1
Pemanfaatan Silika Sekam Padi Sebagai Bahan Baku Pembuatan
Membran Untuk Desalinasi Air Laut
Septiani Rosiyana Fatmasari*, Alia Damayanti**, Endah Yuswarini***
*
Jurusan Teknik Lingkungan ITS,Septianirosiyana@yahoo.com **
Jurusan Teknik Lingkungan ITS, Lia@its.ac.id
Abstrak
Desalinasi menggunakan membran merupakan cara yang tepat untuk mengatasi masalah kekurangan air yang ada. Salah satu bahan dasar untuk pembuatan membran adalah silika yang disintesis dari sekam padi. Pada pembuatan membran berat silika akan mempengaruhi kualitas membran.Pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan membran silika dari sekam padi dengan variasi berat silika 10 gram, 15 gram, 20 gram, 25 gram. Pembuatan membran dilakukan dengan teknik pengabuan. Parameter yang dianalisa pada permeat adalah konsentrasi klorida dan Total Dissolved Solid (TDS). Hasil analisa parameter digunakan untuk menghitung nilai koefisien rejeksi (R) sehingga dapat diketahui variasi membran yang memiliki permselektivitas terbaik untuk dilakukan karakterisasi dan analisa morfologi membran Karakterisasi dilakukan dengan Fourier Transform Infrared (FTIR) sedangkan analisa morfologi dilakukan dengan Scanning Electron Microscopy (SEM).Dari hasil penelitian membran yang memiliki permselektivitas terbaik didapatkan dari variasi berat silika 15 gram yaitu sebesar 41,6% untuk klorida dan 52,8% untuk TDS. Hasil dari FTIR dan SEM menunjukkan membran memiliki gugus SiO2 dan memiliki pori-pori berukuran nano.
Kata kunci: Berat silika, desalinasi, membran, sekam padi
Abstract
Desalination using membrane is appropriate to overcome the problem of water scarcity. One of the raw materials of membrane was silica which was synthesized from rice husk. In producing process of membrane, the weight of silica affected the quality of the membrane. This study produced silica membranes from rice husk with silica weight variation 10 grams, 15 grams, 20 grams, 25 grams. Membrane would be produced by sintering technique. The parameters analyzed in permeate were the concentration of chloride and Total Dissolved Solid (TDS). Results of the parameters analysis used to calculate the rejection coefficient (R) then it determined which variation of membrane has the best permselectivity. Characterization and morphological analysis is using Fourier Transform Infrared (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM).From the study, the best permselectivity of membrane was obtained from the variation of 15 grams silica weight there were 41,6% for chloride and 52,8% for TDS. Results from FTIR and SEM show that membrane has SiO2 and nanopores.
Keywords: Desalination, membrane, rice husk, silica weight
1. PENDAHULUAN
Ketersediaan air bersih tidak dapat dipenuhi dengan hanya menggunakan air tanah, maka solusinya adalah menggunakan sumber air terbesar yang ada yaitu air laut. Berdasarkan fakta tersebut maka proses desalinasi merupakan cara yang tepat untuk mengatasi masalah kekurangan air yang ada. Prinsip proses desalinasi dibagi kedalam dua jenis, yaitu thermal dan metode pemisahan dengan membran. Teknologi membran telah banyak digunakan untuk proses desalinasi (Dababneh dan Al-Nimr, 2002). Namun, teknologi membran masih
2
tergolong mahal oleh karena itu dibutuhkan alternatif bahan baku untuk pembuatan membran yang murah bagi masyarakat pesisir pantai.
SiO2 merupakan bahan dasar membran 0,001 μm dan mampu menahan partikel berukuran
50-1000 Da (Mallia dan Till, 2003). Pada penelitian ini silika disintesis dari sekam padi. Pembakaran sekam akan menghasilkan abu yang mengandung silika (SiO2) (Andriati, 2007).
Nilai paling umum kandungan silika dari abu sekam adalah 94 – 96 % dan apabila nilainya mendekati atau di bawah 90 % kemungkinan disebabkan oleh sampel sekam yang telah terkontaminasi dengan zat lain yang kandungan silikanya rendah (Harsono, 2002). Berat silika akan berpengaruh pada kepadatan membran, sehingga dalam penelitian ini akan ditentukan berapa berat silika optimum untuk pembuatan membran.
2. METODE PENELITIAN Alat dan Bahan
Peralatan yang diperlukan untuk penelitian ini antara lain oven, furnace, cawan porselin, kompor listrik, desikator, spektrofotometer FTIR, SEM, neraca analitik, buret, erlenmeyer, pipet volumetrik 25 ml, beker glass 1 L, batang pengaduk, sentrifuge, ayakan 200 mesh, penggerus, magnetic stirrer, reaktor dead-end, kompresor.
Bahan yang dibutuhkan adalah 10 kg sekam padi, larutan HCL pekat, aquades panas, aquademin, kertas saring, 2-propanol, NH4Cl, Poly Vinyl Alchohol (PVA), Poly Ethylen Glycol
(PEG), AgNO3, ZnO, K2CrO3. Sampel yang digunakan merupakan air laut dari laut
Banyuwangi.
Proses Pembuatan Membran
a. Pengabuan sekam padi
Sintesis silika dari sekam padi dilakukan dengan menggunakan teknik pengabuan. Sekam padi sebanyak 10 kg dicuci dan dibersihkan dengan air dari impuritas akibat kotoran. Proses pengeringan dengan sinar matahari sampai kering. Sekam padi yang telah kering kemudian dibakar dengan api hingga menjadi arang hitam. Proses pengabuan dilakukan untuk mengetahui kandungan abu. Pengabuan dilakukan dengan cara difurnace pada suhu 600ºC selama 5 jam. Setelah itu abu dihaluskan menggunakan penggerus, kemudian abu yang telah dihaluskan diayak menggunakan ayakan 200 mesh. Analisa ayakan dilakukan di Laboratorium Beton Teknik Sipil ITS. Kemudian pemurnian sampel dilakukan agar silika terpisah dari abu sekam padi.
b. Pemurnian abu sekam padi
Metode yang dipakai untuk pemurnian ini adalah metode pengasaman dengan menggunakan larutan HCl pekat. Proses pemurnian dilakukan dengan cara memasukkan sampel berupa abu sekam padi ke dalam wadah dan dibasahi dengan aquades panas. Selanjutnya ke dalam campuran ditambahkan 100 ml HCl pekat dan diuapkan sampai kering. Pengerjaan ini diulangi sebanyak tiga kali. Tuangkan 200 ml aquades dan 100 ml HCl pekat ke wadah tadi dan dibiarkan di atas penangas air selama 30 menit. Campuran tersebut kemudian disaring dengan kertas saring bebas abu dan dicuci 20 sampai 25 kali dengan aquades panas. Hasil dari penyaringan berupa residu padat beserta kertas saringnya dipanaskan mula-mula pada suhu 300ºC selama 3 jam hingga kertas saring menjadi arang. Kemudian dilanjutkan dengan memanaskan pada suhu 600ºC hingga yang tersisa hanya endapan silika (SiO2) berwarna putih (Harsono, 2002).
c. Pencetakan Membran
Preparasi membran dalam metode ini sebanyak 10 gram, 15 gram, 20 gram, 25 gram silika dicampurkan dengan 35 ml 2-propanol dan campuran tersebut dimasukkan dalam botol 100
3
ml kemudian disentrifuge dengan kecepatan 600 rpm selama 10 menit. Langkah selanjutnya, tambahkan 3,5 gram NH4Cl sebagai surfaktan kationik yang telah dilarukan dalam 300 ml
aquademin. Campuran tersebut kemudian diaduk dengan magnetic stirrer selama 1 jam agar terbentuk pori membran yang berukuran nano (Chowdhury dkk, 2006). Proses pencetakan membran diawali dengan menambahkan 3,4 gram PVA dan 5 ml PEG ke dalam campuran. Selanjutnya membran dicetak menggunakan cawan petri dan dijemur di bawah sinar matahari sampai kering. Setelah kering membran dioven pada suhu 105̊ C selama 30 menit.
Pengujian Membran dalam Reaktor
Pengujian kinerja membran dilakukan dalam rektor dead-end untuk mengetahui kandungan klorida dan TDS dalam permeat yang lolos dari membran. Membran yang akan diuji dipotong bentuk lingkaran dengan diameter 5 cm. kemudian membran diletakkan di dalam reaktor. Setelah itu air laut yang telah dibeli dari penjual air laut dialirkan ke dalam reaktor dan ditutup. Pengujian membran dalam reaktor dilakukan selama 1,5 jam untuk tiap variasi dimana permeat diambil setiap 5 menit selama 30 detik. Reaktor diberi tekanan sebesar 2 atm.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Massa Silika Terhadap Rejeksi Klorida
Gambar 1 menunjukkan pada menit ke 0 nilai R untuk berat silika 10 gram, 15 gram, 20 gram, 25 gram berturut-turut adalah 37,2%, 39,5%, 37,2%, 34,1%. Pada menit ke 0 nilai R masih cenderung kecil karena membran baru beroperasi. Pada menit ke 15 sampai 90 nilai R terus bertambah. Nilai R terbesar didapat pada variasi massa silika 10 gram yaitu sebesar 48,8 % di menit ke 90. Bertambahnya nilai R dikarenakan semakin lama waktu operasi semakin banyak pengotoran (fouling) yang terjadi pada membran. Fouling semakin lama akan membentuk filter cake pada permukaan membran. Hal tersebut akan menyebabkan pori membran semakin kecil sehingga kemampuan untuk merejeksi klorida semakin meningkat dan nilai koefisien rejeksi (R) semakin besar (Karamah dan Lubis, 2000).
Gambar 1 Grafik Pengaruh Berat SilikaTerhadap Rejeksi Klorida Pengaruh Massa Silika Terhadap Rejeksi Total Disolved Solid (TDS)
Gambar 2 menunjukkan nilai koefisien rejeksi TDS yang fluktuatif. Hal tersebut disebabkan karena adanya driving force berupa tekanan yang menyebabkan deformasi atau pelebaran pori membran yang menyebabkan peningkatan permeabilitas membran (Notodarmojo dan Deniva, 2004) yang berakibat pada menurunnya nilai koefisien rejeksi TDS. Meningkatnya nilai koefisien rejeksi TDS juga terjadi pada beberapa titik yang menunjukkan adanya fouling membran. Fouling membran akan menyebabkan pori membran semakin kecil sehingga kemampuan untuk merejeksi TDS meningkat (Karamah dan Lubis, 2000). Nilai Koefisen rejeksi TDS terbesar didaptkan pada variasi massa silika 15 gram pada menit ke 90.
4
Gambar 2 Grafik Pengaruh Berat SilikaTerhadap Rejeksi Klorida Pengaruh Massa Silika Terhadap Nilai Fluks
Gambar 3 menunjukkan nilai fluks terbesar yaitu 0,7847 didapatkan pada variasi membran dengan massa silika 10 gram pada menit ke 0. Hal ini disebabkan karena pada menit ke 0 belum terjadi fouling sehingga jumlah permeat yang dihasilkan besar. Dapat dilihat bahwa fluks menurun seiring bertambahnya waktu operasi. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu operasi semakin banyak pengotoran (fouling) yang terjadi pada membran. Fouling ini semakin lama akan semakin meningkat hingga menutup pori-pori membran yang membuat kerja membran menjadi semakin berat dan menghasilkan penurunan jumlah permeat yang dihasilkan sesuai dengan penelitian (Karamah dan Lubis, 2000).
Gambar 3 Grafik Pengaruh Berat SilikaTerhadap Nilai Fluks Karakterisasi Membran
Karakterisasi dilakukan pada membran sebelum dan sesudah digunakan untuk menyaring air laut. Karakterisasi dilakukan dengan FTIR yang merupakan suatu metode spektroskopi inframerah yang dapat mengidentifikasi kandungan gugus kompleks dalam senyawa. Karakterisasi membran dilakukan di laboratorium Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS. Karakterisasi menggunakan FTIR dilakukan dengan menganalisis spektra yang dihasilkan sesuai dengan puncak-puncak yang dibentuk oleh suatau gugus fungsi, karena senyawa tersebut dapat menyerap radiasi elektromagnetik.
Berdasarkan Gambar 4 spektra menunjukkan beberapa gugus fungsi dalam sampel. Puncak utama yang diyakini berkaitan dengan gugus fungsi pada silika adalah pada bilangan panjang gelombang 3386,74 cm-1. Puncak ini merupakan puncak yang khas untuk vibrasi ulur gugus –OH (gugus hidroksil). Dengan demikian dalam silika yang digunakan sebagai sampel diyakini terdapat gugus hidroksil yang menunjukkan ikatan Si-OH atau silanol (Lin
5
dkk., 2001). Puncak kedua yang diyakini menunjukkan gugus fungsi silika adalah puncak pada bilangan gelombang 1095,5 cm-1 yang menunjukkan adanya gugus fungsi siloksan Si-O-Si (Daifullah dkk., 2003) dan puncak pada 792,11 cm-1 yang timbul akibat deformasi ikatan Si-O pada SiO4 (Prasetyoko dkk., 2005). Pada Gambar 5 terjadi perubahan spektra setelah
membran digunakan untuk menyaring air laut. Puncak utama mengalami penurunan dengan panjang gelombang 3384,19 cm-1. Pada panjang gelombang 1095,5 cm-1 tidak terjadi puncak lagi. Hal tersebut disebabkan karena terdapat pengotor pada membran yang berpengarung pada menurunnya daya serap elektromagnetik senyawa.
Gambar 4 Spektra FTIR Membran Sebelum Gambar 5 Spektra FTIR Membran
Dipakai Setelah Dipakai
Analisa Morfologi Membran
Analisa morfologi membran dilakukan dengan SEM EDAX. Analisa morfologi dilakukan pada membran sebelum dan sesudah digunakan untuk menyaring air laut.Tujuan dari analisa morfologi membran adalah untuk mengetahui ukuran pori membran yang dihasilkan serta unsur penyusunnya. Analisa morfologi membran dilakukan di laboratorium Jurusan Teknik Material dan Metalurgi ITS. Perbesaran yang digunakan adalah perbesaran 5000 kali. Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukan bahwa terjadi fouling yang menyebabkan penyumbatan pada pori membran setelah digunakan untuk menyaring air laut. Hal tersebut dapat dilihat dari ukuran pori membran yang semakin kecil yaitu dari 58,28 nm menjadi 29,14 nm. Dari ukuran pori membran tersebut maka membran yang dihasilkan termasuk membran ultrafiltrasi.
Gambar 6 Morfologi Membran Sebelum Gambar 7 Morfologi Membran Setelah
Dipakai Dipakai
Selain menganalisa ukuran pori membran, analisa unsur penyusun membran juga dilakukan dengan SEM EDAX.
6
Gambar 8 Grafik Unsur Penyusun Membran Gambar 9 Grafik Unsur Penyusun
Sebelum Dipakai Membran Setelah Dipakai
Dari Gambar 8 dan Gambar 9 dapat dilihat bahwa membran tersusun dari unsur Si, C, dan O. hal tersebut menunjukkan bahwa komponen penyusun membran yang dominan adalah Si dan O yang diidentifikasi sebagai senyawa SiO2. Penurunan kadar Si dan O kemungkinan
disebabkan oleh adanya Si yang terlarut dalam air sampel saat dilakukan pengujian membran dalam reaktor.
4. KESIMPULAN
Berat silika optimum untuk pembuatan membran adalah 15 gram dengan nilai koefisien rejeksi rata-rata yaitu sebesar 61,08% untuk klorida dan 86,55 % untuk TDS.
5. DAFTAR PUSTAKA
Andriati, A.H. 2007. Pemanfaatan Sekam Padi dan Abu Sekam Padi untuk Pembuatan Batu Beton Berlubang. Jurnal Pemukiman Vol.2 No. 2:129-137.
Chowdhury, S.R., Alisia, M.P., Dave, H.A.B., Johan, E. 2006. Influence of Porous Substrate on Mesopore Structure and Water Permeability of Surfactant Template Mesoporous Silica Membranes. Journal of Membran Science 277: 6-10.
Dababneh, A.J dan Al-Nimr, M.A. 2002. A Reverse Osmosis Desalination Unit. Desalination, 153:265-272.
Daifullah, A.A.M., Girgis, B.S., Gad, H.M.H. 2003. Utilization of Agro-Residues (Rice Husk) in Small Waste Water Treatment Plans. Material Letter, 57:1723.
Harsono, H. 2002. Pembuatan Silika Amorf dari Limbah Sekam Padi. Jurnal Ilmu Dasar 3(2):98-103.
Karamah, E.F. dan Lubis, A.O. 2000. Pralakuan Koagulasi dalam Proses Pengolahan Air dengan Membran: Pengaruh Waktu Pengadukan Pelan Koagulan Aluminium Sulfat Terhadap Kinerja Membran. Prodi Teknik Kimia, Universitas Indonesia. Depok
Lin, J., Siddiqui, J.A., Ottenbrite, M. 2001. Surface Modification of Inorganic Oxide Particels with Silane Coupling Agent an Organic Dyes. Polymer Advance Technology, 12:285-292.
Notodarmojo S dan Deniva A. 2004. Penurunan Zat Organik dan Kekeruhan Menggunakan Teknologi Membran Ultrafiltrasi dengan Sistem Aliran Dead-end. PROC. ITB Sains & Teknologi, 63-82. Departemen Teknik Lingkungan ITB, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan.
