961.333 959.993 660.020 659.970 962.243 1064.333 659.107 1066.290 1058.777 1451.963 421.160 420.137 328.063 234.567 328.343 231.460 421.077 233.563 158.900 168.203 1452,.78 1456.260 961.15 99.770 959.85 959.79 327.53 659.52 661.32 99.908 661.54 962.12 961.92 1066.68 1059.47 327.97 327.35 659.29 658.52 99.848 1067.65 1060.45 1058.89 329.36 328.78 229.97 232.85 420.67 1452.34 421.55 233.68 233.45 158.60 158.40 168.45 168.96 99.895 99.965 99.603 658.78 99.875 99.798 99.721 99.949 1068.56 {men 1459.56 421.11 98.427 421.59 99.245 167.90 99.997 1464.42 99.853 99.625 92.983 99.707 0.154 0.590 0.052 0.111 0.199 0.140 3.552 0.787 0.073 0.187 0.017 0.115 0.065 0.063 0.046 0.197 0.076 0.101 0.026 0.001 420.8 233.9 5.980 0.144 0.377 0.146 5.902 3.509 1.250 0.166 0.503 0.760 0.735 0.622 0.303 0.830 0.319 0.332 0.083 0.472 0.170 0.788 0.881 658.50 961.00 1063.00 419.50 231.80 1.384 0.019 327.40 156.40 1452.00 0.667 2.111 2.034 2.130 1.645.' Akurasi 15 10 1452.00 SD 1459.52 Sampel 11456.067 I 179,,.

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854-5561 Tabel-6: Entalpi Peleburan sampel standar 1CStandar Pb327.40 Sn231.805 In156.405 lebur T.Pemnsan Titik eortis Kec SD Ag Au1063.005 Zn419.50 AI658.50 Ni 1452.005 24.458 82.701 25.242 70.885 13.970 91.11010 15.255 24.55010 81.73215 24.67815 961.005 25.58010 25.22015 72.98010 71.56715 6.180 14.427 5.106 14.560 16.14710 17.95915 5.00110 5.67815 7.03015 6.980 6.720 -(teotitis) 5.028 95.864 0.389 97.111231.80 82.586 96.4 99.835 94.837 99.159 99.048 5.020 0.440 85.085327.40 99.361419.50 5.755 5.656 0.122 86.814327.40 24.342 24.557 99.105 5.115 5.145 5.122 14.765 14.530 99.792231.80 14.750 14.430 13.886 13.984 7.330 7.213 0.207 94.274 99.751 6.203 6.192 0.304 91.059156.40 6.817 0.009 82.607 23.870 24.367 82.346 82.145 86.926 87.415658.50 91.098 91.169 23.995 24.535 99.865419.50 99.450 24.882 25.450 25.297 98.826961.00 24.996 71.712 71.382 85.322 72.065 15.431 15.276 99.8431063.00 15.971 16.133 17.792 17.932 98.3981452.00 72.187 5.032 5.534 24.870 14.397 13.980 14.097 7.280 6.195 24.680 82.358 82.533 91.299 24.932 25.766 24.860 25.421 25.212 71.548 72.948 72.664 15.141 16.280 18.044 72.927 0.065 0.015 0.208 0.416 7.339 8.765 0.320 0.447 0.104 2.863 4.910 0.125 7.199 1.827 0.275 0.012 0.079 1.316 2.157 7.595 1.487 0.016 7.520 0.149 0.587 0.059 0.083 2.582 0.106 0.420 0.582 0.801 0.343 0.476 5.947 6.178 0.068 1.666 6.750 94.5 24.4 25.0 15.3 153 C068 I Imen 575658.50 c 156.40. Pengukuran. Rerata ------ I % RSD I % Akurasi Entalpi call gram Oari Tabel-5 dan Tabel-6. dapat diketahui bahwa % penyimpangan pengukuran untuk temperatur peleburan dan entalpi dengan pengulangan (repeatibilitas) 3x, untuk masing-masing sample standar % penyimpangan pengukuran temperatur peleburan berada pada rentang 0,001% hingga 3,552% dan % penyimpangan pengukuran untuk entalpi diperoleh sebesar 0,068% hingga 8,765%. Besaran ini dapat diterima karena berada dibawah % penyimpangan yang diberikan oleh sertifikat alat sebesar ± 10%[3,4J Oari hasi: perhitungan akurasi terhadap temperatur peleburan diperoleh 180

ISSN 0854-5561 Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 besaran akurasi diatas 99%, kecuali pada In yang mempunyai suhu titik lebur 156,40 C atau di bawah 200 C, diperoleh besaran akurasi lebih keci!. Hal ini disebabkan karena kondisi alat pad a suhu tersebut kurang stabil sedangkan untuk akurasi entalpi peleburan diperoleh hasil yang tidak simultan. hal ini dikarenakan karena nilai entalpi yang diperoleh tergantung ada cara evaluasi terhadap titik awal dan titik akhir dari luasan termogram DTA yang terbentuk. KESIMPULAN Dari hasil analisis pengukuran temperatur peleburan serta entalpi pe:leburan dari sam pel CRM In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag Au dan Ni diperoleh bahwa besar % penyimpangan pengukuran untuk temperatur peleburan untuk masingmasing sample standar berada pad a rentang 0,001 % hingga 3,552% dan % penyimpangan pengukuran untuk entalpi diperoleh sebesar 0,068% hingga 8,765%. Besaran ini dapat diterima karena berada dibawah % penyimpangan yang diberikan oleh sertifikat alat sebesar ± 10%. Hasil perhitungan akurasi temperatur peleburan. diperoleh hasil di.atas 99 % untuk suhu di atas 200 C, sedangkan untuk akurasi entalpi peleburan diperoleh hasil yang tidak simultan ini dikarenakan nilai entalpi yang diperoleh tergantung p'ada luasan termogram serta dipengaruhi oleh penentuan titik awal dan titik akhir dari termogram. ACUAN: 1.. SNI-17025, Dokumentasi Sistem Mutu Laboratorium, Badan Standardisasi Nasional (BSN), Tahun 2002. 2. ASTM, Annual Book of ASTM Standars, USA, VoI,14,02 (1992), page 399-402. 3. SETARAM, Manual Operation Differential Thermal Analysis Type CS'92, Set~ram Franc, 1992. 4. ROBERT L, ANDERSON,"Practical Statistics for Analytical Chemists" Van Nostrand Reinhold Company,New York,1987. 5. PERRY H.ROBERT. "Chemical Engineers Handbook', Sixth edition McGrawHill, 1984 181./