BAB IV PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI
IV.2. Karakterisasi nanofluida 1. Pengukuran pH
IV.2.3 Electric Double Layer (EDL)
Suspensi atau dispersi banyak diperlukan dalam kehidupan sehari-hari seperti tinta, keramik, pembersih abrasif, dan obat. Nanofluida adalah salah satu jenis suspensi. Salah satu ukuran atau karakteristik penting dari suspensi adalah kestabilan. Untuk mengontrol mutu, unjuk kerja, sekaligus menjaga konsistensi produksi, maka kestabilan suspensi harus dijaga pada tingkat tertentu. Agar dapat menjaga kestabilan suspensi pada tingkat yang baik, maka hal-hal yang mendasarinya seperti pembentukan muatan,
electric double layer, dan potensial zeta yang akan diterangkan
sesudah ini, perlu diketahui.
Material yang masuk ke dalam medium polar seperti air akan secara spontan memiliki muatan listrik permukaan. Umumnya antar
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
muka (interface) di dalam medium air bermuatan negatif. Mekanisme pemuatan permukaan terjadi melalui [115], 1. Perbedaan afinitas elektron, 2. Ionisasi grup permukaan, 3. Adsorpsi ion diferensial dari larutan elektrolit, 4. Dissolusi ion diferensial dari kisi kristal, 5. Anisotropi permukaan, dan 6. Substitusi isomorf.
Mekanisme 1 bertanggung jawab dalam pembentukan potensial kontak antara logam-logam yang berbeda. Mekanisme ini penting dalam korosi dan pengaruh termoelektrik. Mekanisme 2 dijumpai pada semua permukaan oksida logam (M-OH) dan material yang mengandung grup karboksil dan atau amino. Grup amino ini termasuk protein, polimer ionik, dan polielektrolit yang banyak digunakan di bidang farmasi. ionisasi dan/atau dissosiasi grup-grup ini, dan muatan molekular, termasuk jenis muatannya, dipengaruhi oleh pH medium dispersi. Pada mekanisme 3, muatan permukaan bersih timbul dari proses adsorpsi ion bermuatan yang berbeda jenis yang tidak sama. Mekanisme 3 terjadi pada suspensi material liofobik seperti polimer lateks. Zat padat ionik seperti CaCO3, hidroksiapatit [Ca5(PO4)3(OH)], dan barit (BaSO4) mendapat muatan permukaan melalui mekanisme 4 dengan pelepasan (dissolusi) tidak sepadan (unequal) dari ion bermuatan dengan muatan berlawanan.
Penambahan sedikit ion Ca2+ (misalnya memakai CaCl2) dapat
dilakukan untuk mengatur muatan bersih dari suspensi CaCO3
dalam air.
Mekanisme 5 timbul dari anisotropi sebagian besar kisi kristal. Pembentukan muatan terjadi karena cacat tipe n dan p di dalam kristal. Untuk oksida mineral, pembentukan muatan ini menghasilkan grup hidroksil ampoterik yang dapat menghasilkan reaksi dengan baik H+ maupun OH-. Salah satu contoh adalah silika. Muatan permukaannya negatif karena grup silanol (-SiOH) adalah asam lemah. Oksida dari sebagian besar logam valensi 2 dan 3 seperti MgO dan Al2O3 bersifat ampoter. Setiap dissolusi (pelarutan)
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
cenderung dalam bentuk hidroksida. Perubahan pH larutan dapat menyebabkan pengendapan kembali ke permukaan oksida yang kemudian mengubah kimia permukaan dan muatan.
Mekanisme 6 adalah substitusi isomorf yaitu mekanisme yang lebih ekstrim dari mekanisme 5. Ini terjadi pada material clay (yaitu montmorillonite dan vermiculite) di mana muatan negatif yang besar muncul karena perbedaan valensi antara ion Al3+ dan Si4+ di dalam struktur kristal alumino-silikat. Muatan permukaan (netto) dari clay tergantung pada riwayatnya.
Meskipun elektrolit tidak dapat mengionisasi medium nonpolar (pelarut dengan dielektrik yang kecil sekitar 2 seperti alkana [yang terkecil metan CH4]) secara penuh, partikel yang terdispersi di dalam medium seperti itu akan mendapatkan muatan dan gaya elektrostatik, yang penting dan menentukan dalam stabilisasi suspensi non-aqueous. Polimer asam (PVC, polyvinylchloride) atau polimer basa (PMMA, polymethylmethacrylate) merupakan pembentuk suspensi yang efektif untuk dispersi partikel di dalam media non-aqueous.
Partikel yang masuk kedalam medium akan secara spontan membentuk muatan pada permukaannya. Pembentukan muatan bersih pada permukaan partikel mempengaruhi distribusi ion di sekitar daerah antar muka (interface) dan menyebabkan peningkatan konsentrasi ion dengan muatan berlawanan di sekitar permukaan. Keadaan ini menghasilkan electric double layer (EDL) seperti terlihat pada Gambar 4.10 dan 4.11. Lapisan cairan di sekitar partikel terdiri dari dua bagian, pertama di bagian dalam yang disebut stern layer di mana ion-ion terikat secara kuat (immobile), dan kedua, bagian luar yaitu daerah difusi (diffuse region) di mana ion-ion kurang terikat secara kuat (dapat berdifusi). Di daerah difusi terdapat slipping
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
plane disebut sebagai potensial zeta (zeta potential, diberi notasi
ζ). Potensial zeta dapat didefinisikan sebagai perbedaan potensial elektrostatik antara titik rata-rata pada shear plane dan satu titik di cairan yang jauh dari setiap partikel.
Potensial zeta tidak dapat diukur secara langsung. Besaran yang dapat diukur dari sebuah suspensi adalah mobilitas (µ). Dari mobilitas potensial zeta dapat ditentukan menggunakan persamaan (4-7).
µ = ( ε1.ε2. ζ )/η………...…………(4-7) dengan, ζ adalah potensial zeta, µ adalah mobilitas muatan, ε1 adalah dielektrik partikel, ε2 adalah tetapan dielektrik medium, dan η adalah viskositas suspensi.
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
.
Gambar 4.11. Electric Double Layer (EDL) dengan penggambaran yang
berbeda [115].
Yang mempengaruhi karakteristik suspensi hasil dispersi partikel zat padat ke dalam cairan adalah ukuran partikel dan distribusinya, bentuk atau morfologi partikel, luas permukaan, muatan permukaan, jumlah dan distribusi muatan, dissosiasi, penyerapan permukaan (preferential adsorption), keseimbangan hidrofobik/hidrofilik, tegangan permukaan dan sudut kontak [115] .
Untuk menjaga agar sebuah suspensi stabil dapat dilakukan beberapa langkah yaitu: 1. mencegah koagulasi dengan membuat repulsi partikel tetap berlangsung, 2. memperlambat laju jatuh partikel dengan memperbesar viskositas, dan 3. membentuk struktur jaringan. Langkah ke 1, dapat dilakukan dengan stabilisasi sterik seperti Gambar 4.12a dan stabilisasi elektrostatik seperti Gambar 4.12b. Langkah 2 dilakukan dengan memperhatikan persamaan
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
Stoke (4-8)[9]. Langkah ke 3 diwujudkan dengan membentuk struktur seperti Gambar 4.12c. Stabilisasi sterik ialah stabilisasi menggunakan polimer untuk melapisi permukaan partikel yang dapat menghasilkan gaya tolak antar partikel. Stabilisasi elektrostatik atau stabilisai muatan ialah stabilisasi yang dilakukan dengan mengubah konsentrasi ion di dalam sistem.
a. b. c.
Gambar 4.12. Teknik stabilisasi suspensi. a. Sterik, b. Elektrostatik,
dan c. Struktur jaringan. (a dan b dari [115] dan c dari [117] ).
Persamaan Stoke dapat ditulis sebagai berikut [9]:
………..………...….….(4-8)
dengan,
v
adalah kecepatan jatuh partikel, ∆ρadalah perbedaan densitas antara partikel dan medium,g
adalah gaya grafitasi bumi,a
adalah diameter partikel, dan η adalah viskositas suspensi. Sebuah suspensi dapat mengalami sedimentasi melalui mekanisme seperti Gambar 4.13.BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
Gambar 4.13. Mekanisme sedimentasi sebuah suspensi.
Potensial zeta dapat digunakan untuk mengetahui apakah sebuah suspensi atau koloid stabil atau tidak karena merupakan indeks besaran interaksi antar partikel. Jika partikel mempunyai potensial yang besar baik negatif maupun positif, maka partikel-partikel akan saling menolak, menghasilkan kestabilan dispersi. Jika partikel-partikel mempunyai potensial zeta kecil, maka tidak ada gaya untuk mempertahankan agar partikel-partikel tidak saling menempel. Jika potensial zeta lebih besar dari +30mV atau lebih kecil dari -30 mV, maka suspensi atau koloid stabil. Keadaan ini diperlihatkan pada Gambar 4.14.
Gambar 4.14. Peta data kestabilan suspensi atau koloid berdasarkan
BAB IV | PENYIAPAN DAN KARAKTERISASI NANOFLUIDA
Jika kedalam sebuah suspensi ditambahkan cairan basa, maka partikel di dalamnya akan mendapatkan tambahan muatan negatif. Kemudian, jika kedalam suspensi ini ditambahkan cairan asam, maka akan dicapai sebuah keadaan di mana muatan netral. Penambahan asam selanjutnya akan menyebabkan partikel di dalamnya akan mendapatkan tambahan muatan positif. Secara umum potensial zeta akan positif pada harga pH rendah dan akan rendah atau negatif pada pH tinggi. Kemungkinan akan ada titik di mana kurva melewati potensial zeta yang berharga nol. Titik ini disebut titik isoelektrik (isoelectric point, IOP) di mana sebuah suspensi atau koloid paling tidak stabil. Keadaan ini terlihat pada hasil pengukuran potensial zeta untuk sebuah nanofluida Air-ZrO2 yang diperlihatkan pada Gambar 4.15.