52 PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KERAMIK

Download Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras... . (Iman Rahayu). PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KERAMIK DE...

0 downloads 484 Views 321KB Size
52

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KERAMIK DENGAN VARIASI TEPUNG BERAS SEBAGAI ADITIF UNTUK PROSES MIKROFILTRASI Preparation and Characterization of Ceramic Membrane with Variations of Rice Flour as Aditive for Microfiltration Iman Rahayu Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran Jalan Raya Bandung Sumedang Km. 21 Jatinangor Email: [email protected]

ABSTRAK Membran keramik merupakan membran sintetik dan bagian dari membran anorganik. Aplikasi mengenai membran ini telah banyak dikembangkan, seperti untuk proses pemisahan gas dan juga pada proses mikrofiltrasi yang digunakan untuk proses penjernihan air. Bahan-bahan yang digunakan untuk proses pembuatan membran keramik adalah kaolin, tanah liat, felspar, pasir kuarsa dan tepung beras yang digunakan sebagai zat pembentuk pori dengan variasi tiga komposisi. Proses pembuatan keramik menggunakan proses cetak tekan dengan suhu pembakaran sampai 1300°C selama 9 jam. Nilai fluks yang dihasilkan dari membran M25%, M35% dan M45% adalah 2440-2520 L/atm.jam.m2, 1680-1760 L/atm.jam.m2, dan 3660 L/atm.jam.m2. Membran M45% memiliki nilai fluks yang lebih besar dari membran yang lainnya. Semakin banyak bahan pembentuk pori yang digunakan, semakin banyak pori yang terbentuk. Hasil dari uji kuat lentur untuk membran M45% cukup rapuh tapi masih dapat digunakan dengan tekanan 0,5 atm. Struktur dari pori membran dilihat dengan menggunakan SEM, diperoleh poripori yang tidak teratur dengan ukuran pori sekitar 5 µm. Kata Kunci: Membran, keramik, tepung beras, aditif, mikrofiltrasi ABSTRACT Ceramic membrane is a synthetic membrane and a part of inorganic membrane. The applications of this membrane has widely been developed, used in the gas separation and for microfiltration is usually used for the water purification processes. The material powders used to make ceramic membranes are kaolin, ball clay, feldspar, quartz and rice flour which is used as pore forming substance with three compositions. The preparation of ceramic membranes uses the dry pressing process with firing temperature until 1300°C for 9 hours. The flux values that is resulted for M25%, M35% and M45% membrane were 2440-2520 L/atm.h.m2, 1680-1760 L/atm.h.m2 and 3660 L/atm.h.m2. M45% has greater flux value than the others. If more additive was added in the composition, more the pore of membrane was formed too. From the result of tensile strength test, known that M45% membrane was fragille but it was strong enough to used with pressure 0,5 atm. Pore membrane structure was observed by SEM. As a result, the membranes had irregular pores with the pore size about 5 µm. Keywords: Membrane, ceramic, rice flour, additive, microfiltration PENDAHULUAN Beberapa

kehidupan manusia, baik itu membran alami tahun

terakhir

ini,

keberadaan membran sangatlah penting bagi

maupun

membran

sintetik.

Aplikasi

dari

teknologi membran ini banyak digunakan

Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras.... (Iman Rahayu)

53 dalam

bidang

industri,

seperti

pada

pengolahan air laut menjadi air minum, pemekatan

pada

minuman,

sampai

pencucian

darah.

Membran

sintetik

merupakan membran yang paling banyak

proses

mikrofiltrasi,

ultrafiltrasi

dan

penyaringan gas (Ciora et al., 2003). METODE PENELITIAN Pembuatan Membran Keramik

digunakan. Contoh membran sintetik sendiri,

Bahan-bahan yang digunakan untuk

salah satunya adalah membran keramik

pembuatan membran keramik seperti kaolin,

(Boley et al., 2010; Wenten, 2000).

felspar, tanah liat dan pasir kuarsa digerus

Membran keramik termasuk ke dalam

halus dengan menggunakan mortar dan

memiliki

stamper.

dengan

tersebut disaring dengan saringan yang

membran lainnya, seperti membran polimer

berukuran 200 mesh. Penyaringan disini

dan membran cair. Keuntungannya adalah

bertujuan agar ukuran dari butir bahan-bahan

membran

keramik

membran

anorganik,

keuntungan

bila

yang

dibandingkan

keramik

memiliki

ketahanan

Setelah

halus,

tersebut

bahan-bahan

merupakan

campuran

terhadap panas, asam dan basa. Bahan baku

homogen, sehingga tidak mengganggu hasil

membran keramik antara lain tanah liat,

atau proses selanjutnya.

kuarsa

dan

alumina.

pembentuk

bahan

Setelah bahan-bahan tersebut disaring,

bahan-bahan

kemudian dikomposisikan menjadi masing-

Sedangkan

pori

selain

seperti

karbon

kalsium

masing (w/w) 50% kaolin, 15% felspar, 25%

karbonat, juga bahan-bahan organik seperti

pasir kuarsa dan 10% tanah liat. Kemudian

tepung beras, kentang dan jagung (Manohar,

ditambahkan tepung beras sebagai aditif

2012).

yang

anorganik

Pada

dan

prinsipnya

bahan-bahan

pembentuk pori adalah bahan-bahan yang mudah terbakar habis pada saat proses

digunakan

untuk

membentuk

pori

membran, dengan komposisi masing-masing (w/w) 25%, 35%, dan 45%. Bahan-bahan

yang

telah

dicampur

pembakaran. Berdasarkan studi yang pernah

ditimbang sebanyak 180 gram kemudian

dilakukan oleh beberapa peneliti, maka pada

ditambahkan air. Penambahan air dilakukan

penelitian ini akan digunakan tepung beras

agar bahan-bahan pembentuk keramik dapat

sebagai

Proses

bercampur secara homogen atau tercampur

pembuatan membran keramik ini melalui cara

secara merata. Air yang ditambahkan harus

cetak tekan. Pembuatan membran dengan

sesedikit

cara ini memerlukan kondisi campuran dari

banyaknya molekul air yang terkandung

bahan-bahan

dalam

bahan

pembentuk

pembentuk

sedikit

basah

sedikit

air.

atau

membran

hanya

Penggunaan

pori.

yang

mengandung

keramik

sendiri

sebagai membran telah dikembangkan untuk

mungkin, campuran

untuk

menghindari

bahan-bahan

keramik

tersebut. Bahan-bahan yang telah homogen tersebut

ditimbang

sebanyak

70

gram

kemudian dicetak dengan alat cetak tekan,

Sains dan Terapan Kimia, Vol.11, No. 2 (Juli 2017), 52 – 60

54 Hydraulic Press NSP-5, dengan tekanan

silinder atau tabung. Suhu dalam tanur diukur

2

sebesar keramik.

200

kg/cm

Setelah

menjadi

membran

dengan menggunakan bahan yang dapat

pencetakan

kemudian

melebur

membran keramik dikeringkan.

pada

waktu

pembakaran

yang

disebut pancang suhu (pyrometric cone).

Pembakaran Membran Keramik

Membran keramik yang didapatkan

Pembakaran dalam proses pembuatan

kemudian

diuji

permeabilitas

dan

keramik adalah proses paling kritis dan juga

porositasnya terhadap air. Selain itu diukur

sebagai proses terakhir dari pembuatan

pori dan distribusi porinya dengan Scanning

barang-barang keramik. Bila barang-barang

Electron Microscope (SEM). Uji selanjutnya

keramik

menggunakan alat uji kuat lentur untuk

rusak/pecah

dalam

pembakaran

maka barang-barang tersebut tidak dapat

membran keramik.

diperbaiki lagi atau tidak dapat dipergunakan lagi. Kesalahan yang terjadi pada proses sebelumnya

tidak

terlihat

maka

setelah

barang-barang dibakar kesalahan-kesalahan

HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Membran Keramik Nilai susut bakar Pada penelitian ini, proses pembakaran

tersebut akan muncul. Pembakaran berlangsung

di

secara

dalam

tungku

oksidasi

yaitu

membran keramik menggunakan tungku gas dengan

suhu

1300°C

9

Pengukuran

oksigen sehingga nyala api di dalam tungku

pirometer yang terdiri dari termokopel dan

akan

proses

milivoltmeter dan juga dengan menggunakan

juga

pancang suhu yaitu dengan menggunakan

pembakaran

bahan yang dapat melebur pada waktu

pembakaran pembakaran

terang

selama

berlangsung. reduksi

yaitu

Ada

berlangsung dalam suasana jumlah oksigen

dilakukan

jam.

pembakaran dengan menggunakan banyak tetap

suhu

selama

dengan

pembakaran (pyrometric cone).

yang kurang atau sama sekali tidak ada

Pembakaran sendiri dibagi menjadi 3

oksigen dengan api dalam tungku. Nyala api

tahap, tahap pertama adalah penghilangan

pada pembakaran reduksi akan merah dan

uap

berasap

suram,

dilakukan perlahan-lahan dengan tujuan agar

sedangkan nyala api pada pembakaran

uap air dapat menguap, setelah uap air habis

oksidasi akan terang dan tidak berasap.

maka mulai pembakaran zat-zat organik

Pada

pada badan keramik tersebut. Tahap kedua

sehingga

penelitian

ini

suasananya

proses

pembakaran

air.

Pada

tahap

ini

pembakaran

dilakukan dengan menggunakan tungku gas.

adalah

Pada

kontak antar partikelnya yang menyebabkan

awal

pembakaran

berlangsung

bahan baku keramik mengalami

pembakaran reduksi, kemudian dilanjutkan

terjadinya

dengan

mengakibatkan

pembakaran

oksidasi.

Membran

keramik disusun dalam tanur yang berbentuk

tegangan

antar badan

muka

yang

keramik

mengembang. Tahap yang terakhir adalah

Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras.... (Iman Rahayu)

55 pendinginan, setelah pembakaran dihentikan,

Hasil pengukuran diameter membran

tungku dibiarkan dingin dengan sendirinya.

setelah

Jadi

sampai

penyusutan

ukuran

membran keramik dapat diambil dari tungku

perhitungan

nilai

dengan tangan.

dapat dilihat pada Tabel 1.

tungku

dibiarkan

tertutup

pembakaran menunjukkan adanya membran.

susut

Hasil

bakar membran

Tabel 1. Nilai susut bakar pada masing-masing komposisi membran keramik yang dibakar pada suhu 1300°C. Membran

Komposisi Tepung Beras

Diameter membran

I

25%

Awal (cm) 10,10

II

35%

10,10

III

45%

10,10

Akhir (cm) 9,56 9.67 8.95 9,04 9,48 9,15

Berdasarkan Tabel 1 tersebut, dapat adalah

membran

sekitar II

5%,

adalah

sedangkan sekitar

Selisih (cm) 0,54 0,43 1,15 1,06 0,62 0,95

5,35 4,26 11,39 10,50 6,14 9,41

Rata-rata 4,81 10,95 7,78

Uji porositas

dilihat bahwa nilai susut bakar dari membran I

Nilai susut bakar (%)

Uji porositas dari membran keramik

untuk

dilakukan untuk mengetahui terbentuknya

dan

pori atau tidaknya membran keramik yang

11%

membran III adalah sekitar 8%. Penyusutan

terbentuk.

Uji

ini

ini terjadi karena bahan-bahan pembentuk

merendam membran keramik

badan keramik mengalami perubahan bentuk

yang

padatan menjadi leburan pada saat proses

ditimbang. Hasil dari uji porositas masing-

pembakaran dan juga menguapnya molekul

masing membran keramik dapat dilihat pada

air pembentuk dan air hidrat dari bahan-

Tabel 2.

mendidih,

dilakukan

dengan

di dalam air

kemudian

beratnya

bahan pembentuk badan membran, dengan kata lain terjadi dehidrasi. Tabel 2. Hasil uji porositas pada masing-masing komposisi dari membran keramik Membran

Komposisi Tepung Beras

Kering (gram) 42,69

I

25% 42,65 39,14

II

35% 39,07 37,21

III

45% 36,94

Berat membrane Basah Selisih (gram) (gram) 60,99 18,30 61,04 18,35 60,92 18,27 60,46 17,81 53,19 14,05 53,10 13,97 52,75 13,69 52,44 13,38 55,40 18,19 54,64 17,43 56,23 19,29 56,87 19,93

Sains dan Terapan Kimia, Vol.11, No. 2 (Juli 2017), 52 – 60

Porositas (%) 42,87 42,98 42,84 41,76 35,90 35.69 35,04 34,25 48,88 46,84 52,22 53,95

Rata-rata 42,93 42,30 35,80 34,65 47,86 53,09

56 Dilihat dari Tabel 2, untuk membran

membran II memiliki pori yang lebih rapat

keramik dengan komposisi 25% memiliki

dibandingkan dengan membran I. Pori yang

porositas

sekitar

rapat dapat disebabkan pada saat proses

memiliki

porositas

sedangkan

42-43%

yang

yang

membran

berarti

cukup

pembakaran.

Pada

proses

pembakaran

dengan

tersebut, suhu pada tungku pembakaran

komposisi 35% memiliki porositas sekitar 35-

tidak merata sehingga terjadi proses sintering

36%

dengan

yang berbeda. Posisi penempatan pada

memiliki porositas

tungku pembakaran dapat berpengaruh pada

dan

keramik

baik,

membran

komposisi aditif 45%

keramik

sekitar 48-53%. Secara teori, semakin besar

kematangan

komposisi aditif yang ditambahkan untuk

membran

membentuk pori maka porositasnya akan

maka makin lama juga pemanasan pada

semakin besar. Jadi, seharusnya porositas

suhu yang tinggi, sehingga proses sintering

membran

akan mudah terjadi dan tentu saja dapat

keramik

tersebut

berurutan

membran,

keramik

tersebut

membran I memiliki porositas lebih kecil

memperkecil ukuran pori.

daripada

membran

Uji kuat lentur

memiliki

porositas

II dan lebih

membran

besar

III

daripada

Uji

kuat

semakin

lentur

bawah

ditempatkan,

dilakukan

untuk

membran II (membran I < membran II <

mengetahui kekuatan dari membran keramik

membran III).

yang

Disini terjadi penyimpangan dimana harga

porositas

dari

membran

dihasilkan

diberikan.

terhadap

Membran

tekanan

keramik

yang

dibentuk

keramik

menjadi persegi panjang dengan ukuran

dengan komposisi aditif 35% memiliki harga

panjang sekitar 5 cm dan lebar sekitar 2 cm.

porositas lebih rendah bila dibandingkan

Hasil uji kuat lentur pada masing-masing

dengan membran keramik dengan komposisi

komposisi untuk membran keramik dapat

aditif 25%. Hal ini dapat dijelaskan karena

dilihat pada Tabel 3.

Tabel 3. Hasil uji kuat lentur untuk membran keramik pada masing-masing komposisi

I

Komposisi Tepung Beras 25%

II III

35% 45%

Membran

Hasil

kuat

dari

7,75 7,50 7,00 5,50 4,50

Ukuran membran Lebar Tebal (cm) (cm) 2,21 0,54 2,23 0,55 2,06 0,51 2,15 0,53 2,19 0,55

Kuat lentur 2 (kg/cm ) 90,20 83,38 97,98 68,31 50,94

sedangkan membran dengan komposisi aditif

keramik

25% dan 45% masing-masing memiliki kuat

dengan komposisi aditif 35% memiliki kuat

lentur 83-90 kg/cm2 dan 51-68 kg/cm2.

lentur yang paling besar yaitu 97,98 kg/cm2,

Secara teori, kuat lentur yang dihasilkan

bahwa

lentur

Berat (kg)

tabel

menunjukkan

uji

Jarak penumpu (cm) 5 5 5 5 5

membran

Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras.... (Iman Rahayu)

57 seharusnya membran I memiliki kuat lentur

mengetahui efisiensi pemisahan membran.

yang lebih besar bila dibandingkan dengan

Parameter ini dipengaruhi oleh komposisi

membran II dan membran III, sedangkan

membran, struktur, distribusi dan ukuran pori.

membran II memiliki kuat lentur yang lebih

Pada

besar dibandingkan dengan membran III.

permselektivitas. Permeabilitas adalah laju

Kuat

lentur

berbanding

penambahan

aditif,

penelitian

ini

tidak

dilakukan

uji

terbalik

dengan

alir yang menunjukkan banyaknya air yang

semakin

besar

pindah melalui membran dengan bantuan

penambahan aditif maka kuat lentur akan

gaya

pendorong

yaitu

semakin berkurang karena membran akan

pendorong sendiri dapat berupa perbedaan

semakin rapuh karena banyaknya pori yang

tekanan,

terbentuk. Membran II memiliki kuat lentur

perbedaan suhu.

perbedaan

tekanan.

Gaya

konsentrasi

dan

yang lebih besar daripada membran I, karena

Uji permeabilitas membran dilakukan

terjadinya proses sintering yang terjadi pada

terhadap air suling dengan memberikan

membran II, sehingga membentuk membran

tekanan sebesar 0,5 atm. Volume air yang

keramik yang cukup kuat.

keluar

Uji permeabilitas

gelas ukur dan ditampung setiap menitnya.

Permeabilitas

dan

permselektivitas

merupakan parameter yang penting untuk

ditampung

dengan

menggunakan

Pengukuran dilakukan sampai diperoleh nilai fluks yang konstan.

Tabel 4. Hasil uji permeabilitas untuk masing-masing komposisi membran keramik yang dihasilkan Membran M25% M35% M45%

Luas permukaan -4 2 x 10 (m ) 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85 7,85

Tekanan (atm) 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50

Berdasarkan Tabel 4, masing-masing membran

dengan

komposisi

aditif

25%

memiliki laju alir atau fluks sebesar 24402

Waktu -2 x 10 (jam) 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67

Volume -3 x 10 (L) 16,00 16,00 16,50 11,00 11,00 11,50 24,00 24,00 24,00

Permeabilitas x 3 10 2 (L/atm.jam.m ) 2,44 2,44 2,52 1,68 1,68 1,76 3,66 3,66 3,66

komposisi aditif 25%. Hal ini telah dijelaskan sebelumnya

bahwa

membran

dengan

komposisi aditif 35% mengalami sintering

2520 L/atm.jam.m , untuk membran keramik

pada saat proses pembakaran dalam tanur,

dengan komposisi aditif 35% memiliki laju alir

yang berarti ukuran pori pada membran

1680-1760 L/atm.jam.m2, lebih kecil bila

dengan

dibandingkan

mengalami pengecilan sehingga nilai fluks

dengan

membran

dengan

Sains dan Terapan Kimia, Vol.11, No. 2 (Juli 2017), 52 – 60

komposisi

aditif

35%

telah

58 juga berkurang. Proses sintering terjadi pada suhu yang tinggi sehingga ada kemungkinan suhu dalam tanur pembakaran tidak merata. Pada

membran

keramik

dengan

SEM (Scanning Electron Microscope) Penggunaan SEM dalam penelitian ini merupakan mengetahui

metode karakteristik

langsung dari

dalam

membran.

komposisi aditif 45% memiliki laju alir yang

Metode ini dapat digunakan untuk melihat

lebih

dengan

morfologi membran yang meliputi struktur

membran yang lainnya yaitu sebesar 3660

membran dan penampang lintang serta untuk

L/atm.jam.m2. Berarti pada membran ini pori

mengetahui statistika pori yang meliputi

yang

distribusi pori dan ukuran pori.

besar

bila

terbentuk

dibandingkan

banyak,

hal

ini

dapat

disebabkan karena penambahan aditif akan

Berdasarkan

hasil foto

SEM

pada

menyebabkan pori yang terbentuk semakin

membran dengan komposisi aditif 45% dapat

banyak pula. Terbentuknya pori disebabkan

dilihat bahwa terdapat banyak pori pada

karena terbakarnya zat-zat organik termasuk

membran tersebut yang tersebar secara

tepung beras menjadi karbon dioksida.

acak. Banyaknya pori yang tersebar pada membran tersebut menyebabkan membran tersebut rapuh.

Gambar 1. Foto SEM permukaan membran dengan komposisi (w/w) 50% kaolin, 25% pasir kuarsa, 10% tanah liat dan 15% felspar dengan komposisi aditif sebesar 45% yang diperbesar sampai 600 kali. Walaupun rapuh, membran ini masih

kali seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1

dapat digunakan untuk penyaringan dengan

dan Gambar 2 menunjukkan foto membran

menggunakan tekanan yang rendah (sekitar

keramik yang diperbesar 2000 kali. Ukuran

0,5 atm). Foto yang diambil dari membran

pori dari membran keramik yang terbentuk

dengan komposisi aditif 45% diperbesar 600

adalah sekitar 5 µm.

Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras.... (Iman Rahayu)

59

Gambar 2. Foto SEM permukaan membran dengan komposisi (w/w) 50% kaolin, 25% pasir kuarsa, 10% tanah liat dan 15% felspar dengan komposisi aditif sebesar 45% yang diperbesar sampai 2000 kali KESIMPULAN

beras

Dari hasil penelitian tentang membran keramik dapat diambil kesimpulan, sebagai berikut: 1. Membran dengan komposisi aditif 45% dengan komposisi badan keramik 50% kaolin, 25% pasir kuarsa, 10% tanah liat dan

15%

(w/w)

felspar

memiliki

permeabilitas yang tinggi sebesar 3,66 x 103 L/atm.jam.m2, tetapi sangat rapuh dibuktikan dengan uji kuat lentur yang hanya 51-68 kg/cm2 bila dibandingkan dengan

membran

yang

lainnya.

sangat

baik

sebagai

bahan

pembentuk pori. 3. Membran

keramik

yang

dihasilkan

termasuk

membran

asimetrik

berdasarkan

bentuknya,

membran

berpori berdasarkan struktur dan prinsip pemisahannya, serta membran mikropori untuk mikrofiltrasi berdasarkan ukuran pori dan fungsinya 4. Pori

yang

terbentuk

pada

membran

tersebar secara acak dengan ukuran sekitar 5 µm dilihat dari foto SEM. DAFTAR PUSTAKA

Walaupun rapuh membran masih dapat digunakan

pada

proses

penyaringan

dengan tekanan kurang dari satu atm. 2. Penggunaan tepung beras berpengaruh terhadap pembentukan pori membran, dengan

bertambahnya

konsentrasi

tepung beras maka pori yang terbentuk semakin banyak yang berarti tepung

Agusta, I. 2002. Pembuatan dan Karakteristik Membran Keramik untuk Mikrofiltrasi. Skripsi. Universitas Padjadjaran, Bandung. Boley, K., Narasimhan, M. Kieninger, Muller, W.R. 2010. Ceramic membrane ultrafiltration of natural surface water with ultrasound enhanced backwashing, Water Science and Technology. 61(5): 1121-1127.

Sains dan Terapan Kimia, Vol.11, No. 2 (Juli 2017), 52 – 60

60

Ciora, R.J. & P.K.T. Liu. 2003. Ceramic Membranes for Environmental Related Applications, Fluid/Particle Separation Journal, 15(1): 51 -60. Manohar, 2012. Development and Characterization of Ceramic Membrane, International Journal of Modern Engineering Research (IJMER). 2: 1492-1506. Mulder, M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology. Kluwer Academic Press. Dordrecht Wenten, I.G., & B. Kresnowati. 2000. Development of Membrane Technology in Indonesia : Prospects and Challenges. Institut Teknologi Bandung. Bandung.

Pembuatan dan Karakterisasi Membran Keramik dengan Variasi Tepung Beras.... (Iman Rahayu)