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)
