Analisis Sifat Listrik Komposit Polimer-Zeolit Terhadap Penyerapan Gas Metanol dan Etanol

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 TINJAUAN PUSTAKA

Penggunaan polimer telah banyak digunakan di berbagai hal, salah satunya adalah karakterisasi polimer sebagai bahan polymeric chemiresistors yang digunakan sebagai bahan gas sensor. Penggunaan polimer ini dapat dijadikan sebagai bahan gas sensor dengan melakukan doping beberapa senyawa aktif sehingga terbentuk komposit polimer. Perkembangan komposit polimer ini telah banyak dilakukan penelitian dengan memberikan pengisi sehingga terbentuk komposit polimer-filler.

Mineral-mineral seperti zeolit dan karbon teraktivasi sering digunakan sebagai lapisan aktif dalam sintesa dan karakteristik material sensor yang didesain untuk mendapatkan respon analisis elektrik yang memiliki karakter high sensitivity dan high selectivity. Mineral zeolite dan karbon teraktivasi ini memiliki karakter berupa penyerapan yang tinggi untuk zeolit.

Benzena, Etanol, Metanol, Etil Aseton, Kloroform, n-Hexan dan Toluena. (Gunawan et.al 2012)

Penelitian mengenai komposit polimer-senyawa aktif telah pula dilakukan oleh D. Kumar. Penggunaan polimer konduktif terkonjugasi yang didesain sehingga terbentuk layer aktif dari polimer konduktif dengan proses elektrokimia biosensor berupa transfer elektron sehingga terbentuk kondisi polimer dengan senyawa-senyawa aktif berupa anion dan kation. (D. Kumar 2006)

Kemudian, penggunaan polimer sebagai pendeteksi gas-gas kimia yang menguap juga telah menghasilkan karakteristik yang diinginkan. Hal tersebut juga tampak dari kemampuan dari komposit polimer tersebut dalam mendeteksi beberapa konsentrasi dari molekul-molekul gas terhadap permukaan komposit polimer. Penelitian adanya hubungan secara linier antara energi bebas dengan interaksi yang interaktif berupa penyerapan molekul gas yang diuapkan melalui interaksi disperse, induksi dipol dan interaksi yang terjadi antara dua kutub (muatan), dan interaksi antara ikatan hidrogen. (J. W. Grate 2001)

Penggunaan polimer konduktif seperti polypyrrole, polyaniline, polythiophene dan turunan polimernya juga digunakan sebagai layer aktif dalam sintesis material sensor sebagai material gas sensor dengan proses sintesis secara kimia maupun elektrokimia yang didoping melalui reaksi redoks atau protonasi. Material ini cenderung akan memiliki senyawa -senyawa aktif. Material ini juga memiliki daya sensing yang relatif tinggi dalam waktu yang rendah. (Huai Bai dan Gaoquan Shi 2007)

Zeolit yang juga merupakan mineral yang dapat diaktivasi juga telah digunakan sebagai bahan doping untuk komposit polimer makro/ quasi mikroelektroda. Proses ini melalui epoksi graphite dan dimodifikasi melalui komposit zeolite-epoksi grafit sebagai quasi-mikroelektroda. Karakteristik yang didapat berupa tingginya sensitivitas dan selektvitas dari material ini sehingga dapat digunakan sebagai sensor polimer komposit. (Elida et al 2013)

Senyawa nitroaromatik juga dapat dideteksi melalui penelitian pembuatan sensor polimer yang berfungsi sebagai sensor ledakan dari senyawa-senyawa nitroaromatik. Senyawa nitromaromatik yang dideteksi adalah trinitrotoluena melalui sensor polimer yang didoping dengan partikel karbon yang dilapisi dengan berbagai macam polimer organik. Proses pendeteksi ini terlihat dari interaksi antara polimer sensor ini dengan senyawa trinitrotoluena yang diadsorpsi oleh lapisan polimer-karbon aktif. (Sarah J. Toal dan William C. Trogler 2006)

2.2 POLIMER

2.2.1 Polimer Konduktif

Polimer merupakan senyawa kimia yang memiliki rantai berulang dari atom yang panjang, secara struktural senyawa kimia polimer ini terbentuk dari pengikat yang berupa molekul yang sama atau identik. Molekul yang sama ini disebut dengan monomer. Sekalipun biasanya merupakan senyawa organik (yaitu senyawa yang memiliki rantai karbon), ada juga jenis polimer yang inorganik. Secara umum polimer didefenisikan sebagai substansi yang memiliki lebih dari molekul-molekul tersebut. Salah satu contoh yang paling umum dari jenis polimer ini adalah plastik.

Polimer bukan saja berfungsi sebagai salah satu material yang diinginkan sifat kekuatan mekanis-nya. Polimer juga sering digunakan sebagai matrix dalam proses pembuatan komposit. Matrix berarti polimer dapat berfungsi juga sebagai pengikat. Artinya dalam penggunaannya polimer memiliki fungsi tertentu juga. Sebenarnya polimer terdiri dari banyak kelas material yang memiliki fungsi seperti bukan saja pengikat melainkan juga memiliki sifat kekuatan yang baik juga.

Dalam penelitian ini jenis polimer yang digunakan adalah polimer polietilen glikol PEG 6000. Secara mendasar polietilen sering disingkat PE adalah senyawa material termoplastik yang digunakan secara luas oleh banyak orang. Secara kimiawi PEG merupakan jenis polimer sintetik yang larut dalam air dan memiliki kesamaan struktur kimia. Beberapa sifat utama dari PEG adalah stabil, tersebar merata, mudah menguap dan dapat mengikat pigmen. Oleh karena itu, PEG sering digunakan dalam industri pangan, kosmetik dan farmasi (obat-obatan).

vinylene)s, poly(phenylene ethynelen)s, dan poly(thiophene)s, dan poly (ethleyene glycol)s.

Poli Etilen merupakan salah satu jenis polimer yang mudah didapat dan harganya terjangkau. Penggunaan polyethylene di Indonesia hanya digunakan sebagai bahan pembuatan kosmetik dan obat-obatan di bidang farmasi. Namun, penggunaannya secara ilmu kimia dan fisika masih jarang untuk digunakan. Oleh karena itu, penulis melakukan penelitian menggunakan poly ethylene glycol yang merupakan salah satu jenis polimer konduktif dan didoping dengan zeolit teraktivasi sehingga dihasilkan komposit polimer konduktif dengan tujuan untuk mendeteksi gas-gas yang mampu diserap oleh zeolit sebagai layer aktif dan adsorbent.

Telah diketahui bahwa senyawa polietilen glikol merupakan senyawa polimer terkonjugasi. Dalam situsnya, Wikipedia.org menuliskan mengenai polimer terkonjugasi, yaitu polimer semikonduktif dan konduktif adalah polimer terkonjugasi yang menunjukkan perubahan ikatan tunggal dan ganda antara atom-atom karbon pada rantai utama polimer. Ikatan ganda diperoleh dari karbon yang memiliki empat elektron valensi, namun pada molekul terkonjugasi hanya memiliki tiga (terkadang dua) atom lain.

Polyethylene glycol juga sering digunakan di dalam aplikasi farmasi dan biomedis. Senada dengan hal tersebut, Anushree Datta dalam thesisnya mengemukakan bahwa polietilen glikol memiliki gugus monomer hydrophilic yang memiliki kelebihan yang berbeda dalam fabrikasi dan aplikasi dari hidrogel. Material ini saat ini sering digunakan untuk penggunaan obat-obatan, enkapsulasi dan sebagai promoters dari adesi polyethylene glycol. Sifat unik dari PEG banyak digunakan dalam beberapa hal. PEG tidak beracun, sehingga sangat efektif dalam proses pemanfaatannya dalam pembuatan komposit polimer-zeolit. Tidak memiliki efek samping, dengan demikian PEG telah dimanfaatkan dalam berbagai variasi termasuk pada bidang medis, termasuk obat-obatan.

Pelapisan polimer dalam penggunannya banyak digunakan dalam

polimer yang digunakan untuk itu, lebih dari 95 persen dari strip. Polimer

oleh karena itu, penting dan harus dipilih dengan hati-hati. Usmani dan

rekan kerjanya telah menghubungkan kimia Polimer untuk biokimia, dan

yang telah menyebabkan pemahaman lebih baik dan peningkatan

pengeringan kimia. Pertimbangan-pertimbangan umum sering menjadi

permasalahan dalam proses pengeringan.

Pengikat polimer diperlukan untuk memasukkan komponen kimia

dalam bentuk lapisan atau impregnasi. Matriks reagen harus hati-hati dipilih

untuk mengurangi atau menghilangkan bebas-keseragaman dalam

konsentrasi reagen karena tidak tepat pencampuran, menetap, atau ketebalan

lapisan yang tidak seragam. Oleh karena itu, larutan berbasis emulsi polimer

dan polimer yang mudah larut dalam air secara ekstensif sedang digunakan.

Polimer harus hati-hati disaring dan dipilih untuk menghindari

gangguan dengan kimia. Sifat polimer, seperti, komposisi, kelarutan,

viskositas, konten yang solid, surfaktan, sisa inisiator, film pembentuk suhu

dan ukuran partikel harus dipertimbangkan dengan cermat. Secara umum,

polimer harus baik, ketebalan dan adhesi yang baik untuk mendukung

substrat. Selain itu, seharusnya tidak atau banyak cara untuk menangani

tujuan tersebut, selama pembuatan strip. Matrix yang dilapisi atau

impregnasi harus memiliki ukuran porositas yang diinginkan yang

memungkinkan sehingga analisis penetrasi yang diukur serta memiliki gloss

yang diinginkan, pembengkakan karakteristik, dan permukaan energetika.

Pembengkakan binder polimer atau dalam istilahnya disebut dengan “Swelling Effect” dikarenakan penyerapan sampel cair mungkin terjadi karena dalam proses pembuatannya terkontaminasi dan tidak

menguntungkan terhadap sistem. Emulsi polimer memiliki keuntungan yang

berbeda atas polimer yang mudah larut, karena berat molekul tinggi, sifat

mekanik yang unggul, dan potensi untuk penyerapan enzim. Polimerik

2.2.2 Polimer untuk gas sensor

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, penggunaan poly ethylene sebagai salah satu jenis polimer konduktif dapat digunakan sebagai bahan pembuat sensor. Namun, dalam penelitian ini, material polimer didoping dengan menggunakan zeolit yang teraktivasi. Penggunaan zeolit sebagai layer aktif dalam salah satu dasar pembuatan sensor merupakan hal yang sering dilakukan. Namun, di Indonesia hanya digunakan sebagai salah satu bahan kosmetik dan obat-obatan. Disamping itu, pemanfaatan zeolit hanya sebatas sebagai penyerapan secara kimia.

PEG merupakan salah satu jenis polimer yang memiliki sifat toksik yang kecil sehingga dapat digunakan dalam beberapa hal industri farmasi. Polimer jenis ini juga sering digunakan sebagai pelumas dalam pelapisan permukaan dalam suasana larutan dan lingkungan non-larutan. Sehingga PEG disebut dengan polimer yang fleksibel, polimer yang mudah larut terhadap air dan kemudian dapat digunakan sebagai surfaktan juga. Struktur PEG ditunjukkan pada gambar 2.1 di bawah

Gambar 2.1 Struktur PEG

dan polimer yang memiliki sifat konduktif dan mampu dijadikan sebagai pengikat. (Johannes Karl Fink 2012)

2.3 MATERIAL KOMPOSIT

Material komposit adalah bahan yang diperoleh melalui kombinasi bahan yang berbeda untuk mencapai sifat yang masing-masing bahan tidak ada. Material komposit dibuat bertujuan untuk menciptakan bahan komposit yang memiliki sifat-sifat yang berasal dari bahan pembuatnya. Bahan komposit dibuat melalui cara yang berbeda, ada yang mengalami reaksi secara alami, perubahan fasa atau melalui fenomena lainnya. Contohnya adalah serat karbon yang diperkuat oleh polimer. Pembuatan material komposit dapat disesuaikan dengan mencari bahan-bahan yang diinginkan sifatnya dan diperkuat dengan sifat bahan yang diinginkan. Oleh karena sifatnya yang memiliki karakteristik tertentu, komposit merupakan material rekayasa yang paling komersial.

Material komposit sering dibuat dengan menggabungkan dua jenis bahan yaitu, pengisi atau filler dan pengikat atau polymer matrix. Filler pada umumnya sering digunakan serat yang bertujuan untuk mendapatkan sifat -sifat tertentu, sedangkan polimer bertujuan bukan hanya sebagai pengikat melainkan sifat yang diinginkan juga digunakan.

Kebanyakan pembuatan bahan komposit hanya bertujuan untuk mendapatkan berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih tinggi, tahan terhadap korosi dan memiliki biaya pembuatan yang murah. Secara umum, komposit dibuat untuk mendapatkan material yang memiliki karakteristik dari kekuatan mekanis yang tinggi dengan biaya yang murah. Padahal, kemampuan material komposit bukan hanya pada bidang kekuatan mekanis, melainkan bisa juga digunakan dalam material listrik. Hal ini yang menjadi daya jual dalam perkembangan material komposit sebagai salah satu material pengganti logam yang sifatnya konduktif.

konduktif membentuk material elektrik yang banyak kita kenal sekarang ini. Konsep ini sering kita jumpai dalam material seperti sensor. Perkembangan ini dapat kita lihat pada begitu banyaknya jenis sensor yang telah dibuat seperti cadmium-sulfida yang dijadikan sebagai bahan sensor cahaya; carbon nano tube yang sering dijadikan sebagai bahan pengganti konduktor; serat karbon yang juga memiliki sifat mekanik dan elektrikal yang baik.

Sifat komposit pada penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan sensor yang merupakan jenis material semikonduktor. Disinggung dari segi materialnya, sensor yang yang dibuat berdasarkan komposit yang berasal dari kombinasi polimer dan zeolit. Polimer yang digunakan merupakan polimer etilen glikol dengan sebutan PEG sebagai matrix dan zeolit aktif sebagai pengisi atau filler. Filler yang digunakan berupa serat partikel dengan ukuran 100 mesh. Maka, komposit yang akan dibuat akan menghasilkan sifat semikonduktor yang seperti diinginkan.

2.3.1 Komposit dengan Matrix Polimer

Komposit merupakan kombinasi dari beberapa material yang berbeda secara komposisi, dimana masing-masing material yang dikombinasikan memiliki perbedaan satu sama lain. Perbedaan ini ketika dikombinasikan justru membentuk sifat yang diinginkan, sebut saja seperti sifat listrik, sifat mekanik dan beberapa sifat lainnya dari bagian komposit. Material komposit dibuat terdiri dari dua atau lebih material yang berbeda fasa. Material tersebut berupa material pengisi dan pengikat atau matrix. Matrix pada komposit merupakan bagian terpenting dalam pembentukan komposit yang diinginkan. Biasanya matrix yang digunakan untuk komposit adalah material yang tidak terlalu keras, seperti polimer.

polimer yang telah dijadikan matrix dalam pembuatan komposit seperti polyester, vinil ester, epoksi, polietilen glikol, polipropilen dan lain sebagainya. Sedangkan, pada komposit, material yang ditambah atau disebut filler sering disebut dengan serat atau fibre. Namun, tidak hanya serat yang digunakan seperti serat tumbuhan tetapi batu-batuan alam berupa mineral juga sering digunakan.

Komposit yang terdiri dari matrix polimer dan mineral alam sangat populer saat ini. Pengembangan komposit tipe ini sedang dikembangkan, sebut saja seperti serat karbon yang memiliki aplikasi yang banyak. Hal tersebut dikarenakan, dalam pembuatan komposit tidak terlalu mahal biayanya dan metode pembuatannya sangat mudah. Disamping itu, produk komposit yang dihasilkan memiliki keuntungan. Keuntungan tersebut ditinjau dari karakteristik yang bagus, antara lain:

1. Kekuatan khusus tinggi

2. Kekakuan khusus tinggi

3. Ketahanan fraktur tinggi

4. Ketahanan abrasi baik

5. Ketahanan impak baik

6. Ketahanan korosi yang baik

7. Ketahanan fatigue yang baik

8. Biaya yang murah

1. Sifat zeolit sebagai penyerap

2. Sifat polyethylene glycol sebagai pengikat

3. Sifat kombinasi berupa penyerapan yang dapat dibaca secara digital

Keuntungan dari matrix polimer komposit ini dihasilkan karena polyethylene glycol merupakan jenis polimer terkonjugasi yang memiliki kekuatan yang tinggi dalam ikatan intramolekuler. Sehingga, keuntungan lainnya berupa bisa diaplikasikan sebagai material yang mampu menahan suhu dan tekanan tertentu. Sehingga dapat digunakan sebagai komposit polimer konduktif.

2.3.2 Karakteristik resistivitas listrik komposit

Arus listrik ( I dengan satuan ampere, A) didefenisikan sebagai banyaknya jumlah arus (dalam coulomb, C) yang mengalir melalui luas penampang per satuan waktu. Maksudnya arus adalah jumlah muatan bukan besar muatan. Dengan demikian, arah arus adalah sama dengan aliran muatan positif dan berlawanan dengan arah aliran muatan negatif. Maka, dengan jumlah arus yang melewati luas permukaan disebut dengan rapat arus yang disimbolkan dengan J yaitu jumlah arus per luas penampang per satuan unit waktu. Satuan dari rapat arus adalah Ampere/ .

Adanya arus yang lewat dalam suatu material menunjukkan adanya muatan yang bergerak sehingga terjadi beda potensial atau tegangan. Muatan yang bergerak ini disebut dengan muatan pembawa atau disebut dengan carriers of electricity. Konsentrasi muatan pembawa didefenisikan sebagai jumlah dari muatan pembawa per satuan volume (dengan satuan

− _).

penting dalam proses terjadinya arus listrik yang lewat. Sehingga dalam konteks semikonduktor, lubang-lubang yang kekurangan elektron akan diisi oleh elektron yang lewat. Maka, secara matematis, arus listrik berupa

=

2.3.1

Dimana n merupakan jumlah dari muatan yang dibawa, muatan elektron bernilai = , × − 9 _{. Dengan menurunkan persamaan 2.3.1 terhadap}

kecepatan elektron dalam satu detik per luas penampang, akan didapat rapat arus berupa

=

_�

=

2.3.2

Dengan melakukan perbandingan dari persamaan muatan listrik berupa = � , maka persamaan 2.3.2 dapat diturunkan sebagai

�

=

�

2.3.3

Dimana, nilai rapat arus per satuan medan listrik dikenal dengan sebutan konduktivitas listrik yang disimbolkan dengan �. Sehingga dapat didefenisikan

� =

2.3.4

Dari persamaan diatas maka, nilai � = /� dimana � = merupakan resistivitas atau hambatan jenis dari suatu material. Dan satuan dari konduktivitas listrik adalah � = Ω⁄

Dalam penelitian ini, karakteristik komposit sebagai salah satu bentuk bahan semikonduktor dapat dilakukan. Melalui persamaan 2.3.3 dapat dicari hambatan jenis dari bahan polimer semikonduktor. Karakteristik hambatan jenis ini menjadi salah satu acuan dalam menentukan apakah material komposit ini layak untuk dijadikan bahan sensor. Melalui persamaan 2.3.4 didapat hubungan antara � = / dengan satuan _Ω atau

Maka, persamaan yang didapat berupa

= �

_� 2.3.5

� =

_��

2.3.6

Dengan mengetahui bahwa nilai � =_� = /�, maka persamaan diatas dapat disubstitusi, menjadi

� =

_�

=

_�

=

� ��

=

�� 2.3.7

Dengan menganggap nilai � = / dan pada persamaan sebelumnya telah diketahui bahwa nilai dari / = / yang berarti rapat arus persatuan luas. Maka, dengan mengambil parameter ini dapat dihitung konduktivitas listrik melalui persamaan

�

=

��

→ =

�� 2.3.8

2.4 MINERAL ZEOLIT

Istilah zeolite merujuk pada jaringan polimer anorganik tiga dimensi dari keluarga Kristal alumina silikat. Material ini terbentuk dari tetrahedral , yang saling berhubungan melalui penggunaan bersama atom oksigen. Stoikiometri zeolite dinyatakan dengan rumus umum,

� +_[

�]−. � (1)

Dalam hal ini x menyatakan rasio atomic Si:Al. Kisi ekstra kation

+ _seperti +_, +_, +_, + _{dan [ ]}+ _{diperlukan sebagai}

kompensasi muatan. Zeolit ditemukan secara alami, tetapi dapat pula disintesis secara hidrotermal dari campuran kuat sodium silikat, aluminium hidroksida, dan bahan organik. Rangka zeolite terbentuk melalui penggunaan bersama sudut − _dan − _{tetrahedral ditunjukkan pada}

Gambar 2.2 Struktur zeolit

Gambar 2.2 memperlihatkan struktur faujasite sebagai representasi dari zeolite-X dengan rasio Si:Al = 1, dan zeolite-Y dengan rasio Si:Al= 2.5. Pada gambar tersebut atom-atom Si dan Al terletak pada sudut-sudut puncak (vertices) dan atom-atom O menempati garis segmen yang menghubungkan puncak-puncak struktur.

Sintesis zeolite bergantung pada penggunaan material dasar yang sangat reaktif, pH, dan derajat saturasi yang tinggi. Material dasar yang demikian akan menghasilkan inti (nuclei) dalam jumlah yang banyak pada temperature yang relative rendah. Pada umumnya proses formasi zeolite dilakukan dengan teknik sol-gel. Salah satu prosedur formasi zeolite yang dapat dijelaskan sebagai berikut. Bahan yang mengandung Al dilarutkan di dalam larutan alkali tinggi sodium silikat dan membentuk gel alumina silikat gel. Kristalisasi umumnya dilakukan pada suhu antara 100-180 derajat celcius selama beberapa jam hingga beberapa hari. Selama proses tersebut fase amorf mengalami disolusi dan rekonstruksi secara terus -menerus hingga fase Kristal mulai tumbuh.

Kandungan silika di dalam zeolite merupakan parameter penting yang menentukan tingkat keasaman, rapat massa, dan daya tahan termal zeolite. Dewasa ini lempung alumina silikat banyak dipakai untuk memproduksi zeolite dengan kandungan silica yang tinggi. Sebagai contoh, sintesi zeolite A diperoleh dari prosedur hidrotermal kaolin (atau

Alu i iu

Silikat

metakaolin) di dalam larutan alkali yang kuat dan direaksikan pada suhu 100 derajat celcius. Reaksi pembentukan zeolite ini diperlihatkan menurut persamaan berikut:

. . + → . . + (2)

Seperti yang akan dijelaskan kemudian, berbeda dengan geopolimer, sains zeolite telah berkembang sejak 40 tahun yang lalu, dan manufaktur dalam skala besar untuk menghasilkan resin pertukaran ion, saringan molekul, sorben, dan katalis dapat ditemukan di banyak tempat. Namun demikian, penggunaan atau aplikasi zeolite masih terbatas disebabkan oleh sifat mekaniknya yang buruk serta sangat sensitif terhadap tingkat keasaman lingkungan.

Penggunaan zeolit sebagai salah satu superadsorben menjadi satu alasan bagi para akademisi untuk memanfaatkannya sebagai salah satu bahan detektor atau sensor. Zeolit sering digunakan dalam penjernihan air dan gas, hal tersebut dilakukan zeolit sebagai adsorbent. Peranan zeolit dalam proses penjernihan ini dapat dilakukan karena zeolit memiliki karakteristik yang unik pada strukturnya. Zeolit merupakan batuan alam yang mengandung mineral alumunium silikat yang memiliki pori-pori.

a. Penyerapan dengan menggunakan pori-pori zeolit

b. Pertukaran ion dengan menggunakan interaksi antar ion

Aktivasi zeolit secara kimia dengan tujuan untuk membersihkan permukaan pori, membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dapat dipertukarkan. Proses aktivasi zeolit dengan perlakuan asam seperti HCl dan H2SO4 pada konsentrasi 0,1 N hingga 1 N menyebabkan zeolit mengalami dealuminasi dan dekationisasi yaitu keluarnya Al dan kation -kation dalam kerangka zeolit.

Ion exchange pada zeolit berkaitan pada absorbsi kimia yang memiliki interaksi kimia dengan permukaan katalis dengan partikel reaktan. Zeolit memiliki 2 sisi aktif yang bisa melakukan adsorbsi sekaligus perturakan ion. Sisi aktif tersebut adalah sisi aktif Bronsted dan sisi aktif Lewis. Dimana pada zeolit mekanisme Bronsted dan Lewis terjadi karena adanya donor proton dan aceptor proton. Secara reaksi kimia seperti dibawah ini

+ ⇌ � + � (3)

+ ⇌ −₊ + ₍₄₎

Interaksi kimia ini akan membentuk sebuah interaksi antara kation dan anion yang akhirnya akan menunjukkan pertukaran ion (ion exchange). Umumnya, zeolit alam mengandung ion-ion logam golongan IA dan IIA seperti litium, natrium dan kalsium. Sehingga secara sistem periodik unsur keelektropositipan dari reaktan bisa bertukar kation dengan kation-kation yang terikat pada zeolit sehingga disebut sebagai pertukaran ion.

kemampuan penyerapan zeolit akan memungkinkan zeolit dalam menyerap jenis gas yang diuji.

Tingginya kandungan Al dalam kerangka zeolit menyebabkan kerangka zeolit sangat hidrofilik. Sifat hidrofilik dan polar dari zeolit ini merupakan hambatan dalam kemampuan penyerapannya. Proses aktivasi dengan asam dapat meningkatkan kristalinitas, keasaman dan luas permukaan. Setiap oksigen dalam ikatan ini cenderung akan mengikat +

membentuk −_{atau gugus silanol yang bersifat polar. Ion hidrogen pada}

gugus hidroksil ini siap dipertukarkan dengan kation lain. Pada keadaan netral atau agak asam, dapat terjadi hidrolisis akan menyebabkan kenaikan pada pH dengan reaksi :

− _{+ → +} − ₍₅₎

Keadaan yang demikian akan menyebabkan kapasitas pertukarannya meningkat. Maka, dengan keadaan zeolit yang memiliki pori-pori dan ion -ion negatif dalam strukturnya membuat penulis memiliki hipotesa bahwa, zeolit mampu digunakan sebagai bahan pendeteksi gas-gas yang bersifat berbahaya.

Dalam penggunaannya, zeolit yang merupakan mineral alam dengan struktur framework tiga dimensi dan menunjukkan sifat penukar ion dan penyerapan sehingga menunjukkan potensi dalam pengolahan limbah gas. Dengan mengambil sifat penyerapannya, zeolit dapat digunakan untuk mengolah sekaligus mendeteksi logam dan beberapa jenis gas. Proses penyerapan zeolit ini yang menunjukkan adanya sebuah sistem saringan berlapis-lapis dalam struktur zeolit ini. Dalam situs resminya, BATAN (http://batan.go.id) merilis penggunaan zeolit dalam bidang proses industri sebagai berikut.

atm dan . Zeolit klinoptiolit yang diaktivasi pada suhu −

selama 2-3 jam. Sebagai “drying agent” dari senyawa organic, zeolit juga dapat digunakan antara lain:

 Pada proses pemurnian metil khlorida dalam industri karet

 Pemurnian fraksi alkohol, metanol, benzena, xylen, LPG dan LNG pada industri petro-kimia

 Untuk hidrokarbon propellents-fillers aerosol untuk pengganti freons

 Penyerap klorin, bromin, dan fluorin

 Untuk menurunkan humiditas ruangan

Disamping itu, penggunaan zeolit dalam proses penyerapan beberapa jenis gas antara lain:

 Gas mulia antara lain Ar, Kr, dan gas Helium

 Gas rumah kaca seperti , , , , �

 Gas organic seperti , , , , termasuk pirogas dan

fraksi etana/ etilen

 Pemurnian udara bersih yang mengandung Oksigen

 Campuran filter pada rokok

 Penyerapan gas dan penghilangan warna dari cairan gula pada pabrik gula

2.4.1 Adsorpsi Zeolit

Dalam proses pendeteksian, mineral zeolit mengambil proses berupa pori -pori zeolit yang mampu bersifat adsorpsi. Adsorpsi adalah proses dimana molekul-molekul fluida menyentuh dan melekat pada permukaan padatan (Nasruddin, 2005). Adsorpsi adalah fenomena fisik yang terjadi saat molekul-molekul gas atau cair dikontakkan dengan suatu permukaan padatan dan sebagian dari molekul-molekul tadi mengembun pada permukaan padatan tersebut (Suryawan, Bambang 2004). Walaupun adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan kesuatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas kesuatu permukaan cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefenisikan sebagai adsorbat dan material dimana adsorbat terakumulasi didefenisikan sebagai adsorben (Hines, A.L dan Robert N. Maddox, 1985).

Zeolit merupakan salah satu material yang memiliki kemampuan mekanisme adsorpsi. Proses adsorpsi pada zeolit melalui pori-pori tersebut mengalami mekanisme bersentuhan sehingga terjadi suatu keadaan yang disebut dengan adsorp dan desorp. Mineral zeolit mampu untuk dikembalikan kepada keadaan awal. Yaitu dengan cara memberikan temperatur yang tinggi sehingga partikel-partikel dalam pori-pori dapat dibersihkan dan menjadi zeolit aktif kembali.

Gambar 2.3 Proses Adsorpsi Zeolit

Padatan berpori yang menghisap (adsorption) dan melepaskan

(desorption) suatu fluida disebut adsorbent. Molekul fluida yang dihisap

tetapi tidak terakumulasi/ melekat kepermukaan adsorben disebut adsorptive, sedangkan yang terakumulasi/ melekat disebut adsorbat.

Padatan berpori dalam hal ini adalah mineral alumunium silikat yang disebut dengan zeolit. Fenomena penyerapan oleh zeolit terutama disebabkan karena adanya gaya Van der Waals dan gaya hidrostatik sehingga atom yang diserap berada di permukaan sehingga tidak terjadi yang dinamakan dengan ikatan kimia. Proses penyerapan tanpa menghasilkan reaksi atau ikatan kimia ini disebut dengan adsorpsi fisika. Pada penelitian ini, adsorpsi fisika berupa partikel-partikel gas memasuki pori-pori zeolit tanpa menghasilkan reaksi atau ikatan kimia. Pada dasarnya zeolit merupakan adsorben yang mengadsorpsi secara fisik. Oleh karena itu, ada beberapa hal yang mempengaruhi adsorpsi secara perpindahan kalor dan perpindahan massa.

2.4.2 Faktor yang mempengaruhi adsorpsi

Pori-pori yang digunakan dalam proses penyerapan memiliki peranan penting, hal tersebut tampak pada gambar 2.3 yaitu dengan adanya

Desorp/ melepaskan

Adsorbate

Adsorp/ menghisap Adsorptiv

hubungan penyerapan dan pori-pori. Pori-pori pada zeolit seperti yang telah diterangkan sebelumnya berkisar antar Å − Å memiliki pengaruh dalam proses penyerapan. Secara fisikal, proses penyerapan ini tentunya dipengaruhi oleh adanya luasan dari pori-pori tersebut. Interaksi seperti gaya van der waals yang terjadi. Oleh karena itu, daya adsorpsi dipengaruhi oleh tiga faktor seperti yang diterangkan oleh Ferdinan Delesev Ginting (Bah et al, 1997 dan Suryawan, Bambang 2004) yaitu:

1. Tekanan (P), tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat. Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikkan jumlah yang diadsorpsi.

2. Temperatur Absolut (T), temperatur yang dimaksud adalah temperature adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi pembebasan sejumlah energi yang dinamakan dengan peristiwa eksotermis. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah adsorbat yang teradsoprsi demikian juga untuk peristiwa sebaliknya.

3. Interaksi Potensial (E), interaksi potensial antara adsorbat dengan dinding adsorben sangat bervariasi, tergantung dari sifat adsorbat-adsorben.

1. Luas permukaan adsorben. Semakin besar luas permukaan maka semakin besar pula daya adsorpsinya karena proses adsorpsi terjadi pada permukaan adsorben. Yaitu, pada pori -pori permukaan adsorben.

2. Tidak ada perubahan volume yang berarti selama proses adsopsi dan deadsorpsi

3. Kemurnian adsorben. Adsorben yang memiliki tingkat kemurnian tinggi, daya adsorpsinya lebih baik.

4. Jenis/ gugus fungsi atom yang ada pada permukaan adsorben. Sifat-sifat atom di permukaan berkaitan dengan interaksi molekul antara adsorbat dan adsorben yang lebih besar pada adsorbat tertentu1

2.5 MATERIAL KOMPOSIT POLIMER ZEOLIT

Material komposit zeolit merupakan material yang dibuat dalam penelitian ini dengan tujuan mendapatkan dua sifat dari polimer terkonjugasi dan sifat penyerapan dari zeolit. Pembuatan material komposit polimer zeolit dilakukan dengan melarutkan matrix PEG 6000 menggunakan aquadest kemudian dicampur dengan zeolit yang telah disediakan. Matrix PEG 6000 ini selain berfungsi sebagai pengikat juga berfungsi sebagai polimer terkonjugasi.

Material komposit polimer-zeolit dapat didefenisikan sebagai material yang terbentuk dari kombinasi dua atau lebih material yang dalam proses pembentukannya melalui pencampuran yang tidak homogen. Artinya, sifat dari masing-masing material yang dikombinasi memiliki sifat yang berbeda. Dalam penelitian ini, zeolit yang merupakan mineral aluminum silikat yang karakteristiknya seperti batu-batuan alam diambil sifat penyerapan dari zeolit. Disamping, itu zeolit yang digunakan sebagai bahan pengisi pada komposit polimer-zeolit ini, juga merupakan senyawa yang

mampu diaktivasi kembali. Sedangkan pada PEG 6000 digunakan sebagai matrix yang juga memiliki karakteristik sebagai polimer terkonjugasi.

2.6 SENSOR

Dalam penggunaannya, sensor seringkali dijadikan sebagai device utama dalam mendesain sebuah sistem. Sinyal analog yang dikonversikan ke dalam sinyal digital merupakan syarat awal dalam fabrikasi sensor. Sehingga, dalam proses fabrikasinya kemampuan dalam sifat analog digital converter. Oleh karena itu, dalam fabrikasi sensor ada tujuh karakteristik yang diperlukan untuk memenuhi syarat suatu material dikatakan sensor.

2.6.1 Sensor dan karakteristik

Sensor merupakan device yang digunakan untuk mentransformasi sifat-sifat fisika menjadi sinyal elektrik. Atau dapat dikatakan sensor mampu meng -konversi sinyal-sinyal analog ke dalam sinyal digital. Sinyal analog yang didapat dari sensor berasal dari pergerakan elektron ketika sensor tersebut diberikan suatu ekspos.

Tom Kenny menuliskan syarat-syarat tertentu dalam meng-karakteristik suatu material dikatakan sensor yaitu:

 Fungsi transfer menunjukkan hubungan fungsional antara sinyal input fisik dan sinyal keluaran listrik. Biasanya hubungan ini digambarkan sebagai grafik yang menunjukkan hubungan antara input dan output sinyal yang diberikan pada sensor yang kemudian rincian dari hubungan fungsi transfer tersebut mungkin merupakan deskripsi lengkap tentang karakteristik sensor.

fungsi transfer sehubungan dengan sinyal fisik seperti tegangan dan hambatan.

 Span atau Dynamic Range. Merupakan interval sinyal input yang dapat

dikonversikan ke sinyal listrik oleh sensor disebut dengan Dynamic Range. Sinyal di luar kisaran ini menyebabkan ketidaktelitian tidak dapat diterima besarnya. Rentang atau jangkauan yang dinamis biasanya ditentukan oleh pemasok sensor sebagai rentang di mana karakteristik kinerja lainnya.

 Akurasi atau Ketidakpastian. Ketidakpastian secara umum didefinisikan sebagai kesalahan terbesar yang diharapkan antara sinyal output aktual dan ideal.

 Histeresis. Beberapa sensor tidak kembali ke nilai output yang sama ketika stimulus input ke atas atau bawah. Lebar dari kesalahan yang diharapkan dari segi kuantitas yang diukur didefinisikan sebagai histeresis.

 Nonlinieritas. Merupakan deviasi maksimum dari fungsi transfer linier selama rentang dinamis yang ditentukan. Ada beberapa ukuran untuk kesalahan ini. Yang paling umum adalah membandingkan fungsi transfer aktual dengan garis lurus terbaik, yang terletak di antara dua garis sejajar yang mencakup fungsi transfer keseluruhan selama rentang dinamis tertentu perangkat.

 Noise. Semua sensor menghasilkan beberapa output suara di samping sinyal keluaran. Dalam beberapa kasus, noise dari sensor berasal dari noise-noise yang ada pada komponen elektronik, atau kurang dari fluktuasi sinyal fisik, dalam hal ini tidak penting.

Pada saat sekarang ini, sensor difabrikasi dengan menggunakan teknologi nano yang dapat menghasilkan kualitas sensor yang baik. Namun, proses fabrikasi tersebut memakan banyak biaya sehingga para peneliti dituntut untuk menghasilkan sensor yang memiliki kualitas yang baik. Fabrikasi sensor sampai saat ini telah berkembang dengan pesat. Berikut beberapa metode yang sering digunakan dalam proses fabrikasi sensor.

 Electro chemical deposition.

 Dip-Coating.

 Spin-Coating.

 Langmuir-Blodgett.

 Layer by Layer self-assembly

 Thermal evaporation.

 Vapor Deposition Polymerization.

 Drop-Coating.

 Chemical Vapour Deposition.

Dengan begitu banyaknya metode fabrikasi sensor, maka telah begitu banyak pengembangan dalam pembuatannya. Pada umumnya, metode yang paling sering dan mudah digunakan adalah metode Drop Coating. Metode ini merupakan salah satu metode yang mudah dan efektif sehingga dapat dilakukan. Untuk itu, penulis pada tulisan ini mengutamakan metode pembuatan sensor menggunakan metode drop coating.

Kemampuan zeolit dalam menyerap beberapa jenis gas membuat mineral aluminium silikat dapat dijadikan sebagai layar aktif dalam metode pembuatan sensor. Zeolit ini nantinya akan dilapisi secara drop coating ke substrate tembaga yang ada pada papan PCB (Printed Circuit Board).

ringan. Oleh karena itu, sulit untuk dideteksi oleh reaksi kimia sehingga dilakukan pendeteksian dengan polimer. Dengan bentuk struktur yang berulang, maka zeolite yang juga polimer mampu berinteraksi dengan senyawa-senyawa tersebut. Namun, senyawa tersebut mungkin memiliki interaksi fisik lemah dengan polimer sehingga terjadi proses penyerapan. Hal tersebut mengakibatkan pembengkakan/ efek swelling pada matriks polimer. Interaksi ini tidak mengubah tingkat oksidasi pada polimer, tetapi juga dapat mempengaruhi sifat-sifat bahan penginderaan dan membuat gas terdeteksi. Pelapisan komposit ditunjukkan pada gambar 2.4 berikut:

Gambar 2.4 Pelapisan Komposit Polimer-Zeolit

Sesuai dengan gambar di atas, maka proses deteksi gas-gas tertentu akan dapat dilakukan dengan adanya muatan listrik yang dialirkan. Bartlett’s group menyajikan model dasar untuk sensor gas polimer yang terdiri dari film tipis polimer yang uniform dilapisi di atas sepasang elektroda Coplanar serta didukung oleh substrat isolasi. Oleh karena itu, kemampuan zeolit sebagai adsorbent akan dipengaruhi oleh gas-gas yang diserap sehingga tegangan pada mula-mula akan berubah seiring dengan jumlah dan jenis gas yang diserap.

Atas dasar itu maka penulis melakukan penelitian ini dalam rangka memanfaatkan zeolit yang merupakan batu-batuan alam yang banyak dijumpai di Indonesia untuk dijadikan sebagai sensing materials.

2.6.2 Preparasi layar aktif dan komposit polimer

alumunium silikat dapat digunakan dengan sebagai layer aktif. Hal tersebut dibuktikan dengan kemampuan zeolit yang mampu menyerap gas dan sifat -sifat listrik dipengaruhi oleh gas yang dilewati. Sifat tersebut berupa kemampuan menyerap gas, kemampuan inilah yang dijadikan peneliti sebagai layer aktif yang merupakan bagian penting pada karakterisasi sensor dengan menggunakan drop coating.

2.6.3 Prinsip Sensing Zeolit

Perbandingan jumlah alumunium dan silikon dalam struktur zeolit biasanya dapat secara efektif disesuaikan, dan dengan mengubah perbandingan jumlah alumunium dan silikon pada zeolit, kapasitas pertukaran ion dan konduktivitas, interaksi antara zeolit dengan molekul teradsorpsi, dan memodifikasi sifat hidrofilik atau hidrofobik membuat struktur dan sifat zeolit berubah. Beberapa interaksi tersebut dapat memberikan asumsi bahwa zeolit berinteraksi dengan suatu senyawa sebagai adsorbent dan prinsip pertukaran ion. Artinya, dengan dua kemampuan zeolit tersebut, sifat sensing zeolite yang berasal dari adsorbent dapat digunakan sebagai layer aktif untuk sensor yang akan dibuat.

Dengan struktur kimia yang sangat baik dan stabilitas termal baik, zeolit dapat digunakan sebagai substrat untuk meng-karakteristik senyawa dan perangkat yang diinginkan berupa sifat fisik dan kimia dasar. Misalnya senyawa anorganik atau organik, logam dan logam-organik senyawa cluster mereka dapat diserap ke dalam pori-pori dan struktur dalam zeolit. Beberapa partikel berukuran nano oksida logam atau logam telah berhasil dimasukkan ke dalam struktur dan pori-pori sehingga sangat tersebar pada permukaan luar zeolit. Beberapa aplikasi dari bahan zeolit dapat dijadikan sebagai sensor gas telah dikembangkan berdasarkan karakteristik yang disebutkan di bawah ini

adsorbent. Hal ini membuat zeolit dapat dijadikan sebagai sebagai sensor oksigen, kemudian dengan memasukkan metilen biru ke dalam zeolit membuat zeolit dapat mendeteksi kelembapan ataupun dengan mengkarakteristik LiCl menjadi zeolit sebagai sensor kelembaban.

 Rekontruksi zeolit pada struktur kristal kuarsa (permukaan-akustik -gelombang, microcantilever, atau serat optik) untuk mendeteksi beberapa gas dengan penyerapan selektif.

 Perbedaan konduktivitas zeolit karena proses penyerapan beberapa gas untuk membuat sensor berdasarkan pengukuran spektroskopi impedansi.

 Menempatkan zeolit ke sensor sebagai bahan filter untuk meningkatkan selektivitas untuk beberapa molekul gas tertentu.

 Perendaman zeolit ke beberapa bahan dapat membuat komposit melakukan karakterisasi untuk membuat sensor, seperti konduktivitas polianilin yang dikomposisikan pada Zeolit memiliki sifat responsif terhadap CO, sedangkan komposit SnO2-Zeolit responsif terhadap hidrogen dan karbon monoksida.

2.7 Alkohol

Dalam ilmu fisika dan kimia, alkohol merupakan senyawa yang tergolong mudah terbakar dan mudah menguap. Hal ini tampak pada penggunaan alkohol yang sering digunakan sebagai bahan bakar dan pelarut dalam kedua ilmu tersebut. Di ilmu kimia, alkohol merupakan senyawa organic yang memiliki gugus fungsi hidroksil, yaitu −_{. Gugus tersebut berikatan}

Hal penting yang perlu diketahui dari senyawa alkohol adalah pengelompokan alkohol yang merupakan senyawa rantai lurus. Secara umum, jenis kelompok alkohol yang sering dipasarkan adalah metanol dan etanol, disamping itu penggunaan propanol juga umum dipasarkan karena dimanfaatkan pada LPG. Maka, LPG bukan saja singkatan dari Liquid Petroleum Gas melainkan Liquid Propanol Gas.

Penggunaan alkohol sering digunakan oleh manusia sebagai minuman penghangat sejak dahulu. Begitu banyak variasi dari berbagai jenis senyawa alkohol ini, sebut saja seperti metanol dan etanol. Variasi ini terlihat dari penggunaan alkohol dengan fungsi masing-masing. Sebut saja seperti untuk higienis dan medis. Alcohol memiliki sifat yang toksik, bukan saja mudah menguap dan mudah terbakar. Sehingga dalam skala tertentu, alkohol dapat menjadi senjata pemusnah massal apabila tidak dikelola secara baik. Pengelolaan yang efektif adalah bagaimana mencegah senyawa alkohol dalam tindakan preventif. Yaitu pencegahan terhadap metanol dan etanol merupakan tindakan yang efektif.

2.7.1 Metanol

Metanol merupakan senyawa alkohol yang memiliki rantai hidrokarbon yang paling kecil. Metanol, sering juga disebut dengan Alkohol Kayu atau Metil Alkohol, umumnya didapat dari gas alam dan batubara. Metanol juga dapat diproduksi melalui sumber daya alam yang dapat diperbaharui seperti dari gas tempat pembuangan sampah dan gas dari sisa pencernaan. Dalam tubuh manusia metanol diketahui terdapat dalam jumlah yang kecil. Hal tersebut dikarenakan proses pencernaan manusia yang berasal dari memakan buah-buahan dan sayuran sehari-hari.

beracun karena jika uap yang terhirup serta tertelan dapat mengakibatkan gejala yang mematikan. Kontak langsung dengan metanol harus, tertelannya metanol secara sengaja baik secara langsung dan tidak langsung dapat mengakibatkan sakit permanen terhadap sistem saraf, kebutaan dan bahkan kematian. Metanol sangatlah beracun, dapat mengakibatkan asidosis stemic, kerusakan saraf optik dan efek terhadap sistem saraf tengah. Struktur kimia metanol ditunjukkan pada gambar 2.5

Gambar 2.5 Struktur Kimia Metanol

Metanol harus disimpan dalam sistem yang tertutup atau diletakkan pada kotak yang secara langsung tidak terkena atmosfir. Kotak penyimpanan harus dibuat label sehingga dapat diketahui isi dari kotak tersebut. Anda harus memiliki prosedur penanganan produk metanol yang komprehensif dan sistem yang baik. Karena sifatnya yang beracun, metanol sering digunakan sebagai bahan additive bagi pembuatan alkhol untuk penggunaan industri.

Reaksi kimia dari metanol yang terbakar di udara dan membentuk karbon dioksida dan air adalah sebagai berikut:

+ → + (6)

2.7.2 Etanol

Umumnya, jenis alkohol yang sering dikonsumsi oleh masyarakat disebut dengan etanol. Etanol dalam kadar tertentu sering dijadikan sebagai minuman keras. Etanol, disebut juga dengan etil alkohol, merupakan alkohol murni yang memiliki sifat yang sama dengan jenis metanol. Senyawa etanol merupakan cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, dan tidak berwarna. Etanol merupakan salah satu obat rekreasi yang paling sering digunakan dan merupakan senyawa psikoaktif. Struktur kimia etanol ditunjukkan pada gambar 2.6 berikut

Gambar 2.6 Struktur Kimia Etanol

Etanol adalah pelarut serbaguna, larut dalam air dan pelarut organic lainnya, meliputi asam asetat, aseton dan toluene. Ia juga larut dalam hidrokarbon alifatik yang ringan seperti pentane. Etanol termasuk dalam alkohol primer, yang berarti bahwa karbon yang berikatan dengan gugus hidroksil paling tidak memiliki dua atom hydrogen yang terikat dengannya juga. Etanol sering digunakan untuk bahan-bahan penelitian dalam rangka pemurnian suatu bahan.

Sifat-sifat fisika etanol utamanya dipengaruhi oleh keberadaan gugus hidroksil dan etanol memiliki rantai karbon yang pendek, namun lebih panjang dibandingkan metanol. Rumus kimia dari etanol adalah