Kata membran berasal dari bahasa Latin “membrana” yang berarti kulit kertas. Saat ini kata membran telah diperluas untuk menggambarkan suatu lembaran tipis fleksibel, bertindak sebagai pemisah selektif antara dua fase karena sifat semi-permeabelnya.1 Membran adalah suatu bahan yang dapat memisahkan dua komponen dengan cara yang spesifik, yaitu menahan atau melewatkan salah satu komponen lebih cepat daripada komponen lainnya dan memiliki ketebalan yang cukup kecil dibandingkan dengan luasnya. Karena itu maka membran bersifat semi permeabel.5
Klasifikasi membran dapat dibedakan berdasarkan eksistensi (Organik: alami, sintetis dan Anorganik: keramik, gelas, metal, zeolit), morfologi (asimetrik dan simetrik), dan fungsi (mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, osmosa balik).1
Operasi membran dapat diartikan sebagai proses pemisahan suatu komponen dari aliran fluida melalui suatu membran. Membran berfungsi sebagai penghalang tipis yang sangat selektif, hanya dapat melewatkan komponen tertentu dan menahan komponen lain dari suatu aliran fluida yang dilewatkan melalui membran. Proses pemisahan membran berupa perpindahan materi secara selektif karena gaya dorong atau penggerak yang berupa perbedaan konsentrasi, tekanan, poetnsial listrik atau suhu.5
Proses pemisahan, membran seharusnya memiliki sifat ketahanan kimia, stabilitas mekanik, stabilitas termal, permeabilitas tinggi, selektivitas tinggi, operasi yang stabil.6 Secara umum proses pemisahan membran dapat dilihat pada Gambar 1.3
K
Gambar 1. Proses pemisahan membran
Metode Inversi Fasa
Metode inversi fasa terdiri dari 4 metode yaitu pengendapan inversi, pengendapan dengan pengendalian uap, pengendapan fasa uap, dan pengendalian termal.8 Metode yang banyak digunakan yaitu polimer dan pelarut dicetak pada plat kaca, kemudian dicelupkan ke dalam bak koagulasi yang berisikan non pelarut. Pelarut berdifusi ke dalam bak koagulasi dan non pelarut berdifusi ke dalam lapisan membran yang dicetak. Setelah proses difusi dan selama proses penguapan maka menghasilkan membran yang mempunyai struktur asimetrik.5 Selama proses pembuatan membran terjadi penguapan pelarut sehingga diperoleh membran yang ukuran porinya kecil.
Material Pembuatan Membran
Pada proses pembuatan membran sintetik dapat dilakukan dengan bahan material organik maupun anorganik. Material organik sebagai bahan membran biasanya berupa polimer misalnya selulosa asetat, polikarbonat, dan polisulfon. Bahan anorganik meliputi keramik, kaca, logam. Pelarut yang digunakan pada sintesis membran tergantung polimer yang digunakan, untuk membran polisulfon yang disintesis pada penelitian ini menggunakan pelarut DMAc (dimetil asetamida).
Polisulfon
Polisulfon adalah suatu produk polimer yang dihasilkan dari reaksi di-p-dichlorodiphenyl sulfone dengan garam sodium dari bisphenol-A yang bersifat hidrofobik.4 Polisulfon adalah bahan polimer tahan terhadap panas (termoplastik) sampai suhu 1900, stabil antara pH 1,5-13 punya kekuatan tarik yang baik, tidak larut atau rusak oleh asam-asam encer atau alkali. Gambar 2 menunjukkan struktur polisulfon.6
Gambar 2. Struktur polisulfon
N,N-Dimetilacetamid (DMAC)
DMAc (N,N-dimetilacetamid) adalah pelarut yang tidak mudah menguap, karena memiliki titik didih 166ºC, bersifat racun dan dapat menimbulkan iritasi pada kulit dan mata. Pelarut ini memiliki massa jenis 0,94 kg/L dan dapat melarutkan polisulfon dengan baik.5 DMAc bersifat dapat berkontaminasi melalui pernafasan dan kontak dengan kulit
karena mudah diserap kulit selain itu juga mudah terbakar.6 Gambar 3 merupakan struktur DMAc.4
Gambar 3. Struktur N,N- dimetilacetamid
Sonikasi
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik longitudinal yang memiliki frekuensi lebih dari 20 kHz. Pada alat ultrasonics processor Cole-Palmer memiliki frekuensi 20 kHz dan daya 130 watt. Alat ini memiliki waktu sonikasi, amplitudo, dan pulsa gelombang yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Gelombang ultrasonik dapat didengar dan digunakan sebagai alat komunikasi oleh pendengaran beberapa jenis binatang seperti kelelawar, lumba-lumba, dan anjing. merupakan rambatan energi dan momentum mekanik, sehingga membutuhkan medium untuk merambat sebagai interaksi dengan molekul. Medium yang digunakan antara lain padat, cair, dan gas.14 Batas rentang gelombang ultrasonik mencapai 5 MHz pada gas dan mencapai 500 MHz pada cairan dan padatan.
Ultrasonik yang memiliki intensitas tinggi dapat menginduksi perubahan fisika dan kimia. Efek fisika dari gelombang ultrasonik adalah emulsifikasi. Enkapsulasi partikel inorganik dengan polimer, modifikasi ukuran partikel pada serbuk polimer, hingga pemotongan dan pembentukkan termoplastik. Efek kimia gelombang ultrasonik tidak secara langsung berinteraksi dengan molekul-molekul untuk menginduksi suatu perubahan kimiawi.16 Hal ini dikarenakan panjang gelombang ultrasonik tidak dapat mengidentifikasi panjang gelombang molekul-molekul.
Penggunaan gelombang ultrasonik sangat efektif dalam pembentukkan materi berukuran nano. Gelombang ultrasonik banyak diterapkan pada berbagai bidang instrumentasi kesehatan. Salah satu yang terpenting dari aplikasi gelombang ultrasonik adalah pemanfaatannya dalam menimbulkan efek kavitasi akustik. Efek ini digunakan dalam pembuatan bahan berukuran nano dengan metode emulsifikasi.16
Ketika gelombang ultrasonik menjalar pada fluida, terjadi siklus rapatan dan regangan. Tekanan negatif yang terjadi ketika regangan menyebabkan molekul dalam fluida tertarik dan terbentuk kehampaan, kemudian membentuk gelembung yang akan menyerap energi suara sehingga dapat memuai. Gelombang akan berosilasi dalam siklus rapatan dan regangan. Selama osilasi, sejumlah energi berdifusi masuk dan keluar gelembung. Energi masuk terjadi ketika regangan dan energi keluar ketika rapatan, dalam hal ini energi yang keluar lebih kecil daripada energi yang masuk sehingga gelembung memuai sedikit demi sedikit selama regangan kemudian menyusut selama rapatan. Ukuran kritis gelembung ini disebut ukuran resonan yang tergantung pada fluida dan frekuensi suara. Dalam kondisi ini, gelembung tidak dapat lagi menyerap energi secara efisien. Tanpa energi input, gelombang tidak dapat mempertahankan dirinya, fluida di sekitarnya akan menekannya dan gelembung akan mengalami ledakan yang menghasilkan tekanan yang besar. Gelembung ini yang disebut gelembung kavitasi.
Selama perambatan gelombang suara dalam medium intensitas gelombang semakin menurun seiring semakin besarnya jarak dari sumber radiasi. Lamanya waktu sonikasi mempengaruhi energi yang diberikan pada molekul. Semakin lama waktu sonikasi, maka akan semakin besar energi yang diberikan. Hal ini terkait dengan persamaan
E = P. t (1)
Keterangan :
E = energi (watt/sekon) P = daya (watt) t = waktu (sekon)
Suspensi dalam larutan menghasilkan kecepatan tumbuk antar partikel yang dapat merubah morfologi permukaan, komposisi, dan reaktivitas.16 Semakin lama proses sonikasi, maka energi yang diterima partikel semakin rata pada bagian larutan, sehingga ukuran partikel semakin homogen.
Proses Pemisahan (filtrasi) Membran Berdasarkan arah aliran larutan umpan, sistem pemisahan menggunakan membran dapat dibedakan menjadi sistem dead-end dan
cross-flow.3 Gambar 4 merupakan skema pemisahan berdasarkan arah alir umpan.3
4
(a)
(a)
(b)
Gambar 4. Arah Alir umpan pada membran: (a) Dead-end,(b)cross-flow Pada sistem dead-end arah aliran umpan tegak lurus permukaan membran. Sistem ini mempunyai kelemahan yaitu terjadinya fouling yang terbentuk pada permukaan membran. Fouling ini disebabkan oleh endapan organik, anorganik dan partikel lain. Jika pelapisan ini semakin tinggi, fluks akan menurun sampai mencapai nilai nol. Pada sistem cross-flow arah aliran larutan umpan sejajar dengan permukaan membran. Pada sistem ini fouling masih dapat terjadi, namun dapat dikurangi dengan gaya dorong aliran umpan akibat kecepatan alir larutan umpan memegang peranan penting untuk meningkatkan efesiensi pemisahan.12
Karakterisasi Membran Fluks
Rata-rata nilai laju alir hasil pemisahan dinyatakan sebagai fluks, yaitu jumlah volume yang diperoleh pada operasi membran persatuan luas membran per satuan waktu.12 Nilai fluks dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan :
t
A
V
J
.
(1) Keterangan :J = nilai fluks (Liter/m2.jam) V = volume permeate (Liter) A = luas permukaan membrane (m2) t = waktu(jam)
X-Ray Diffraction (XRD)
XRD merupakan metode yang digunakan untuk mengetahui struktur kristal, perubahan fasa dan derajat kristalinitas. Difraksi sinar-X oleh atom-atom yang tersusun di dalam kristal menghasilkan pola yang berbeda bergantung pada konfigurasi yang dibentuk oleh atom-atom dalam kristal. Elektron yang dipancarkan dengan tegangan tinggi menembak target (Cu, Fe, Co).18 Energi kinetik elektron yang menembak target berubah menjadi panas dan sinar-X yang dipancarkan terdistribusi secara kontinu dengan panjang gelombang yang berbeda.
Sinar-X ditembakkan pada bahan sehingga terjadi interaksi dengan elektron dalam atom. Ketika foton sinar-X bertumbukkan dengan elektron, beberapa foton hasil tumbukkan mengalami pembelokkan dari awal arah datang. Jika panjang gelombang hamburan sinar-X tidak berubah (foton sinar-X tidak kehilangan banyak energi) dinamakan hamburan elastik dan terjadi perubahan momentum dalam proses hamburan. Sinar-X ini membawa informasi distribusi atom dalam material. Gelombang yang terdifraksikan resultan intensitasnya termodulasi kuat oleh interaksi ini. Jika atom-atom tersusun periodik dalam kristal, gelombang terdifraksikan akan terdiri dari interferensi maksimum tajam. Metode XRD berdasarkan sifat difraksi sinar-X yaitu hamburan dengan panjang gelombang λ saat melewati kisi kristal dengan sudut Ө melewati kisi kristal dengan jarak antar bidang kristal d
berdasarkan Hukum Bragg.
n λ = 2 d sin Ө (3) Berdasarkan teori difraksi, suduk difraksi tergantung pada lebar celah kisi sehingga mempengaruhi pola difraksi, sedangkan intensitas cahaya difraksi bergantung pada jumlah kisi kristal yang memiliki orientasi yang sama. Gambar 5 merupakan pola difraksi Hukum Bragg.17
Scanning Electron Microscopy (SEM) SEM digunakan untuk mengamati morfologi suatu bahan, prinsip kerja SEM adalah sifat gelombang dari elektron yaitu difraksi pada sudut yang sangat kecil. Elektron dapat dihamburkan oleh sampel yang bermuatan (karena sifat listriknya). Prinsip kerja alat ini hampir menyerupai alat mikroskop optik, sedikit perbedaan yaitu, pertama berkas elektron di sejajarkan dan difokuskan oleh magnet yang berfungsi sebagai lensa. Elektron memiliki energi 100 keV yang menghasilkan panjang gelombang kira-kira 0,04 nm. Spesimen sasaran sangat tipis agar berkas yang dihantarkan tidak diperlambat atau dihamburkan terlalu banyak. Bayangan akhirnya diproyeksikan ke permukaan layar. Berbagai distorsi yang terjadi akibat pemfokusan dengan lensa magnetik membatasi resolusi sampai sepersepuluh nm.19
Fourier Transform Infra Red (FTIR) FTIR merupakan suatu metode spektroskopi infrared (IR) yang dapat mengidentifikasi kandungan gugus kompleks dalam senyawa tetapi tidak dapat menentukan molekular unsur penyusunannya. Pada spekroskopi IR, radiasi IR ditembakkan pada sampel. Sebagian radiasi IR diserap oleh sampel dan sebagian lainnya diteruskan. Jika frekuensi dari suatu vibrasi sama dengan frekuensi radiasi IR yang langsung menuju molekul, molekul akan menyerap radiasi tersebut. Spektrum yang dihasilkan menggambarkan absorpsi dan transmisi molekular.3
Sistem optik spektofotometer FTIR dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin bergerak tegak lurus dan cermin yang diam dengan demikian radiasi IR akan menimbulkan perbedaan jarak yang bergerak dan jarak cermin yang diam. Hubungan antara intensitas radiasi IR yang diterima detektor terhadap retardasi disebut sebagai interferogram. Sedangkan sistem optik dari Spektofotometer IR yang didasarkan atas bekerjanya interferometer disebut sistem optik fourier transform infra red.
Pada sitem optik FTIR digunakan radiasi laser (lightamplification by stimulated emission of radiation) yang berfungsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi IR agar sinyal radiasi yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik. Karakterisasi menggunakan FTIR dapat dilakukan dengan menganalisis spektra yang
dihasilkan sesuai dengan puncak-puncak yang dibentuk oleh suatu gugus fungsi, karena senyawa tersebut dapat menyerap radiasi elektromagnetik pada daerah inframerah dengan panjang gelombang antara 0.78 – 1000 µm.18