DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1 Ukuran kristal sampel
TINJAUAN PUSTAKA Cangkang Telur
karbonat yang diperoleh dari saluran telur (http://en.wikipedia.org/wiki). Tingginya kandungan CaCO3menjadikan cangkang telur sebagai komoditas yang berpotensi sebagai starting material biokompatibel biomaterial.
Hydroxyapatite (HAp) yang salah satu prekursor atau komponennya berasal dari ekstrak cangkang telur. Bahan hydroxyapatite
(HAp) merupakan bahan biokeramik yang ada di tulang atau gigi sehingga bahan ini dapat digunakan sebagai implant untuk tulang dan gigi.
Para peneliti di Ohio State University telah menemukan cara memanfaatkan cangkang telur dalam proses produksi Hidrogen. Cangkang telur digunakan untuk menyerap karbon dioksida dari sebuah reaksi yang menghasilkan bahan bakar hidrogen. Proses ini juga menghasilkan membran yang mengandung kolagen dari bagian dalam cangkang. Hal itu menuntun mereka ke cangkang telur, yang paling banyak mengandung kalsium karbonat.
Cangkang telur yang digiling bisa digunakan pada reaksi pemisahan air gas. Kalsium karbonat kandungan utama telur yang menangkap 78 % dari seluruh berat karbon dioksida. Itu berarti bahwa dari jumlah karbon dioksida dan cangkang telur yang sama, cangkang akan menyerap 78% karbon dioksida. Ini menjadikannya penyerap karbon
dioksida paling efektif yang pernah diuji (L.S. Fan, 2007).
Sebelum bisa menggiling cangkang telur tersebut harus membuang membran yang mengandung kolagen yang menempel di dalamnya. Bagian itu menghasilkan asam organik yang bisa dijual. Sekitar 10 persen membran mengandung kolagen, yang laku dijual seharga sekitar US$1000 per gram. Setelah diekstrak, kolagen ini dapat digunakan dalam makanan atau obat-obatan, atau untuk perawatan kesehatan. Dokter menggunakan kolagen untuk membantu regenerasi kulit pada korban kebakaran dan juga digunakan dalam bedah kosmetik.
Tujuan
1. Sintesis CaTiO3 dari cangkang telur dan TiO2dengan metode hidrotermal
2. Mengukur nilai kapasitansi CaTiO3
3. Mengukur nilai dari konstanta dielektrik bahan organik CaTiO3
4. Melakukan karakterisasi CaTiO3 dengan XRD dan SEM
TINJAUAN PUSTAKA Cangkang Telur
Cangkang telur selama ini jarang dimanfaatkan dan hanya menjadi limbah yang berpotensi mencemari lingkungan. Padahal cangkang telur itik ini diketahui memiliki komponen yang cukup berguna, paling tidak sebagai sumber kalsium (Ca) alami untuk nutrisi (Schaafsma, et al.2000).
Cangkang telur tersusun atas struktur berlapis tiga, yaitu lapisan kutikula,
lapisan spong dan lapisan lamelar. Lapisan kutikula merepresentasikan permukaan terluar dan terdiri dari sejumlah protein. Lapisan
spong dan lamelar membentuk matriks yang tersusun oleh serat-serat protein yang terikat dengan kristal kalsium karbonat (CaCO3) atau disebut juga kalsit dengan perbandingan 1:50.
Cangkang telur memiliki bobot sebesar 11% dari bobot total seluruh telur. Komposisi utama dalam cangkang ini adalah kalsium karbonat (CaCO3) sebesar 94% dari total bobot keseluruhan cangkang, kalsium fosfat (1%), bahan-bahan organik (4%) dan magnesium karbonat (1%). Kandungan kalsium dari cangkang telur itik dapat digunakan sebagai sumber yang efektif untuk metabolisme tulang (Sasikumar dan Vijayaraghavan, 2006).
2
Pemanfaatan limbah cangkang telur sebagai energizer alternatif pada proses karburisasi padat. Selain itu, dikaji pula penggunaan energizer alternatif ini pada arang yang telah diaktifkan dan arang yang belum diaktifkan. Metode penelitiannya dimulai dengan penghalusan arang (sumber karbon) dan energizer (cangkang telur), kemudian mencampurkannya dalam berbagai komposisi arang-energizer, dengan tujuan mengetahui komposisi paling efektif.
Kalsium karbonat sebagai kandungan utama di dalam cangkang telur dapat ditransformasikan menjadi kalsium oksida (CaO) melalui pemanasan hingga sampel 9000C. Reaksi kimia yang terjadi akibat pemanasan ini diberikan oleh persamaan:
CaCO3 Heat CO2 + CaO Pada persamaan reaksi diatas tampak bahwa dengan pemanasan hingga suhu tertentu (9000C), CaCO3 terdekomposisi menjadi CaO dengan membebaskan gas karbondioksida (CO2) (Rivera, et al.1999).
CaTiO3
Kalsium Titanat (CaTiO3) adalah bahan keramik titanat yang memiliki struktur perovskite untuk penghentian limbah nuklir tingkat tinggi (Ringwood, et all .1988). Struktur perovskite Kalsium Titanat (CaTiO3) seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1. CaTiO3 dikenal sebagai keramik dielektrik dengan konstanta dielektrik tinggi yaitu 170 dan koefisien suhu negatif. CaTiO3 memiliki aplikasi penting dalam sistem komunikasi gelombang mikro (Chen, et al. 2003). Dibawah ini adalah gambar struktur perovskite kalsium titanat.
CaTiO3 juga digunakan sebagai bahan keramik elektronik (elektrokeramik) khususnya sebagai bahan ferolisktrik dan bahan dielektrik secara umum (Wang, et al. 2001).
Gambar 1 Stuktur perovskite CaTiO3.
Kalsium Titanat juga acuan utama untuk strontium, suatu unsur limbah yang penting dan dapat menyertakan pentingnya sejumlah lantanida dan aktinida (Hanajiri, et al. 1998).
CaTiO3 telah banyak dikaji berbagai sifat fisikanya oleh sejumlah peneliti. Sifat-sifat fisika CaTiO3 yang telah diteliti meliputi sifat listrik khususnya konduktivitas (Wang, et al. 2002), sifat optik baik dengan metode absorpsi UV-Vis maupun studi fotoluminesensi (Wang,
et al. 2002; Ueda, et al. 1999) uji sifat termolistrik, studi sifat dielektrik (Chen, et al. 2003) dan sifat ferolistriknya (Wang, et al. 2001).
Disamping itu juga cukup banyak dikaji tentang struktur dan mikrostrukturnya yaitu struktur kristal dan struktur elektroniknya baik secara teoritis maupun eksperimen (Ueda, et al. 1999).
Hidrotermal
Sintesis hidrotermal didefinisikan sebagai metode penumbuhan material (kristal) di dalam air panas pada tekanan tinggi. Penumbuhan kristal dilakukan di dalam
autoclave dari bahan stainless steel. Jika temperatur meningkat maka tekanan akan meningkat dalam autoclave. Temperatur dapat dinaikkan diatas titik didih air dan pencapaian tekanan dari saturasi uap air (Fernandes GF dan Laranjeira MCM,1999).
Metode hidrotermal adalah suatu cara untuk mengatasi kekurangan dari metode basah seperti pemakaian dalam waktu lama dan kontaminasi kimia, juga memungkinkan sintesis CaTiO3 mempunyai kemurnian yang tinggi untuk waktu kerja yang pendek. Metode hidrotermal merupakan metode yang sesuai untuk mempersiapkan kristal yang baik bentuk dan komposisi yang dapat dicapai pada temperatur rendah (Ashok, et al. 2007). Metode hidrotermal pada penelitian ini menggunakan prekursor kalsium (Ca) dari cangkang telur. Kalsium karbonat (CaCO3) diekstraksi dari cangkang telur itik kemudian ditransformasikan menjadi CaO melalui proses pemanasan hingga 9000C di dalam furnace. Metode hidrotermal dipilih karena relatif sederhana tanpa menggunakan peralatan yang rumit dan mahal (Ding, et al. 2004), selain itu juga mempunyai beberapa keuntungan seperti pemanasan cepat, reaksi cepat, hasil lebih bagus, kemurnian tinggi dan efesiensi transformasi energi tinggi (Hanajiri Y, et al.1998).
3
Dielektrik
Isolator elektrik memiliki beberapa elektron bebas yang berada dalam konduktivitas normal dan membentuk insulator ideal yang tidak memiliki elektron bebas. Beberapa material memiliki sifat listrik yang menarik karena kemampuan medan listrik untuk polarisasi material yang menghasilkan dipol listrik. Dipol adalah susunan dua muatan positif dan negatif yang sama dipisahkan oleh jarak yang kecil, momen dipol listrik (p) didefenisikan sebagai p= qr, yang diilustrasikan pada Gambar 2.
q
q
r Gambar 2. Pemisahan muatan membentuk dipol.
Momen dipol listrik adalah sebuah vektor yang secara konvensional arahnya dari muatan negatif ke positif dan satuan momen dipol listrik adalah Debye (1 Debye =
3,3310
30coulomb-meter).Hubungan antara Q dan medan Ediperoleh dari faktor dimensi
0, permitivitas darivakum:
Q
0E
,dimana
08,85410
12Farad/meter dan Q sebagai sumber dari garis flux elektrik dipermukaan antara plat, rapat garis flux disebut perpindahan elektrik (D).D=
Q
0E
...(1) Selama muncul di dalam material pada saatkehadiran medan, dipol hadir sebagai bentuk permanen dari struktur molekul yang disebut dipol permanen. Material yang di dalamnya ada pengaruh polarisasi disebut dielektrik. Medan listrik menghasilkan polarisasi listrik dalam material. Kerja dari kapasitor akan menggambarkan pengaruh dari polarisasi listrik dan memungkinkan dielektrik diperkenalkan secara makroskopi tanpa mempertimbangkan secara detail apa yang terjadi pada skala atomik (M.C.Lovell, et al.1976).
Kapasitor dengan dielektrik padat seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4, anggap baterai masih dihubungkan medium dielektrik dengan mengisi permukaan antar plat. Medium menjadi terpolarisasi oleh medan dan dipol muncul di keseluruhan material sesuai arah medan. Semua dipol dari muatan berlawanan di dalam material akan dihilangkan tetapi akan ada muatan ketidakseimbangan permukaan, muatan negatif disebelah atas dan muatan
positif dibawah. Muatan permukaan akan menarik dan menahan kumpulan muatan yang berlawanan diatas plat, tidak seperti dipol yang dapat berpindah secara bebas.
Kenaikan kapasitansi disebabkan oleh melemahnya medan listrik diantara keping kapasitor akibat kehadiran dielektrik. Dielektrik dapat memperlemah medan listrik antara keping-keping suatu kapasitor, karena dengan hadirnya medan listrik, molekul- molekul dalam dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar (Tipler, 1998). Pada Gambar 4 akan terlihat perbedaan antara keping kapasitor tanpa dielektrik dan diberi dielektrik dimana setelah diberi dielektrik akan muncul dipol-dipol listrik sehingga menghasilkan medan induksi.
Gambar 3 Kapasitor dengan dielektrik padat.
Gambar 4.1 Tanpa dielektrik.
Gambar 4.2 Diberi dielektrik (terjadi dipol dipol kecil). + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - -
V
- - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +4
Gambar 4.3 Dielektrik yang memiliki medan induksi.
Kapasitor
Kapasitor adalah komponen elektronik yang dapat menyimpan muatan jika diberi medan listrik, kapasitor keping sejajar yang diilustrasikan pada Gambar 5. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan listrik ini disebut sebagai kapasitansi. Sebagian besar kapasitor memiliki lembar isolator (misalnya kertas atau plastik) yang disebut dielektrikum yang diletakan diantara plat-platnya (Giancoli, 2005).
Suatu material nonkonduktor seperti kertas, kaca atau kayu disebut dielektrik. Ketika ruang diantara dua konduktor diisi dengan dielektrik, kapasitansi naik sebanding dengan faktor K yang merupakan karakteristik dielektrik dan disebut konstanta dielektrik.
Besar muatan yang tersimpan dalam kapasitor sebanding dengan beda potensialnya.
CV
Q
(1) dimana: V= beda potensial (Volt)C=kapasitansi kapasitor(Farad)
Gambar 5 Kapasitor keping sejajar.
Karena medan listrik antara bidang–bidang kapasitor bersifat seragam, maka perbedaan potensial antara bidang sama dengan medan
dikali jarak pemisah d. Jadi besarnya beda potensial yang melewati suatu kapasitor adalah:
V
Ed
d
0
... (2) Nilai kapasitansi dari suatu kapasitorditentukan oleh faktor geometris dan jenis bahan dielektriknya. Untuk kapasitor plat sejajar, faktor geometris ditentukan oleh luas permukaan plat elektroda serta tebal bahan dielektrik. Sedangkan sifat bahan dielektrik ditentukan oleh konstanta dielektrik pada frekuensi tertentu.
Pada ruang hampa udara kapasitansi kapasitor diberikan oleh:
d
A
C
0
0 ... (3) dimana:
oC
kapasitansi ruang hampa
o
permitivitas ruang hampa A =luas permukaan elektroda d = jarak antar elektrodaJika di antara plat elektroda ditempatkan suatu bahan dielektrik, maka kapasitansinya akan bertambah besar :
d
A
k
d
A
C
0 ... (4)k
0
adalah permitivitas bahan yang nilainya sebanding dengan permitivitas ruang hampa dengan konstanta pembanding yang disebut konstanta dielektrik. Dari persamaan 3 dan 4, konstanta dielektrik dapat dinyatakan sebagai perbandingan kapasitansi bahan C terhadap kapasitansi ruang hampaC
00
C
C
k
atau 0
k
...(5)Pengisian kapasitor adalah Jika kapasitor yang dihubungkan dengan terminal terminal baterai akan terjadi pengisian (muatan) pada keping-keping kapasitor yang diilustrasikan pada Gambar 6 dan kurva pengisian kapasitor yang diilustrasikan pada Gambar 7
5
Gambar 6 Pengisian kapasitor.
Gambar 7 Kurva pengisian kapasitor. Medan listrik dapat menimbulkan polarisasi muatan, menyebabkan molekul mempunyai muatan dipol permanen. Sebaliknya, akan polarisasi menimbulkan kerapatan muatan pada kapasitor. Hal ini dapat diketahui dengan memisahkan dua plat kapasitor sejauh d meter dan diantara plat diberikan tegangan sebesar V volt sehingga terjadi medan listrik.
Pada saat t = 0 dan saklar ditutup maka pada kapasitor C tidak ada muatan sehingga tak ada beda potensial di ujung ujung kapasitor. Beda potensial di ujung ujung R adalah dan arus maksimum I0= / R. Jika pada saat t = t dan saat setelah S ditutup, di kapasitor sudah ada muatan Q (+Q di keping + dan –Q di keping -). Beda tegangan di ujung ujung kapasitor menjadi Q/C Akibatnya beda tegangan di ujung ujung R dan arus turun (Sugata,1994).
Dari hukum Kirchoff:
)
1
...(
...
...
0
C
Q
iR
V
dan hubungan)
2
...(
...
...
...
dt
dq
i
didapat persamaan :RC
dt
dq
Q
CV
Q
RC
dt
CV
dq
1
)
3
...(
...
)
ln(
k
RC
t
Q
CV
kadalah konstanta integrasi, dari syarat t = 0 muatan Q = 0, akan didapat
k
ln(CV)
.Ketika kapasitor terisi penuh, beda tegangan di ujung ujung kapasitor adalah V dan muatan di kapasitor adalah
)
4
....(
...
...
CV
Q
m
Persamaan (1) menjadiRC
t
C
Q
C
)
(
ln
RC
t
Q
Q
m
)
1
ln(
)
5
...(
...
...
)
1
(
RC t me
Q
Q
Jadi besarnya muatan pada pengisian kapasitor adalah:
Pengosongan kapasitor adalah Jika ujung- ujung kapasitor yang bermuatan dihubungkan dengan kawat konduktor, pada kapasitor akan segera terjadi pengosongan muatan yang diilustrasikan pada Gambar 8.
Selama S tertutup, tegangan di ujung ujung R dan C adalah sama dengan dan muatan di kapasitor adalah Q0 = C. Ketika S dibuka pada t = 0, muatan di kapasitor mulai berkurang dan terjadi arus melalui resistor. Dari hukum Kirchoff untuk loop (Saklar terbuka) :
0
C
Q
iR
Gambar 8 Pengosongan kapasitor. Dan hubungan I = -dq/dt didapat persamaan:
)
6
....(
...
)...
1
(
RC t me
Q
Q
6
RC
Q
dt
dq
dt
RC
Q
dq
1
k
RC
t
Q)
ln(
k adalah konstanta integrasi, dari syarat t = 0 , muatan Q = Q0,didapat k=ln Q0Arus pada saat t = 0 adalah I0= /R
Jadi besarnya muatan pada pengosongan kapasitor adalah:
Pengisian dan pengosongan muatan dalam plat kapasitor berlangsung secara cepat. Akibatnya muatan yang tersimpan dalam plat makin berkurang dan kemampuan kapasitor dalam menyimpan muatan semakin kecil (Sutrisno,1984). Bahan dielektrik yang terdapat antara plat akan memperlemah medan listriknya. Bahan dielektrik tersebut akan terpolarisasi ketika diberi medan listrik sehingga akan timbul kerapatan muatan yang tinggi pada sisi plat.
Pengisian dan pengosongan kapasitor berlangsung cepat dengan naiknya frekuensi. Kapasitor dengan cepat melepaskan dan mengisi muatan dengan tingkat resistansi yang rendah. Muatan-muatan yang tersimpan dalam kapasitor akan berkurang dengan meningkatnya frekuensi.
Gambar 9 Kurva pengosongan kapasitor. Gambar 10 menunjukkan kapasitor yang dihubungkan pada terminal generator, arusnya dihubungkan dengan muatan oleh:
dt
dq
i
Gambar 10 Pembangkit ac yang dihubungkan secara seri dengan kapasitor.
Beda tegangan pada kapasitor adalah
C
Q
V
V
V
C
Dari kaidah simpal Kirchhoff diperoleh
0
V
C
atauC
Q
t
maks
cos
Dengan demikiant
C
Q
makscos
Arusnya sama dengan