BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Membran Keramik
Keramik dapat didefinisikan menjadi sebuah senyawa padatan yang terbentuk melalui panas, atau kombinasi panas dan tekanan yang tersusun setidaknya dari dua unsur yang salah satu diantara unsur penyusunnya adalah unsur padatan non logam. Unsur lainnya dapat berupa logam atau unsur non logam lainnya (Barsoum, 1997).
Membran keramik dapat digambarkan sebagai sebuah media selektif permiabel yang mempunyai pori dengan diameter tertentu dimana faktor permeabilitas dan separasi merupakan indikator-indikator yang paling penting dalam menentukan performanya. Untuk sebuah membran keramik berpori (porous), terdapat ciri-ciri tertentu yaitu jika dilihat dari ketebalan, ukuran pori dan permukaan porositas dari membran (Li, 2007).
Membran keramik berpori adalah membran dengan tipe asimetrik yang memiliki ketebalan support sekitar 1-3 mm. Lapisan mikrofiltrasi biasanya berukuran 10-30µm dan oksida yang umum digunakan untuk membran adalah zirconia (ZrO2) dan alumina (Al2O3). Membran ultrafiltrasi tebalnya hanya
beberapa mikrometer dan terbuat dari alumina, zirconia, titania (TiO2) dan
cerium (CeO2). Membran nanofiltrasi ketebalannya kurang dari 1µm,
untuk lapisan ultra dan nanofiltrasi. Membran keramik kebanyakan dibuat dalam dua bentuk geometri utama: tubular dan flat. Membran keramik terutama yang berbasis Palladium telah lama digunakan pada mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi karena sifatnya yang stabil terhadap pengaruh panas, bahan kimia dan solvent (Baker, 2004).
Kelebihan membran keramik terletak pada stabilitas termalnya yang baik, tahan terhadap senyawa kimia, degradasi biologis ataupun mikroba. Sifat-sifat menunjukkan keunggulan bila dibandingkan dengan membran yang terbuat dari senyawa polimer dan relatif mudah untuk dibersihkan dengan cleaning agent. Ketahanan terhadap zat kimia menyebabkan membran keramik banyak digunakan pada prosesing makanan, produk bioteknologi dan farmasi. Kekurangan membran keramik terutama timbul dari proses preparasinya dimana sangat sulit mencapai kualitas produk akhir yangreproducible. Hal ini karena pada dasarnya sifat brittle dari membrane keramik membuatnya lebih mahal dari pada sistem membran polimer. Selain itu, harga sistem membran meningkat signifikan seiring dengan meningkatnya kebutuhan sifat-sifat produk antara lain, porositas, reproducibility, danreliability.
2.2 Zeolit
kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit kebanyakan tidak lebih dari 10-15 mikron (Sutarti, 1994).
Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis.
2.2.1 Struktur Zeolit
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO
4]
dan [SiO
4] yang saling berhubungan melalui atom O.
Gambar 2.1. Kerangka utama zeolit
2.2.2 Sifat–sifat Zeolit
Gambar 2.2. Struktur Pori di dalam Zeolit (Weller, 1994) Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya:
2.2.2.a. Dehidrasi
Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam di dalam pori-porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau molekul air tersebut dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan tertentu maka zeolit akan meninggalkan pori yang kosong.
2.2.2.b. Penyerapan
Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air tersebut akan keluar. Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan.
2.2.2.c. Penukar Ion
dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion (Bambang P, dkk, 1995).
2.2.2.d. Katalis
Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa mempengaruhi kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan lintasan molekular dari reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil akan memuat molekul-molekul kecil tetapi mencegah molekul besar masuk. Selektivitas molekuler seperti ini disebut molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).
2.2.2.e. Penyaring / pemisah
Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini disebabkan zeolit mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul yang berukuran lebih kecil dari ruang hampa dapat melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa akan ditahan (Bambang P, dkk, 1995).
2.3 Cangkang Kerang (Anadara Granosa)
Cangkang kerang terdiri dari kapur (CaO) dan silika (SiO2), dimana
SiO2 merupakan bahan dasar membran.0.001µm dan mampu menahan
partikel berukuran 50-1000 Da. Cangkang kerang mengandung kalsium karbonat (CaCO3) dalam kadar yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan
dari tingkat kekerasan cangkang kerang. Semakin keras cangkang, maka semakin tinggi kandungan kalsium karbonat (CaCO3)nya. Fungsi dari
cangkang kerang disini sebagai bahan pengisi untuk memperkuat membran keramik yang dihasilkan.
2.4 Air Holding Basin
Holding Basin (HB) adalah unit pengolahan limbah cair yang digunakan untuk mengendapkan partikel-partikel padat, serta mengurangi kadar minyak dalam air buangan dan juga memperbaiki kualitas air buangan, terutama kandungan oksigennya. Sehingga diharapkan air sudah aman untuk dilepaskan ke lingkungan. Holding basin ini juga bisa menghasilkan lumpur, dan debit lumpur berkisar 4000 m3/ tahun. Lumpur holding ini bisa ditampung dari dalam sludge pond tersendiri sebelum diolah lebih lanjut (Tanjung, 2014). Sampel yang akan digunakan pada penelitian ini memiliki hasil analisa awal sebagai berikut : memiliki Ph = 8 ; BD = 13,4 ; konduktivitas = 4,46 dan TDS = 2,23.
2.5 Pembuatan Membran Keramik
Gambar 2.3. Metoda Pembuatan Membran Keramik (Diadaptasi dari Li 2007)
Metode yang lazim dilakukan dalam pencetakan membran keramik adalah slip casting, tape casting, extrusion dan pressing. Proses pelapisan dilakukan dengan teknik dip-coating, sol-gel, Chemical Vapor Deposition (CVD) atau proses Evaporative Vapour Deposition (EVD). Diameter pori membran keramik untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi bervariasi dari 0,01 sampai 10 µm. Biasanya membran untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dibuat dengan caraslip coating-sintering. Cara lainnya yaitu metode sol-gel dapat digunakan untuk membuat membran keramik dengan ukuran pori dari 10 sampai 100Ȧ. Pada prosesslip coating-sintering membran keramik dibuat dengan cara menuangkan dispersi butir halus material keramik dan suatu binder dan mencetaknya dalam suatu mold dan selanjutnya disintering pada temperatur tinggi (Baker, 2004).
Pembuatan membran keramik dari zeolit alam menggunakan CaCO3
murni berhasil dilakukan dengan melihat karakteristik dari membran tersebut yang membentuk ikatan yang kokoh antara zeolit alam dengan kalsium karbonat dan menunjukkan mineral penyusun dan pori pori sudah menyatu serta distribusi mineral sudah homogen (Budiman dan Asmi, 2013).
2.5.1. Persiapan Slurry
Komponen utama yang digunakan untuk membran keramik adalah inorganic powder, organic additives dan solvent. Faktor penting dalam pemilihan inorganic powderadalah ukuran partikel, distribusi, dan bentuk partikel. Faktor-faktor ini mempengaruhi porositas dan distribusi ukuran pori pada produk akhir. Organic additivesantara lainbinders, plasticizers, lubricant, deflocculant, antifoaming agent, promoters of porosity, water
retention agent, antistatic, chelating dan bactericide agent digunakan selama proses pembuatan, tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat membran keramik yang dibutuhkan. Syarat utama organic additives harus bisa terbakar tanpa meninggalkan abu dan tar. Pemilihan dan kuantitas organic additives sangat penting karena berdampak pada sifat slurry, sehingga mempengaruhi pemilihan metode fabrikasi (apakah extrusion, tape casting, dip coating, dll) dan sifat produk akhir. Solvent (misalnya
solvent berdampak pada waktu pengeringan. Proses persiapan slurry tergantung pada ketebalan yang diinginkan (pasta, slurry, suspensi), langkah-langkahnya terdiri dari:
• Mixing, pugging,danaging(untuk pasta) • Millingdanultrasound treatment(untukslurry)
• Dispersing (untuk suspensi, contohnya alumina dan zirconia) Agregasi partikel slurry memiliki efek pada ukuran pori dan permeabilitas air produk akhir.
2.5.2. Proses sol–gel
Proses ini pertama kali dikenalkan oleh Leennaars dalam pembuatan membran keramik jenis ultrafiltrasi. Proses ini mempunyai keuntungan diantaranya lebih mudah mengontrol ukuran pori membran yang dihasilkan. Sol-sol koloid merupakan larutan koloid dari zat-zat padat seperti Al2O3, SiO2TiO2, atau ZrO2. Proses ini digunakan pada persiapan
dibandingkan pembuatan membran ultra dan mikrofiltrasi. Diantara persyaratan yang dimaksud adalah:
1. Masing-masing butiran dalam sintered ceramic harus berukuran kurang dari 10nm. Ini bisa ditingkatkan dengan penambahan ion logam, misalnya La3+, untuk membatasi membesarnya pori dan menghambat transformasi fasa.
2. Agregasi partikel saat keadaan sol harus dicegah, dengan penambahan peptizing agent.
3. Memperlihatkan proses/metoda sol-gel dalam pembuatan membran keramik.
2.5.3. Proses Fabrikasi
Proses fabrikasi yang paling umum pembuatan membran adalah extrusion, tapecasting , dip dan spin coating. Extrusion dan tape casting digunakan untuk support system,tape casting and dip coating digunakan untuk membran mikrofiltrasi, dip dan spin coating dipakai pada membran ultra dan nano filtrasi. Pada proses extrusi, pasta dipaksa melewati bukaan die sehinga terbentuk tubular atau multichannel support. Green compact yang terbentuk dikeringkan pada temperature kurang dari 100oC untuk menghilangkan air. Tape casting digunakan untuk membuat keramik yang tipis, datar dan rapat. Proses ini terbatas pada ketebalan film yang didapat. Green compact yang terbentuk dari slurry sebagai hasil relative movement antara ‘doctor blade’ dan support atau carrier. Umumnya, kecepatan casting bervariasi dari 0.1 sampai 1.5 m/min. Setelah proses casting, tapedikeringkan. Tape yang kering dipindahkan darisupportdan sangat mudah di handle karena karakteristik plastiknya. Dip coating digunakan untuk membran multilayer. Permeability support system yang digunakan harus lebih tinggi dari lapisan membran (sedikitnya dengan faktor 10) sehingga ketebalan masing-masing lapisan harus setipis mungkin. Dua metode untuk formasi lapisan yaitu:
1) Capillary colloidal filtration
2) Film coating
Dimana lapisan dispersi yang menempel terbentuk karena dragforce yang diusahakan oleh substrate selama keluar dari dispersion.Faktor kritis yang perlu diperhatikan pada dip coating adalah viskositas slip,kecepatan coating dan waktu. Proses pengeringan dimulai secara simultan dengan dip coating, saat substrate mulai kontak dengan atmosfir yang humiditas relatifnya dibawah 100%. Pada proses multi step yaitu setelah kalsinasi lapisan pertama dilakukan pengulangan dipping secara komplet dan diikuti lagi dengan pengeringan dan kalsinasi. Contohnya alumina coating dengan ukuran pori rata-rata 100nm dipersiapkan dari suspensi (dalam air) yang tersedia secara komersial yaitu alumina submicron dalam bentuk powder dengan diameter rata-rata yaitu 500 nm. Semakin tipis slip, makin kritis langkah pengeringan untuk pembentukan membran yang bebas defect/cacat. Pengeringan juga berefek pada formasi akhir dari
mikrostruktur membran. Umumnya, pengeringan berlangsung pada temperatur rata-rata 80-350oC, dan akan menghasilkan membran hybrid organic-inorganic. Perlakuan pengapian (kalsinasi dan sintering) akan memperkuat keramik dan membantu membran melekat kuat pada support pori. Tujuannya adalah memperbaiki mikrostruktur denganneck-formation, yang terdiri atas dua tahap yaitu:
• Sintering keramik dengan densifikasi dan pertumbuhan butiran. Dalam sintering digunakan temperatur rendah tapi harus mencapai titik leleh keramik. Kalsinasi dan sintering pada temperatur yang relatif rendah (300-400oC) dan waktu singkat tidak akan menghasilkan membran yang stabil secara termal. Profil temperatur yang dipakai untuk pengapian merupakan hal yang kritis, terlebih jika support dan material support membran berbeda. Hal ini akan berdampak pada ukuran pori dan komposisi fase akhir. Sebagai contoh, transisi fasa dari alumina ke-αalumina yang berlangsung pada temperatur di atas 1000oC. Penambahan zat lain misalnya lanthanum oxide atau titania dapat mengubah temperatur ini. Lanthanum oxide diamati dapat meningkatkan temperatur saat berlangsungnya transformasi fasa, sedangkan titania menurunkan temperatur transformasi fasa. Penurunan porositas dapat meningkatkan ukuran pori dengan pemanasan membran secara terkontrol pada rentang temperatur 400-1000oC.
2.6 Pati
2.7 Penelitian Pendukung
1. Siregar (2009) melaporkan hasil bahwa kulit kerang sebagai pengikat dapat menghasilkan beton polimer yang memiliki kuat tekan tinggi, lebih tahan asam dan lebih tahan api.
2. Hidayanti dan Damayanti (2010) melaporkan hasil bahwa teknologi membran dapat dibuat dari bahan polimer organik dan senyawa anorganik. Pembuatan membran silika nanopori dari kulit kerang dapat menjadi solusi terbaik karena mampu mengubah air laut menjadi air tawar yang kadar garamnya tinggi dan mengurangi konsentrasi zat padat terlarut (TDS).
3. Fadlilah (2011) melaporkan hasil bahwa kulit kerang terdiri dari CaCO3
dan silika (SiO2), dimana SiO2 merupakan bahan dasar membran.
