Peningkatan Efektivitas Defoamer Silika (SiO 2 ) dengan Coating Pada HDPE (High Density Polyethylene)

66

Peningkatan Efektivitas Defoamer Silika (SiO

2

) dengan Coating Pada HDPE (High Density

Polyethylene)

Maria Evita(1), Mikrajuddin Abdullah(1), Hernawan Mahfudz(2) dan Khairurrijal(1,a)

(1)

Kelompok Keahlian Fisika Material Elektronik, FMIPA

(2)

Kelompok Keahlian Sumber Daya Air, FTSL Institut Teknologi Bandung

Jalan Ganeca 10 Bandung 40132

(a)

E-mail: krijal@fi.itb.ac.id Diterima Editor : 16 Maret 2009 Diputuskan Publikasi : 14 April 2009

Abstrak

Telah dibuat defoamer silika (SiO2) yang di-coating ke HDPE (High Density Polyethylene) pada suhu 70 oC sampai 100 oC.

silika yang telah di-coating memiliki ukuran partikel 18 nm, serta banyaknya silika dalam HDPE rata-rata 56.42%. Defoamer ini menunjukkan peningkatan efektifitas defoaming dari defoamer silika saja yang hanya mampu menyisakan foam 5% - 86% pada berbagai variasi konsentrasi silika dalam foam dengan konsentrasi deterjen (penghasil foam) yang bervariasi pula. Defoamer ini mampu menyisakan foam 0% - 50% setelah 5 menit pada variasi konsentrasi silika dan deterjen yang sama. Setelah digunakan sebagai defoamer, silika tertinggal dalam larutan sebesar 0.27% dari jumlah silika awal yang menempel pada HDPE.

Kata Kunci: defoamer, silika, coating, HDPE

1. Pendahuluan

Dalam ke hidupan s ehari-hari, f enomena f oam (gelembung) s ering t erjadi d alam b erbagai b idang, diantaranya: pemrosesan makanan, produksi bahan kimia, fermentasi, t ekstil, p roduksi bahan p erekat, t inta printer, cat, pelapis dan resin, serta pengolahan limbah air. Foam yang t erjadi h arus dikontrol s upaya t idak mengganggu proses. Ada d ua cara m egontrol foam, yaitu menghancurkannya, y ang di kenal dengan i stilah defoaming, s erta mencegah t erjadinya at au y ang d ikenal dengan istilah antifoaming. Bahan yang digunakan untuk mengontrol f oam i ni di sebut de foamer ( untuk proses defoaming) a tau a ntifoam ( untuk p roses antifoaming). Pada penelitian i ni, a kan dibahas l ebih l anjut m engenai defoamer.

Salah s atu b ahan defoamer ad alah s ilika ( SiO2). Pada l iteratur, d isebutkan b ahwa F ang, dkk t elah mendemonstrasikan efek de foaming dari s ilika i ni [1]. Fungsi s ilika sebagai d efoamer a kan m eningkat ketika dicampurkan dengan ba han pl astik pa da s istem f oam, seperti yang telah dibuktikan oleh Jose Guitian, dkk yang memasukkan plastik berukuran kecil ke sistem defoaming dengan de foamer partikel padat hi drofobik. S ilika y ang dicampur ini akan lebih baik jika menyatu dengan plastik tersebut. K arena f ungsi defoamer S ilika t erletak p ada reaksi permukaan silika dengan foam, maka silika harus berada di pe rmukaan pl astik. Dengan de mikian, s ilika akan d itempelkan ( coating) pada pe rmukaan pl astik tersebut. Salah satu bahan plastik ini adalah HDPE (high

density polyethylene) [2].

2. Teori Dasar

Foam m engandung l arutan g as dalam cai ran. Fenomena f oam ad alah f enomena p ermukaan. Aktivitas permukaan i ni be rhubungan de ngan e nergi pe rmukaan dan tegangan pe rmukaan ka rena adanya pe rubahan fisik atau kimiawi dari cairan. Perubahan energi menyebabkan perubahan t egangan permukaan. P erubahan t egangan permukaan m enyebabkan fenomena foaming da n defoaming. J ika t egangan permukaan be rkurang maka terjadi foaming, dan jika tegangan permukaan bertambah maka terjadi d efoaming [3]. P erubahan t egangan i ni disebut ffek Marangoni [1,3].

Defoamer ad alah a gen a ktif p ermukaan y ang mampu meningkatkan tegangan permukaan foam, hingga foam p ecah [3]. S ilika ( SiO2) adalah s alah satu d ari defoamer [1,4]. Performansi silika sebagai defoamer bisa ditingkatkan d engan cara memberikan pl astik atau ge las ke dalam s istem d efoaming. S ilika d alam s istem defoaming y ang diberi pl astik t ernyata memberikan penurunan ketinggian foam menjadi 75% dari yang tidak diproses dengan ini yang hanya 20% [2].

Efektifitas defoamer salah satunya ditentukan oleh kemampuannya untuk meruntuhkan ke stabilan f oam [5]. Kestabilan foam diukur dengan halflife dari foam tersebut [2,6]. Halflife adalah waktu yang dibutuhkan supaya foam memiliki v olume s etengah d ari as alnya [6]. S elain menggunakan h alflife, s tabilitas f oam b isa d itentukan dengan rasio R5, y aitu r asio ketinggian f oam s etelah 5 menit defoamer dimasukkan ke dalam sistem foam [7].

0 5 5 h h R = (1)

Dengan m etode i ni, halflife yang kemungkinan di ukur dalam beberapa jam bisa ditentukan hanya dalam waktu 5 menit. O leh karena i tu, defoamer de ngan ke mampuan menghilangkan foam hingga 50% pada waktu kurang dari 5 menit, termasuk defoamer yang efektif.

Silika s elanjutnya a kan di-coating k e H DPE. HDPE y ang di gunakan be rbentuk s ilinder kecil. Selanjutnya, dihitung pe rkiraan s ilika m aksimum y ang akan m enempel pa da H DPE, untuk menentukan perbandingan s ilika terhadap HD PE ke tika di lakukan proses c oating. Untuk m engetahui seberapa be sar s ilika yang menempel pada HDPE, selanjutnya akan dilakukan SEM-EDX t erhadap s ampel t ersebut. Jumlah t otal maksimal banyaknya partikel silika dalam sebuah silinder HDPE adalah

(

)

1 2 2 1 4 2 2 d p D p dt d TOTAL p D D π = = = +

∑

− − (2)

degan d adalah diameter s ilinder H DPE, t adalah t inggi HDPE, D adalah d iameter silika. D bisa di tentukan d ari data XRD ( X-Ray Diffraction) de ngan m enggunakan metoda Scherrer yang menghubungkan ukuran kristalitas dengan lebar pu ncak difraksi s inar-X. A proksimasi da ri persamaan ini adalah [8]

cos B D K B λ θ ≈ (3)

dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X ya ng digunakan, θB adalah sudut Bragg, B adalah FWHM satu puncak y ang dipilih, da n K adalah k onstanta material yang nilainya kurang da ri s atu. N ilai yang umumnya dipakai untuk K adalah ≈ 0,9 [8].

3. Eksperimen

3.1 Silika sebagai Defoamer

Silika de ngan va riasi konsentrasi 0 ,16%, 0 ,08%, 0,04%, 0,02%, 0 ,01%, 0 ,006% d an 0 ,003% d alam f oam (dari de terjen) dengan ko nsentrasi deterjen ya ng divariasikan y aitu 0 ,6%, 2 ,3% d an 35 ,6% da lam bot ol plastik tertutup, diamati perubahan ketinggiannya selama 20 menit.

3.2 Coating Silika pada HDPE

Silika d i-coating ke H DPE de ngan pe rbandingan massa silika banding HDPE adalah 3 banding 5. Nilai ini berdasarkan pe rhitungan p ada persamaan ( 2) un tuk mencari perbandingan minimal silika dengan HDPE yang digunakan. Coating dilakukan selama 30 menit pada suhu 75 o_{C dinaikkan menjadi 100} o_{C pada 10 menit terakhir.}

3.3 Silika yang di-coating pada HDPE sebagai defoamer

Silika d engan v ariasi k onsentrasi 0,038%,0.02%, 0,01%, 0.006% da n 0 ,003% d alam f oam ( dari d eterjen) dengan konsentrasi deterjen yang divariasikan yaitu 0.6%, 2,3% da n 35 ,6% dalam b otol p lastik t ertutup, diamati perubahan ketinggiannya selama 20 menit.

4. Hasil dan Pembahasan

4.1 Silika sebagai defoamer

Dari G br. 1 t erlihat bahwa s emakin be sar konsentrasi s ilika maka f oam s emakin c epat h abis. P ada mulanya s ilika m ampu m enurunkan ketinggian foam secara drastis da lam hi tungan detik, ke mudian f oam masih be rkurang t etapi p erubahannya tidak begitu signifikan jika dibandingkan dengan perubahan pada awal tadi. H al i ni t erjadi karena pada a wal s ilika dimasukkan ke dalam sistem foaming, reaksi permukaan terjadi dibantu de ngan g ravitasi yang menyebabkan p erubahan tegangan permukaan pada foam semakin besar, sehingga foam s emakin cep at u ntuk p ecah. S elanjutnya, pengaruh gravitasi t idak be gitu besar terhadap r eaksi pe rmukaan. Selain itu, semakin ke bawah ukuran foam semakin kecil [9]. F oam y ang s emakin kecil a kan s emakin s ulit u ntuk dipecahkan, o leh karena itu proses de foaming akan semakin lambat.

Pada k onsentrasi deterjen 0 ,6%, s emua variasi konsentrasi silika termasuk defoamer yang efektif, karena semua va riasi i ni m ampu menyisakan f oam hi ngga d i bawah 50% pada waktu kurang dari 5 menit.

Pada konsentrasi deterjen 2,3 %, hanya konsentrasi silika 0 ,003% t ermasuk defoamer y ang t idak ef ektif karena setelah 5 m enit h anya m enyisakan f oam s ekitar 53%. Hal ini bisa dilihat pada Gbr. 2.

Pada k onsentrasi d eterjen 3 5,6%, h anya s ilika dengan k onsentrasi 0 ,16%, 0 ,08%, 0,04% d an 0 ,02% termasuk de foamer y ang e fektif ka rena da lam w aktu 5 menit foam telah mencapai ketinggian di bawah 50%. Hal ini bisa dilihat pada Gbr. 3.

4.2 Karakterisasi coating Silika pada HDPE

Untuk m enentukan u kuran partikel s ilika da lam HDPE dilakukan XRD. Dari data hasil XRD pada Gbr. 4 didapat u kuran kristalitas s ilika s ebesar 18 nm de ngan menggunakan metoda S herrer pa da s oftware X -Powder dan J CPDS. Ukuran kr istalitas in i m enunjukkan uku ran partikel silika pa da c oating s ebesar 18 nm . De ngan menggunakan Persamaan (3), didapat banyaknya partikel silika pada pe rmukaan H DPE ketika di asumsikan silika menempel pada seluruh permukaan HDPE adalah 1,15 × 1011 _{buah p artikel at au 7,73 ×10}-7 _{g s ilika d alam 1 biji} HDPE.

Banyaknya silika pada permukaan HDPE ditentukan dengan SEM-EDX, seperti yang terlihat p ada Gbr. 5. Dari ke tiga a rea s ampel i ni, di dapat ba nyaknya silika pa da permukaan C oating s ebesar 5 1%, 7 2%, 4 7% untuk area 1, 2 da n 3. De ngan de mikian, rata-rata banyaknya silika pa da pe rmukaan Coating adalah 5 6%. Dari perhitungan data ukuran partikel silika, didapat 1,15 × 1011 _{buah partikel atau 7,73 × 10}-7 _{gram silika dalam 1} biji H DPE. D engan m enggunakan data ha sil S EM-EDX didapat 2,6 ×10-7 _{g silika dalam 1 biji HDPE.}

Selain i tu, karakterisasi y ang dilakukan a dalah UV-VIS untuk mengetahui apakah silika yang di-coating ke H DPE s udah m enempel at au b elum. P ertama-tama defoamer dimasukkan ke da lam air, dengan ko nsentrasi silika pada defoamer dalam air sebesar 0,003%. Sistem ini kemudian didiamkan selama 20 menit. Berdasarkan hasil

UV-VIS didapat data absorbansi larutan yang diberi defoamer yang dibandingkan dengan larutan yang tidak diberi defoamer seperti terlihat pada Gbr. 6. Data absorbansi ini menunjukkan ada tidaknya silika dalam air. Silika memiliki sifat tidak larut dalam air [10]. Apabila ada silika yang terlepas dari coating, bisa terlihat dari data absorbansi UV-VIS.

Dari Gbr. 6 tampak bahwa pada panjang gelombang 620 nm – 820 nm, nilai absorbansi kedua larutan hampir sama. Pada panjang gelombang 300 nm – 620 nm absorbansi larutan yang ditambah defoamer lebih kecil dari absorbansi larutan tanpa defoamer. Pada literatur [11,12] disebutkan bahwa silika mampu menghilangkan kandungan zat tertentu dalam suatu larutan, yang ditunjukkan dengan berkurangnya nilai absorbansi dari larutan tersebut ketika dilihat dengan UV-VIS. Pada literatur [13], silika yang dimasukkan ke dalam air selama 20 menit, pada panjang gelombang 600 nm, dengan berat silika 40%, penurunan Absorbansi sebesar 0,15. Untuk data di atas, pada panjang gelombang 600 nm, terdapat 0,000003 penurunan absorbansi. Dengan menggunakan perbandingan linear terhadap literatur [13], didapat konsentrasi silika yang tersisa dalam larutan sebesar 0,0008%. Dengan demikian, 0,27% dari silika yang menempel pada HDPE akan tertinggal pada larutan.

4.3 Silika yang di-coating pada HDPE sebagai defoamer

Pada Gbr. 7 tampak bahwa pada konsentrasi deterjen 0,6%, semua variasi silika pada defoamer dalam larutan termasuk defoamer yang efektif. Jika Gbr. 7. dibandingkan dengan Gbr. 1. pada konsentrasi silika yang sama, terlihat bahwa pada konsentrasi deterjen 0,6% ini, semua variasi konsentrasi silika (baik yang di-coating ataupun yang tidak), telah menyisakan foam di bawah 50% setelah 5 menit. Foam sisa 0% - 25%.

Pada konsentrasi deterjen 2,3%, semua variasi defoamer ini masih termasuk defoamer yang efektif karena menyisakan foam di bawah 50% setelah 5 menit. Perbedaan antara defoamer silika yang tidak di-coating dengan silika yang di-coating berkisar antara 10% - 40%, bisa dilihat pada Gbr. 8. dan 2. Adanya perbedaan yang cukup besar ini terjadi karena proses defoaming pada silika yang di-coating ke HDPE tidak hanya secara kimiawi oleh silika, tetapi juga secara mekanis oleh adanya kehadiran HDPE, sehingga dapat membantu ketika penurunan foam yang drastis saat pertama kali defoamer dimasukkan ke dalam foam. Silika yang di-coating masih menunjukkan keefektifannya karena pada semua variasi konsentrasi silika pada defoamer dalam foam telah mampu menghabiskan foam hingga tersisa di bawah 50% pada waktu 5 menit. Sementara itu, pada silika yang tidak di-coating, silika dengan konsentrasi 0,003% dalam foam bukan termasuk defoamer yang efektif.

Dari Gbr. 9 tampak bahwa semua variasi silika pada defoamer dalam foam ini termasuk defoamer yang efektif. Jika Gbr. 9 dibandingkan dengan Gbr. 3 terlihat perbendaan antara defoamer silika yang tidak di-coating dengan silika yang di-coating berkisar antara 25% - 50%.

Hal ini sesuai dengan eksperimen yang telah dilakukan oleh Jose Guitian dkk ketika mencampurkan plastik dengan partikel hidrofobik yang mampu menyisakan foam hingga 20% dibandingkan jika partikel hidrofobik tersebut tidak dicampur dengan plastik yang hanya menyisakan foam 75%. Pada konsentrasi deterjen 35,6% ini, Silika yang di-coating ke HDPE termasuk defoamer yang efektif, sedangkan silika yang tidak di-coating, hanya pada konsentrasi 0,04% saja yang termasuk defoamer efektif.

5. Kesimpulan

Silika yang di-coating pada HDPE menunjukkan peningkatan efektifitas defoaming jika dibandingkan dengan silika yang tidak di-coating. Pada berbagai variasi konsentrasi silika pada foam dengan konsentrasi deterjen yang bervariasi pula, pada awalnya mampu menyisakan foam 5% - 86% menjadi 0% - 50%.

Referensi

[1] F. Abdolahi, M. A. Moosavian, A. Vatani, J. Appl. Sci. 5, 1122 (2005).

[2] J. Guitian and D. Joseph, How Bubbly Mixture Foam and Foam Control Using a Fluidized Bed, University of Minnesota, Minneapolis (1997).

[3] A. P. Kouloheris, Foam: Friend and Foe, Engineering Group, Inc., Florida (1987).

[4] D. Perry, J. Zeng, V. O’Neil, Foam Control in Aqueous Coatings, Dow Corning Corporation (2004). [5] Antifoam Handbook, ABN 31 050 020 169,

Flexichem Pty Ltd. (http://www.flexichem.com.au). [6] T. Eren, Foam Characterization: Bubble Size and

Texture Effect, Thesis, Middle East Technical University (2004).

[7] L. Lin, G. Liao, Y. Fang and T. Weng, Proc. 2006 Int. Symp. On Safety Sci. Technol., Oct. 24-27, 2006, Changsa, China, pg. 1438.

[8] M. Abdullah, Pengantar Nanosains, Institut Teknologi Bandung, Bandung (2008).

[9] R. R. Schnelle and O. Klocker, Eur. Coat. J. 6, 19 (2005).

[10] Mateck Fused Silica UV-VIS Grade (SiO2), Matweb (2009).

[11] Y.-G. Lee, C. Oh, D.-W. Kim, Y.-D. Jun and S.-G. Oh, J. Ceram. Proces. Res. 9, 302 (2008)

[12] S. P. Chandran, S. Hotha, and B. L. V. Prasad, Curr. Sci. 95, 1327 (2008).

[13] T. Schatz, A. R. Cook, and D. Meisel, J. Phys. Chem. 102, 7225 (1998).

Gambar 1. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 0,6%, dengan variasi silika

Gambar 2. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 2,3%, dengan variasi silica.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.16% 0.08% 0.04% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003% tanpa s ilika 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.16% 0.08% 0.04% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003% tanpa s ilika

Gambar 3. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 35.6%, dengan variasi silika

Gambar 4. Data hasil XRD coating silika pada HDPE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.16% 0.08% 0.04% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003% tanpa si lika

Gambar 5. Tiga area berbeda pada permukaan coating beserta hasil EDX untuk mengetahui jumlah silika pada permukaan coating.

Gambar 6. Data absorbansi larutan dengan defoamer dan larutan tanpa defoamer

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 panjang gelombang (nm) ab so rb an si larutan larutan+defoamer

Gambar 7. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 0,6%, dengan variasi silika pada defoamer silika di-coating pada HDPE.

Gambar 8. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 2,3%, dengan variasi silika pada defoamer silika di-coating pada HDPE.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.038% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.038% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003%

Gambar 9. Perbandingan ketinggian foam pada konsentrasi deterjen 35,6%, dengan variasi silika pada defoamer silika di-coating pada HDPE .

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 waktu (menit) fo a m (% ) 0.038% 0.02% 0.01% 0.006% 0.003%