SIFAT MEKANIK DAN FLUX MEMBRAN ZEOLIT

Loading.... (view fulltext now)

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Teks penuh

(1)

PENGARUH PENAMBAHAN Cu(II) TERHADAP SIFAT MEKANIK DAN FLUX MEMBRAN ZEOLIT

Ozi Adi Saputra1*, Larisa Mutiara1, Rachmadhani 1,Tata Lugas Nastiti1, Edi Pramono1 1Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret

Jl. Ir. Sutami 36A, Surakarta *Email: oziadisaputra@student.uns.ac.id

Abstrak

Telah dilakukan pembuatan membrane zeolit dengan berbagai variasi konsentrasi Cu(II) dari CuSO4.5H2O (0, 2, 4, 6, 8 dan 10 % w/w). Zeolit yang digunakan dalam pembuatan membran Zeolit pengisi Cu(II) (Z-Cu) adalah zeolit alam dengan ukuran 150 mesh. Selain itu, Cu(II) yang digunakan juga telah dipreparasi menjadi partikel berukuran 150 mesh. Analisis mekanik menunjukkan bahwa adanya penambahan Cu(II) kedalam membran zeolit mampu meningkatkan sifat mekanik dari membran tersebut. Kuat tekan maksimum(σ) untuk Z-Cu6% memiliki nilai yang lebih besar dibandingkan dengan formula lainnya, yaitu sebesar 763,33 Psi. Akan tetapi, setelah dilakukan proses kalsinasi pada 600 OC selama 1 jam, harga σ meningkat menjadi 791,7 Psi. Pengujian flux dengan variasi 5, 10 dan 15 menit untuk masing-masing formula membran Z-Cu telah dilakukan. Hasil pengujian flux menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi Cu(II) yang digunakan dalam pembuatan membran Z-Cu, maka semakin kecil nilai flux dari membran Z-Cu. Hal ini menunjukkan bahwa adanya Cu(II) dalam membran Z-Cu menyebabkan pori dari membran Z-Cu semakin kecil.

Key word: CuSO4.5H2O, Flux, Kuat tekan maksimum, Membran Zeolit-Cu, Zeolit

1. PENDAHULUAN

Kekurangan air bersih menjadi permasalahan dunia yang perlu diselesaikan ditengah bertambahnya jumlah penduduk serta permintaan air bersih untuk pertanian dan kebutuhan manusia. Selain itu, sistem manajemen air minum dan polusi baik udara, tanah maupun air juga menjadi permasalahan serius penyebab berkurangnya cadangan air bersih. Oleh karena itu, diperlukan suatu teknologi yang dapat menangani krisis air bersih yang akan melanda dunia, salah satunya adalah teknologi membran.

Pada dua dekade terakhir, keuntungan yang signifikan dari riset teknologi membran telah dilaporkan. Sejumlah aplikasi telah menyatakan bahwa teknologi membran adalah teknologi yang penting pada proses kimia dan biokimia yang dianggap kompetitif secara ekonomi dan praktis. Kegunaan dari teknologi membran sendiri adalah untuk menggantikan langkah pemisahan dan pemurnian pada industri yang akan mengurangi konsumsi energi dan menghasilkan produk yang diinginkan.

Membran zeolit telah banyak dilaporakan sebagai media pemisahan, katalis, sensor berbasis kimia, pelapis untuk antikorosi, dan komponen penyusun perangkat elektronik (Peng et al, 2014). Zeolit adalah senyawa yang tersusun dari senyawa silika (SiO2) dan alumina (Al2O3) sebagai komponen utama. Gabungan senyawa ini disebut aluminosilikat. Zeolit dibedakan menjadi 2 jenis yaitu zeolit alam dan zeolit buatan. Setiap jenis zeolit mempunyai urutan selektifitas pertukaran ion yang berbeda. Zeolit memiliki struktur berpori dan beberapa zeolit yang natural bersifat hidrofilik sedangkan beberapa zeolit sitesis mempunyai sifat

(2)

hidrofobik, disebutkan jika kandungan silika lebih tinggi daripada aluminium, maka zeolit akan cenderung hidrofobik.Karena struktur pori, zeolit sering digunakan sebagai alat untuk memisahkan suatu zat dari zat lain yang molekulnya lebih kecil atau lebih besar sehingga dapat diakomodasi pemisahannya oleh struktur pori Zeolit. Dalam penggunaannya sebagai pemisah, zeolit telah banyak disentesa untuk kemudian dimodifikasi strukturnya sehingga dapat menyaring dan memisahkan zat dengan perbedaan besar molekul (Fauzan, 2009).

Modifikasi pada zeolit alam telah banyak dilakukan untuk mendapatkan performa yang lebih baik. Wang et al. (2014) telah memodifikasi zeolit dengan suatu zirkonia untuk mendapatkan harga flux yang relatif baik dan pemisahan yang cukup baik. Selain itu, Dong et al. (2015) juga telah memodifikasi zeolit NaY dan diperoleh peningkatan pada flux membran tersebut.Sehingga, untuk meningkatkan performa dari membran zeolit, diperlukan suatu modifikasi pada membran tersebut. Modifikasi yang dilakukan menyesuaikan peruntukan dari membran zeolit tersebut. Harapannya, dengan melakukan penambahan zat lain sebagai pemodifikasi akan mampu meningkatkan kinerja dari membran tersebut.

Pada penelitian ini digunakan Cu(II) dari CuSO4.5H2O sebagai zat pemodifikasi. Adapun fokus studi yang dilakukan pada penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari penambahan Cu(II) pada membran zeolit terhadap sifat mekanik (kekuatan tekan maksimum, defleksi, yielding dan yield stress) dan flux. Dengan penambahan CuSO4.5H2O kedalam membran zeolit diharapkan mampu meningkatkan sifat mekanik dari membran itu sendiri dan dapat diketahui juga pengaruhnya terhadap karakterfluxdari membran Zeolit-Cu (Z-Cu).

2. METODE

Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit alam, CuSO4.5H2O (Merk) dan Aseton (Merk). Sedangkan alat-alat yang digunakan adalah mortal dan pastel, ayakan 150 mesh, Testing Machine M500-50CT, Seperangkat alat uji flux.

Preparasi Zeolit Alam

Zeolit alam alam yang diperoleh dalam penelitian ini sudah dalam ukuran 150 mesh. Sebelum dilakukan pembuatan membran, zeolit alam yang akan digunakan dioven pada 100 OC selama 24 jam untuk menghilangkan air yang ada pada sampel. Zeolit diinkubasi dalam inkubator sebelum digunakan untuk menghindari kontak dengan uap air.

Preparasi CuSO4.5H2O

CuSO4.5H2O ditumbuk menggunakan pastel dan diayak dengan ayakan 150 mesh. Sampel yang diperoleh kemudian dioven pada suhu 60 OC selama 24 jam dan diinkubasi sebelum digunakan.

(3)

Tabel 1. menunjukkan komposisi membran Z-Cu yang digunakan dalam penelitian ini. Sebanyak 0.5 gr serbuk zeolit dan CuSO4.5H2O dimasukkan kedalam press pellet. Proses pembuatan pellet ini dilakukan selama 5 menit dengan tekanan 130 Bar. Pellet yang terbentuk kemudian dikalsinasi pada suhu 750 OC (Anggraini, 2011).

Tabel 1. Komposisi pembuatan membran Z-Cu

Membran Campuran dalam 0,5 g

Zeolit (%) CuSO4.5H2O (%) Zeolit (standar) 100 0 Z-Cu2% 98 2 Z-Cu4% 96 4 Z-Cu6% 94 6 Z-Cu8% 92 8 Z-Cu10% 90 10 Pengujian Mekanik

Pengujian mekanik (uji tekan) pada membran Z-Cu bertujuan untuk menentukan tekanan maksimum (σ) dari membran Z-Cu. Pengujian tekan pada penelitian ini menggunakan Testing Machine Ray run M500-50CT dengan kecepatan penekanan 1 mm/menit. Dari pengujian tekan akan diperoleh data gaya (F) yang digunakan untuk menentukan Kuat tekan maksimum (σ) dari membran dengan mengacu pada persamaan 1.

𝜎 =𝐹

𝐴 ... (1)

Dimana A adalah luas permukaan dari membran.

Selain diperoleh data kuat tekan maksimum, dari data hasil percobaan pengujian mekanik juga dapat menentukan yielding dan yield stres. Yielding (δ) mengindikasikan jarak defleksi (ΔL) suatu membran dalam menahan gaya tekan sebelum terjadinya proses perpatahan. Sedangakn yield stress (σy) adalah suatu energi yang dapat tertahan sampai batas yielding secara konstan. Untuk menentukan nilai yielding dan yield stres, maka digunakan persamaan (2) dan (3).

δ = 𝐿 − 𝐿𝑜 ... (2)

𝜎 =𝐹

𝐴 ... (3) Pengujian Flux

Membran Z-Cu yang sudah dikalsinasi dipreparasi pada seperangkat pengujian flux (J). Tekanan yang diberikan pada pengujian ini adalah 10 Psi. Sebelum dilakukan pengujian, maka dilakukan kompaksi pada membran Z-Cu selama 10 menit. Pengukuran volume dari permeat dilakukan setiap 5 menit secara triplo. Harga flux dari suatu membran dapat ditentukan dengan persamaan (4).

(4)

𝐽 = 𝑉

𝐴×𝑡 ... (4)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sifat Mekanik Membran Z-Cu Tanpa Kalsinasi

Gambar 1. Menunjukkan kuat tekan maksimum(σ) dari membran Z-Cu tanpa kalsinasi. Adanya penambahan Cu(II) pada membran zeolit ternyata berdampak pada sifat mekanik dari membran tersebut. Dimana, penambahan CuSO4.5H2O sebanyak 6% (w/w) memberikan kekuatan tekan maksimum sebesar 763.33 Psi. Adanya peningkatan kekuatan tekan dari membran Z-Cu 2, 4 dan 6% kemudian mengalami penuruan pada konsentrasi Cu8 dan 10% menunjukkan bahwa pada komposisi Z-Cu 6% merupakan komposisi maksimum dari membran Z-Cu jika ditinjau dari sifat mekaniknya.

Gambar 1. Kuat tekan maksimum membran Z-Cu

Defleksi adalah jarak penekanan yang diaplikasikan sampai terjadinya perpatahan. Defleksi juga mengindikasikan kerapatan atau indikasi adanya rongga-rongga yang ada didalam membran. Jika didalam membran terdapat suatu rongga-rongga atau kurang rapat, maka defleksi dari membran tersebut akan lebih besar. Pada data defleksi membran Z-Cu tanpa kalsinasi, diperoleh bahwa adanya penambahan Cu dengan konsentrasi yang semakin besar, menyebabkan terjadinya penambahan defleksi. Hal ini terjadi karena, keberadaan Cu yang ada didalam membran mengalami pengembangan, akibatnya saat diberikan tekanan, maka yang akan terjadi adalah penyusutan molekul Cu sehingga menyebabkan defleksi meningkat. Bebeda jika didalam membran terdapat Cu dengan konsentrasi yang kecil, yang menyebabkan keteraturan dari pori meningkat. Akibatnya saat diberikan tekanan, ruang-ruang yang ada didalam membran sudah terisi sehingga defleksi menjadi kecil.

Tabel 2. Sifat mekanik Membran Z-Cu tanpa Kalsinasi

Membran Kuat Tekan Maksimum (Psi) Defleksi (m) x 10-3 700 710 720 730 740 750 760 770 Cu 2% Cu 4% Cu 6% Cu 8% Cu 10% K U A T T E K A N (P SI ) % KOMPOSISI CU

(5)

Z-Cu 2% 722,56 ± 0,035 0,78± 0,004

Z-Cu 4% 734,57 ± 0,034 0,83 ± 0,023

Z-Cu 6% 763,33 ± 0,097 0,86 ± 0,04

Z-Cu 8% 749,61 ± 0,046 0,81 ± 0,026

Z-Cu 10% 725,81 ± 0,257 0,80 ± 0,055

Pengaruh Kalsinasi pada Sifat Mekanik Z-Cu

Pengaruh suhu kalsinasi terhadap sifat mekanik dari membran Z-Cu ditunjukkan oleh Tabel 3. Adanya perlakuan kalsinasi pada membran Z-Cu menyebabkan adanya kenaikan kekuatan tekan maksmium, tetapi tidak signifikan. Adanya kenaikan harga σ dimungkinkan karena adanya proses pemanasan menyebabkan molekul-molekul yang ada pada membran melakukan pergerakan sehingga molekul-molekul tersebut akan mengisi pori-pori yang ada pada membran sehingga kerapatan dari membran akan meningkat. Pada penelitian Liu et al. (2014) menerangkan bahwa adanya proses perlakuan panas pada zeolit akan memberikan efek pada perubahan struktur dan komponen penyusun dari zeolit tersebut. Johnson et al. (2007) juga telah meneliti pengaruh kalsinasi pada suatu polimer (Zeolit MFI), dimana adanya proses kalsinasi ini akan memberikan efek kekerasan dari suatu material, sehingga akan berdampak pada sifat mekanik dari material tersebut.

Tabel 3. Pengaruh kalsinasi terhadap sifat mekanik membran Z-Cu

Membran Kuat Tekan Maksimum (σ) dalam Psi Kenaikan (%) Tanpa Kalsinasi Kalsinasi

Zeolit (Standar) 747.35 747.98 0.08 Z-Cu2% 722,56 776,32 8,52 Z-Cu4% 734,57 749,27 1,61 Z-Cu6% 763,33 791,70 2,67 Z-Cu8% 749,61 782,47 4,88 Z-Cu10% 725,81 790,80 5,82

Yielding dan Yield Stres Membran Z-Cu

Tabel 3. menunjukkan perbandingan data yielding dan yield stres pada membran Z-Cu yang telah dikalsinasi dan tanpa kalsinasi. Dari data tersebut diperoleh bahwa dengan perlakuan kalsinasi menyebabkan harga yield stres dari membran Z-Cu meningkat. Hal ini terjadi akibat membran Z-Cu setelah kalsinasi mengalami pemanpatan atau pemadatan akibat pergerakan molekul-molekul dari membran yang mengisi ruang-ruang kosong. Ruang-ruang kosong ini terjadi akibat adanya pelepasan H2O yang berasal dari CuSO4.5H2O. Pemadatan ini menyebabkan sifat mekanik dari membran akan mengalami peningkatan. Oleh karena itu, Setelah adanya kalsinasi, nilai dari σymengalami peningkatan.

Peningkatan σy ini juga sebanding dengan peningkatan harga yielding dari membran Z-Cu. Hal ini terjadi karena pada saat adanya kalsinasi dimana menyebabkan membran Z-Cu menjadi lebih memadat, sehingga dapat meningkatkan ketahanannya dalam menerima suatu

(6)

gaya (F). Oleh karenanya, yielding dari membran Z-Cu juga mengalami peningkatan akibat ketahanan dari membran ini dalam menerima gaya juga meningkat.

Tabel 3. Yielding dan Yield StresMembran Z-Cu

Membran TanpaKalsinasi Kalsinasi

δ (m) x 10-3 σy(Psi) δ (m) x 10-3 σy(Psi) Z-Cu2% 0.451 53.72 0.46 51.65 Z-Cu4% 0.48 50.73 0.474 49.99 Z-Cu6% 0.487 52.55 0.468 51.56 Z-Cu8% 0.478 51.53 0.455 50.32 Z-Cu10% 0.482 51.20 0.478 51.39

Flux Membran Z-Cu

Fluk didefinisikan sebagai laju permeat (Qp) per satuan luas total dari permukaan membran. Gambar 2. Menunjukkan karakter flux dari membran Z-Cu. Penambahan konsentrasi CuSO4.5H2O yang semakin besar menyebabkan harga flux dari membran Z-Cu semakin kecil. Hal ini mengindikasikan bahwa penambahan Cu(II) kedalam membran zeolit menyebabkan pori dari membran Z-Cu semakin kecil, sehingga kemampuan membran dalam mengalirkan permeat semakin kecil, akibatnya, laju alir dari permeat yang melewati membran semakin rendah. Li et al. (2012) mengemukakan bahwa semakin besar konsentrasi zeolit pada suatu membran maka akan menyebabkan pori-pori dari membran. Oleh karena itu, dengan berkurangnya konsentrasi zeolit dan bertambahnya konsetrasi Cu(II) menyebabkan flux dari membran tersebut semakin kecil. Pada penelitian Sun et al. (2015) selain penambahan logam oksida, proses perlakuan temperatur juga mempengaruhi dari proses adsorbsi pada membran zeolit. Sehingga, selain penambahan Cu(II) pada membran zeolit, proses kalsinasi juga memiliki pengaruh yang besar terhadap proses adsorbsi pada membran tersebut.

Seiring dengan bertambahnya waktu pengaliran, harga flux dari membran Z-Cu juga semakin rendah. Hal ini dimungkinkan karena pori-pori pada permukaan membran telah tertutupi oleh molekul-molekul yang berukuran besar. Akibatnya, molekul-molekul kecil seperti H2O susah untuk memasuki pori-pori dari membran.

(7)

Gambar 2. Karakter flux versus waktu dari membran Z-Cu

4. Kesimpulan

Adanya Cu(II) berpengaruh terhadap kekuatan tekan pada membran Z-Cu. Komposisi CuSO4.5H2O 6% (w/w) memiliki kekuatan tekan maksimum lebih besar dibandingkan dengan komposisi lainnya yaitu mencapai 763.33 Psi. Akan tetapi, dengan adanya pengaruh suhu kalsinasi, menyebabkan kuat tekan maksimum dari membran Z-Cu meningkat. Adapun pengaruh Cu(II) pada karakter flux membran Z-Cu adalah dengan penambahan konsentrasi CuSO4.5H2O menyebabkan karakter flux semakin menurun. Selain itu, semakin lama proses filtasi, menyebabkan karakter flux semakin berkurang.

5. DAFTAR PUSTAKA

Akbary, Fauzan. 2009. Membran Zeolit Katalitik Untuk Pembentukan Syngas. Makalah. Institut Teknologi Bandung

Anggraeni, Corry Riris. 2011. Pengarus Suhu Kalsinasi dan Massa Zeolit-Cu di Reaktor terhadap Aktivitas Zeolit-Cu sebagai Katalis pada Konversi Metanol menjadi Hidrokarbon. Skripsi. Universitas Negeri Malang

Peng, Y. Lu, H. Wang, Z. Yan, Y. 2014, Microstuctural optimization of MFI-type zeolite membranes for ethanol-water separation, Journal of Material Chemistry A. 2: 16093-16100

Wang, X. Chen, Y. Zhang, C. Gu, X. Xu, N. 2014. Preparation and Characterization of High-flux T-type Zeolite Membrane Supported on YSZ Hollow Fibers. Journal of Membrane Science. 455: 294-304

Dong, H. Zhao, L. Zhang, L. Chen, H. Gao, C. Ho, W. S. W. 2015. High-Flux Reverse Osmosis Membrane Incorporated with NaY Zeolite Nanoparticles for Brackish Water Desalination. Journal of Membrane Science. 476: 373-383

(8)

Liu, H. Shen, T. Li, T. Yuan, P. Shi, G. Bao, X. 2014. Green synthesis of Zeolite from a Natural Aluminosilicate Mineral Rectorite: Effect of Thermal Treatment Temperature. Applied Clay Science. 90: 53-60

Sun, Q. Hu, X. Zheng, S. Sun, Z. Liu, S. Li, H. Influence of Calcination Temperature on the Structural, Adsorption, and Photocatalytic Properties of TiO2 nanoparticles Support on Natural Zeolite. Powder Technology. 274: 88-97

Li, J. Shao, J. Ge, Q. Wang, G. Wang, Z. Yan, Y. 2012. Influence of the Zeolite Loading and Particle Size in Composite Hollow Fiber Supports on Properties of Zeolite NaA Membrane. Microporous and Mesoporous Materials. 160: 10-17

Johnson, M. C. Wang, J. Li, Z. Lew, C. M. Yan, Y. 2007. Effect of Calcination and Polycristallinity on Mechanical Properties of Nanoporous MFI Zeolite. Material Science and Engineering A. 456: 58-63

Figur

Memperbarui...

Referensi

Memperbarui...