KALIBRASI ALAT THERMAL GRAVIMETRI DIFFERENTIAL THERMAL ANALYSIS

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005 ISSN 0854 - 5561

KALIBRASI ALAT

THERMAL GRA VIMETRI DIFFERENTIAL

THERMAL ANALYSIS

Sutri Indaryati, Yanlinastuti, Aslina B.Ginting

ABSTRAK

Kalibrasi Alat Thermal Gravimetri Differential Thermal Analysis. Menurut sistem mutu pengujian SNI 17025-2000 setiap alat uji yang baru selesai melakukan perbaikan dan penggantian suku cadang harus dikalibrasi. Kalibrasi alat TG-DT A dilakukan dengan cara melakukan pengukuran temperatur dan entalpi peleburan CRM (Certificate Reference Material) In,Sn, Pb, Zn, AI, Ag Au dan Ni pada rentang temperatur 30°C hingga 1500°C dengan kecepatan pamanasan DC/men, DC/men, dan DC/men. Dari kalibrasi diperoleh hasil besaran entalpi dan temperatur lebur masing-masing CRM dan dievalusi dengan cara regresi sehingga diperoleh besaran sensitivitas koefisien dan temperatur koefisien. Kedua be~aran ini merupakan parameter uji alat yang menyatakan alat telah terkalibrasi. Hasil ka/ibrasi menunjukkan bahwa parameter uji yang optimum digunakan untuk pengukuran entalpi dan temperatur lebur adalah koefisien sensitifitas (/lV/mW) sebesar, S = (3,49163x10-2) + (1,73047E-03 T) - (4,08108E-06T2) -

(1,4953E-09T3)-(1,49553E-12r) dan koefisien temperatur (0C) sebesar C f(T,R) = (-4,08822+00) +(6,31388E-03T) + (1,12709 R) - (6,62628x1 0-2R2) dengan penyimpangan pengukuran untuk temperature peleburan sebesar 0,001 % hingga 3,552% dan pengukuran entalpi sebesar 0,068% hingga 8,765%. Besaran penyimpangan tersebut dapat diterima karena sertifikat alat dari fabrikan menetapkan besar penyimpangan yang dapat diterima sebesar 10%. Dari hasil ana/isis diatas dapat dinyatakan bahwa alat TG-DT A te/ah terkalibrasi untuk penentuan penentuan temperatur serta entalpi peleburan pada rentang pengukuran 30°C hingga 1500°C.

PENDAHULUAN

Alat Thermal Gravimetry Differential Thermal Analysis type CS92 (TG-DT A'92) telah mengalami kerusakan sehingga perlu di/akukan perbaikan yang disertai dengan up grading pada soft ware MS-DOS ke MS-WINDOW. Setelah selesai perbaikan maka per/u di/akukan uji fungsi dan kalibrasi untuk mengetahui unjuk kerja alat tersebut. Kalibrasi terhadap alat TG-DTA dilakukan dengan menggunakan standar logam CRM yang telah diketahui titik lebur dan entalpi secara teoritis dari sertifikat. Hasil kalibrasi alat TG-DT A diperoleh besaran sensitifitas koefisien dan temperatur koefisien yang merupakan parameter uji dan sebagai faktor koreksi untuk merubah satuan pengukuran dari hasil satuan IlV/mW menjadl call gram atau joule Igram. Setelah dilakukan kalibrasi alat, serta diperoleh besaran

sensitifitas koefisien dan temperatur koefisien kemudian dilakukan pengukuran titik lebur dan entalpi terhadap standar CRM untuk mengetahui kinerja alat serta besarnya penyimpangan dari pengukuran.

Peralatan Thermal Gravimetry Differential Thermal Analysis type CS92 (TG-DTA'92) merupakan dua buah alat yang dapat dioperasikan secara simultan, Adapun kegunaan alat TG-DT A tersebut adalah dapat menentukan perubahan berat, temperatur peleburan, temperatur perubahan fasa titik rekristalisasi, titik transisi glass dan entalpi dari suatu bahan . Sesuai dengan fungsinya maka penunjukan temperatur diharapkan selalu tepat dan akurat agar diperoleh hasil analisis dengan ketelitian yang tinggi . Pada waktu yang lalu alat TG-DT A menga!ami kerusakan dan setelah selesainya perbaikan alat tersebut dilakukan uji

fungsi yang dilanjutkan dengan kalibrasi.[1]. Uji fungsi dilakukan dengan mengukur ental pi dan titik lebur dari CRM Sn pada temperatur 30°C sampai dengan 300°C dan Ni pada temperatur 30°C sampai dengan 1500°C, dengan kecepatan pemanasan 10°CI menit. Pelaksana-an uji fungsi ini dilakukPelaksana-an dengPelaksana-an parameter uJi pada besaran sensitifitas koefisien dan temperature koefisien yang lama seperti dituangkan pada Tabel-1

Tabel-1: Besaran konstanta sensitifitas dan temperature koefisien. '":?L Sensitifitas Koefisien Temp,Koefisien

AO -1,OE+035,09244 BO A1 2,2363E+02 B1 -2,749 E-03 A2 -3,9399E-Ol B2 -1,2563E+00 A3 2,5720E-04 B3 6,4909E-02 A4 -5,7429E-OS'

Dari hasH uji fungsi tersebut diperoleh hasil besaran entalpi dan titik lebur CRM diperoleh hasil seperti Tabel-2

Tabel-2: HasH uji fungsi alat TG-DTA.

No cal/gramSam pel CRM EntalpiTitik lebur "C Pengukuran Serti fikat PengukuranSertifikat

I

Sn_..238,47.6,14014,4231,7 2 Ni1430,73_70,4471,51452

HasH pengukuran entalpi dan titik lebur CRM Sn dan Ni menggunakan sensetifitas koefisien dan temperatur koefisien seperti Table 1 tidak sesuai dengan besaran sertifikat yang ada, sehingga perlu dilakukan kalibrasi terhadap alat TG-DT A

Kalibrasi dilakukan hingga temperatur 1500°C menggunakan beberapa CRM (Certificate Reference Materia0 antara lain In. Sn, Pb,

In,

AI, Ag, Au dan Ni serta menggunakan metode uji yang valid dari SETARAM yang telah diverivikasi dengan metode ASTM ['.2) dengan 3x pengulangan. Setelah alat terkalibrasi kemudian dilakukan penentuan temperatur peleburan dan entalpi sampel standar In. Sn, Pb,

In,

AI, Ag, Au dan Ni pad a rentang temperatur 30°C hingga 1500°C dengan kecepatan pemanasan 5°C/menit, 10°C/menit, 15°C/menit dalam media gas Argon dengan 3x (tiga) kali pengulangan13I,

Hasil pengukuran pengulangan temperatur peleburan dan enta!pi diuandingkan dengan

untuk mengetahui besar penyimpangan dari [4.5)

pengukuran ..

CARA KERJA

Kalibrasi

Alat

CRM Nikel ditimbang seberat :: SO mg. kemudian dimasukkan ke dalam krusibel Alumina dan dimasukkan ke dalam chamber TG-DT A rod. kemudian divakumkan hingga 1O"mbar. Setelah tercapai kevakumannya kemudian dialiri dengan gas Argon dengan kecepatan alir 2,5 mbar/detik. CRM Nikel 99.999% dipanaskan di dalam tungku TG-DTA dari temperatur 30°C hingga 1500°C dengan variasi kecepatan pemariasan 5°C/menit, 10°C/menit dan 15°C1men it. Hal yang sama dilakukan terhadap sampel In, Sn, Pb,

In,

AI, Ag dan Au dengan masing masing temperatur pemanasan secara berurutan 250°C, 350 °c , 450°C. 700 DC. 1000 °c dan 1100 °c dengan 3 kali pengulangan pengukuran untuk masing masing variasi kecepatan pemanasan. Hasil

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005

menyatakan besarnya temperatur peleburan dan besarnya entalpi peleburan dari sampel CRM. Dari besaran temperatur dan entalpi yang diperoleh akan dievaluasi dengan software TG-DT A menjadi suatu faktor koreksi kalibrasi terhadap parameter uji berupa sensitifitas koefisien S = AO + A 1 T + A2 T2

+A3 T3 +A4

r

dan temperature koefisien (0G),

CT =BO +B1T +B2 +B3. Se!anjutnya besaran ini digunakan sebagai parameter uji untuk penentuan temperatur peleburan dan entalpi dari masing-masing CRM tersebut.

HASIL DAN PEMBAHASAN A. Kalibrasi Alat

Dari kalibrasi diperoleh suatu

---1ermo9fa!P- DT A yang ditunjukkan oleh

besaran aliran panas (Heat Flow = ,.N) dari temperatur 30°C hingga 1500°C. Perubahan aliran panas tersebut menyebabkan terbentuknya puncak endotermik yang menyatakan temperatur terjadi peleburan CRM Nikel 99,999% yang ditunjukkan oleh titik onset temperature dan diakhiri oleh top temperature seperti yang terlihat pada Gambar-1.

ISSN 0854 - 5561

Onset temperature adalah titik awal pembentukan puncak endotermik tersebut da'n top temperature adalah titik akhir dari terjadinya reaksi peleburan terse but. Sedangkan luasan puncak endotermik yang terbentuk menunjukkan besarnya panas yang dibutuhkan atau besar entalpi CRM untuk melakukan reaksi peleburan. Sebagai salah satu contoh pada tulisan ini adalah hasil anal isis terhadap CRM Ni yang menunjukkan bahwa CRM Nikel mengalami reaksi peleburan pada temperatur 1459,55°C dengan entalpi peleburan 85,9862 /lV,s/mg. Untuk mengubah satuan entalpi (/lV,s/mg) menjadi satuan entalpi (cal/g) maka dilakukan perhitungan dengan langkah -Iangkah sbb:

Besarnya temperature lebur dan entalpi untuk CRM Nikel dari sertifikat adalah: Tf = 1435°C, tlH = 73,8 cal/g atau 308,48 Joule/g.

Berat Nikel yang diukur (sample mass experiment) = 80 mg

Besat sampel 80 mg memberikan entalpi sebesar L'lH = 308,48 Joule/1000mg x 80mg

= 24,6784 Joule

= 24678,4 mJoule

Entalpi Pengukuran Nikel = 85,9862 /lV.s/mg x 80 mg =6878,896 /lV.s

L'lH Pengukuran 6878,896 /lV.s

tlH Sertifikat 24678,4 mJoule

=0,28 /lV/mW

Dengan cara yang sama, kemudian dilakukan perhitungan sensitifitas terhadap CRM In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag dan Au sehingga diperoleh suatu korelasi antara besaran sensitifitas dengan temperatur seperti yang dituangkan pada Tabei-3 dan pada Gambar-2.

..•

ONeIpcM:1U:;~"C

F't0i01_ I •.•• V'(

E...,.,/f'i~·~8112._~

Gambar-1: Termogram Peleburan Standard Nikel

---Tabel-3: Sesitivitas dan temperature lebur pengukuran

Kec pemanasan SOC/min

Kec pemanasanKec pemanasan 100C/min1SoC/min

No

Sampel Standar

Tik lebur-SensitifitasTik lebur SensitifitasSensitifitasTik lebur

°c (~V/mW)°c (~V/mW)(~V/mW)°c 1 Sn233.87234.3233.430.2430.3110.26 2 Pb328.87328.00.275326.20.2660.275 3 Zn421.18422.20.350420.80.3380.323 4 AI 662.49668.32661.560.3600.2830.298 5 Ag965.61966.29966.550.4100.4700.424 6 Au 1064,880.496 1066.851067.650.4350.384 7 Ni 1462.351464.421459.560.2230.1750.287

••••• TAAAWI REGRESSION: AaIiMKallbrul

---" .- Senstttvlty IJjV/mW. eO +.1-T"a2·T"'2 + a3·T"'3 +&4·T~

I I . ---.-- .", i-Sensitivity IIJV/mW 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 ..0.15 0.10 0.00 ~.05 200 400 600 800 ~O ; 349163E·07 CJ 1=.1 7304 7E·03 37; --408108E·06 .3; 4.23053E-09 34; -, 49553E·12 1000 1200 1400

Gambar-2: Kurva Kalibrasi Sensitivitas dengan Temperatur

Besaran masing-masing sensitivitas

(fiV/mW).

sebagai fungsi temperatur kemudian dievaluasi dengan software yang ada sehingga diperoleh besaran konstanta koefisien sensitifitas dan koefisien temperatur sebagai hasil kalibrasi pad a rentang temperatur 30°C hingga 1500°C dituangkan pada Tabel-4

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Tabel-4: Besaran konstanta sensitivitas dan temperature koefisien.

ISSN 0854 - 5561

Sensitivitas Koefisien _{Temp,Koefisien} AO 3,49163x10-£ BO-4,08822 A1 1,73047 x10-" B16,31388 x10-~ A2 -4,081081,12709 x10-vB2 A3 -1,49553 x1 O_J-6,62628 x1 0-<'B3 A4 -1,49553 x10-1'

Besaran konstanta koefisien sensitifitas dan koefisien temperatur yang diperoleh dimasukkan ke menu parameter, merupakan parameter uji yang digunakan untuk analisis temperatur lebur dan entalpi untuk pengukuran lebih lanjut.

B. Penentuan Temperatur Peleburan Dan Entalpi

Dengan menggunakan parameter uji berupa sensitivitas koefisien diatas, S = (3,49163x1 0_2) +( 1,73047 x10-3 T) - (4,08108 X10-~2) - (1,4953 x10_9T3) - (1,49553

X10_12-r)

dan koefisien temperatur (0C) sebesar C f(T,R) =( -4,08822) +(6,31388x10-3T) + (1,12709 R) - (6,62628 x10-2R2)selanjutnya dilakukan pengukuran temperatur lebur dan entalpi terhadap sampel standar In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag, Au dan Ni dengan 3 (tiga ) kali pengulangan. Besarnya temperatur peleburan merupakan fenomena awal perubahan base line aliran panas membentuk suatu puncak endotermik menunjukkan bahwa mulai terjadinya fenomena peleburan (onset temperature) dan akhir pembentukan puncak endotermik tersebut menyatakan selesainya reaksi peleburan yang terjadi (top temperature). seperti yang ditunjukkan pad a Gambar-3 yaitu termogram temperatur peleburan standar Emas (Au). Pembentukan puncak endotermik pada fenomena peleburan ini menunjukkan bahwa dalam melakukan peristiwa peleburan tersebut sam pel emas membutuhkan sejumlah panas . Dari Gambar-4 dapat diketahui bahwa sampel standar emas mulai mengalami peleburan pad a temperatur 1056,99°C dan berakhir pada temperatur 1064,88°C dengan membutuhkan panas sebesar 14,2173 cal/g. Besarnya temperatur dan entalpi peleburan yang diperoleh dari masing-masing standar In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag, Au dan Ni dengan pengulangan pengukuran sebanyak 3x dituangkan pada Tabel-5 dan Tabel-6

•••• ~ IF~. : Ex~riment: Au.wnd.30-12000C.5oCJ~n (10-03-05) Atm. ~ 03-10-05 p,.oc-.du,..: Au etand.30-12000C.5oCJrT--. (Seq 1) H •• tFloW'f mW

.IT\- Exo

O~I·

-20

Ona.et po4nt :1 05e.g.o ·C

P~k 1 tOt" .1 064.68 ·C

Enth.'pyICaVg ; '.:2173 (EnaOChef-."k; ef'f-=:t)

..••0 -100 -120 Ar Crucible: Al203 1 M ••• (mg) ::189.e .00 '000

Tabel-5: Temperatur Peleburan Sampel Standar Variasi Kecepatan Pemanasan. Sampel

Kec Titik lebur °C

Standar pemnasn Pengukuran No (CRM)C {men I SD %.RSD%Akurasi Rerata Teoritis

I

23. I In 5159.70158.900158.60158.4098.4270.7871.250156.40 2 10 168.51168.203168.20167.9092.9835.9023.509156.40 3 15 167.67

.

168.359168.45168.96 156.40 5.980 3.552 92.897 4 Sn 5231.56231.460229.97232.8599.8530.0730.170231.80 5 10 233.56233.563233.68233.4599.2450.3770.881231.80 6 15 234.17235.63234.5670.59098.820233.9231.801.384 7 Pb 5328.87328.063327.97327.3599.7980.1010.332327.40 8 10 326.27327.233327.5399.949327.90.0260.083327 .40 9 15 326.89328.343329.36328.7899.7130.1440.472327.40 10 Zn 5421.45421.077420.67421.1199.6250.1870.788419.50

II

10 421.18418.43420.13799.848420.80.0760.319419.50 12 15 420.34421.160421.55421.5999.6060.1970.830419.50 13 AI 5659.51659.107659.29658.5299.9080.0460.303658.50 14 10 659.22660.020659.52661.3299.7700.1150.760658.50 15 15 659.59659.970661.54658.7899.7770.1110.735658.50 16 Ag 5960.34959.993959.85959.7999.8950.0520.503961.00 17 10 962.4960.45961.333961.1599.9650.0170.166961.00 18 15 962.69962.243962.12961.9299.8710.0650.622961.00 19 Au 51056.991058.7771060.451058.8999.6030.1991063.002.111 20 10 1066.851064.3331066.681059.4799.8750.0631063.000.667 21 15 1062.661066.2901067.651068.560.15499.6911063.001.645 22 Ni 5 1451.591451.9631451.961452.3499.9970.0010.0191452.00 23 10 1451.581452,.781456.2601464.4299.7070.1461452.002.130

.

24 _{1459.52 11456.067} .' 15 1449.121459.5699.7210.1402.034 1452.00

Hasil-hasil Penelitian EBN Tahun 2005

Tabel-6: Entalpi Peleburan sampel standar

ISSN 0854 - 5561

Entalpi call gram Sampel

TitikKec _Pengukuran No

Standar_leburT eortis.Pemnsan_{°c Rerata}

I SD %RSD I %Akurasi (CRM) (teotitis)23C Imen

I

---1 In156.4056.1806.2036.1920.30491.0596.1954.9106.8 2 156.40 .

-1C _{6.980·6.7206.8170.00999.7510.1256.7506.8} 3 156.40 15 7.0307.3307.2130.20794.2747.2802.8636.8 4 Sn231.80513.97097.11113.88613.98414.0970.2081.48714.4 5 231.80 10 14.56014.75014.43099.79213.9800.0150.10414.4 6 231.80 15 14.42714.76514.53099.10514.3970.0650.44714.4 7 Pb327.40 55.1060.3895.1155.1455.12286.8147.5955.9 8 327.40 10 5.0015.0285.0200.44085.0855.0328.7655.9 9 327.40 15 5.67895.8645.7555.6560.1225.5342.1575.9 10 Zn419.50 524.45824.34224.55799.36124.8700.3200.07924.4

II

419.50 10 24.55023.87024.36799.86524.6800.0680.01624.4 12 419.50 15 24.67823.99524.53599.45024.9320.2750.06824.4 13 AI658.50 582.70182.58682.60787.41582.5337.1995.94794.5 14 658.50 10 91.11096.4 7591.09891.16991.2991.8271.66694.5 15 658.50 15 81.73282.34682.14586.92682.3586.1787.52094.5 16 Ag961.00525.24224.88225.29798.82625.7660.5870.14925.0 . 17 961.00 10 25.58025.45025.29798.82624.8600.1490.58725.0 18 961.00 15 25.22099.15924.99625.42125.2120.1060.42025.0 19 Au1063.00515.25515.43115.27699.84315.1410.0120.07915.3 20 1063.00 10 16.14794.83715.97116.13316.2800.4162.58215.3 21 1063.00 15 17.95917.79217.93285.32218.0447.3391.316153 22 Ni1452.00570.88599.83571.71271.38271.5480.0590.08371.5 23 1452.00 10 72.98072.06598.39872.94872.6640.5820.80171.5 24 1452.00 15 71.56799.04872. 06872.18772.9270.3430.47671.5

Oari

Tabel-5

dan

Tabel-6.

dapat

diketahui bahwa % penyimpangan

pengukur-an

untuk temperatur peleburan

dan entalpi

dengan pengulangan

(repeatibilitas)

3x , untuk

masing-masing sample standar %

penyim-pangan

pengukuran

temperatur

peleburan

berada pada rentang 0,001% hingga 3,552%

dan

%

penyimpangan

pengukuran

untuk

entalpi

diperoleh

sebesar

0,068%

hingga

8,765%. Besaran ini dapat diterima karena

berada

dibawah

%

penyimpangan

yang

diberikan

oleh

sertifikat alat sebesar

±

10%[3,4J•

Oari

hasi:

perhitungan

akurasi

besaran akurasi diatas 99%, kecuali pada In yang mempunyai suhu titik lebur 156,40°C atau di bawah 200°C, diperoleh besaran akurasi lebih keci!. Hal ini disebabkan karena kondisi alat pad a suhu tersebut kurang stabil sedangkan untuk akurasi entalpi peleburan diperoleh hasil yang tidak simultan. hal ini dikarenakan karena nilai entalpi yang diperoleh tergantung ada cara evaluasi terhadap titik awal dan titik akhir dari luasan termogram DTA yang terbentuk.

KESIMPULAN

Dari hasil analisis pengukuran temperatur peleburan serta entalpi pe:leburan dari sam pel CRM In, Sn, Pb, Zn, AI, Ag Au dan Ni diperoleh bahwa besar % penyimpangan pengukuran untuk temperatur peleburan untuk masing-masing sample standar berada pad a rentang 0,001% hingga 3,552% dan % penyimpangan pengukuran untuk entalpi diperoleh sebesar 0,068% hingga 8,765%. Besaran ini dapat diterima karena berada dibawah % penyimpangan yang diberikan oleh sertifikat

alat sebesar

±

10%. Hasil perhitungan aKurasi temperatur peleburan. diperoleh hasil di.atas 99 % untuk suhu di atas 200°C, sedangkan untuk akurasi entalpi peleburan diperoleh hasil yang tidak simultan ini dikarenakan nilai entalpi yang diperoleh tergantung p'ada luasan termogram serta dipengaruhi oleh penentuan titik awal dan titik akhir dari termogram.

ACUAN:

1.. SNI-17025, Dokumentasi Sistem Mutu Laboratorium, Badan Standardisasi Nasional (BSN), Tahun 2002.

2. ASTM, Annual Book of ASTM Standars, USA, VoI,14,02 (1992) , page 399-402. 3. SETARAM, Manual Operation Differential

Thermal Analysis Type CS'92 , Set~ram Franc, 1992.

4. ROBERT L, ANDERSON,"Practical Statistics for Analytical Chemists" Van Nostrand Reinhold Company,New York,1987.

5. PERRY H.ROBERT. "Chemical Engineers Handbook', Sixth edition McGrawHill, 1984