PELAPISAN SUPERHIDROFOBIK DAN UJI KEMAMPUAN SELF CLEANING PADA BATU ANDESIT
SKRIPSI
SITI NUR WAHYUNI
PROGRAM STUDI S-1 KIMIA DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA
SURABAYA 2016
ST'RAT PERNYATAAN qENTAI\IG ORISINALITAS
Yang bertandatangandi bawah ini, saya : Nama
NIM
Program Studi Fakultas Jenjang
Siti Nur Wahyuni 08r21 1533015 Kimia
Sains dan Teknologi
Sarjana (Sl )
Menyatakan bahwa saya tidak rnelakukan kegiatan plagiat dalam penulisan skripsi saya yang berjudul :
Pelapisan Superhidrofobik dan Uji Kemamptan Self Cleaning pada Batu Andesit
Apabila suatu saat nanti terbukti melakukan tindakan plagiat, maka saya akan menerima sanksi yang telah diterapkan.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
ya,2l Juli 2016
Wahyuni
PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI
Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan seiijin penyusun dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur kepada Allah SWT atas hidayah dan karuniaNya, sehingga penyusun dapat menyelesaikan penulisan naskah skripsi dengan judul “Pelapisan Superhidrofobik dan Uji Kemampuan Self Cleaning pada Batu Andesit”. Naskah skripsi ini dibuat dalam rangka memenuhi persyaratan akademis pendidikan sarjana sains dalam bidang kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga.
Pada kesempatan ini, penyusun menyampaikan ucapan terima kasih kepada :
1. Bapak (Alm.) Drs. Hamami, M.Si selaku dosen pembimbing I atas bimbingan dan nasehatnya selama penyusunan skripsi ini.
2. Ibu Dr. Muji Harsini, M.Si. selaku pengganti dosen pembimbing I atas bimbingan dan nasehatnya selama penyusunan naskah skripsi.
3. Ibu Alfa Akustia Widati, S.Si., M.Si. selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan saran dalam penyusunan skripsi ini. 4. Bapak Ahmadi Jaya Permana, S.Si., M.Si. selaku dosen penguji I yang
banyak memberikan saran dan dorongan dalam memperbaiki naskah skripsi ini.
5. Bapak Dr. Purkan, M.Si. selaku Ketua Program Studi Kimia yang banyak memberikan informasi dalam penyusunan skripsi ini.
6. Ibu Siti Wafiroh, S.Si., M.Si. selaku dosen wali atas kesabaran, nasehat, dan dukungannya dalam penuyusunan naskah skripsi ini.
7. Bapak dan ibu dosen yang telah mendidik dan memberi dukungan selama perkuliahan.
8. Karyawan dan karyawati Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga dan petugas laboratorium terutama di departemen kimia, serta pihak-pihak lain yang telah membantu.
9. Kedua orang tua Bapak Tafif dan Ibu Tatik, adik-adikku Ulul dan Nashir, serta seluruh keluarga yang telah memberikan semangat, doa, dukungan moral dan materi.
10. Para sahabat Syaiful, Dita, Dian, dan Saiful yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam mengerjakan skripsi.
11. Teman satu tim self cleaning Dita, Nilam, Tias, dan Noah yang telah memberikan dukungan dalam mengerjakan skripsi.
12. Teman-teman di Departemen Kimia khususnya Kimia 2012 dan semua yang telah membantu.
13. Kakak dan adik angkatan yang telah memberikan dukungan dan semangat dalam mengerjakan skripsi.
Naskah skripsi ini disusun sebagai syarat tugas akhir yang harus diselesaikan dalam meraih gelar sarjana S1. Penulisan naskah skripsi ini jauh dari kata sempurna, untuk itu kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan.
Surabaya, 21 Juli 2016 Penyusun
Wahyuni, S.N., 2016, Pelapisan Superhidrofobik dan Uji Kemampuan Self Cleaning pada Batu Andesit, SKRIPSI, di bawah bimbingan Dr. Muji Harsini, M.Si dan Alfa Akustia Widati, S.Si., M.Si, Departemen Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya
ABSTRAK
Perkembangan industri menyebabkan jumlah polutan meningkat dan berdampak buruk bagi lingkungan, terutama pada bagunan bersejarah yang tersusun oleh bebatuan. Dengan demikian, perlu adanya teknologi self cleaning untuk melindungi bangunan dari kerusakan. Digunakan MTMS-nanosilika-nanotitania sebagai material self cleaning berbasis superhidrofobik yang dilapiskan pada batu andesit. Nanotitania disintesis menggunakan metode sol gel. Nanosilika disintesis menggunakan metode Stöber. Metiltrimetoksisilan (MTMS) ditambahkan sebagai coupling agent. Metode pelapisan yang digunakan adalah dip coating. Karakterisasi nanotitaniadan nanosilika hasil sintesis dilakukan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan Particle Size Analyzer (PSA). Batu andesit yang terlapisi di uji sudut kontak, dikarakterisasi menggunakan Spektroskopi Infra Merah (FTIR) dan Vickers, serta diuji kemampuan self cleaning. Hasil penenlitian menunjukkan komposisi nanosilika/nanotitania optimum yaitu 7:3, karena semakin banyak silika membuat permukaan batu menjadi lebih kasar sehingga sudut kontaknya naik, waktu optimum perendaman selama 5 menit. Model pelapisan optimum yaitu dengan model komposit, karena perbedaan letak gugus metil dari MTMS menaikkan sudut kontak. Kondisi opotimum yang diperoleh untuk uji self cleaning adalah MTMS-nanosilika-nanotitaniakarena menghasilkan sifat superhidrofobik pada permukaan batu dengan sudut kontak 169,76˚. Batu andesit yang dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania memiliki kemampuan self cleaning dengan mendegradasi methyl orange sebesar 91,46%.
Kata kunci : self cleaning, nanopartikel, MTMS-nanosilika-nanotitania, komposit, batu andesit
Wahyuni, S.N., 2016, Superhidrophobic Coating and Self Cleaning Ability Assay on Andesite Stone, THIS STUDY, under guidance Dr. Muji Harsini, M.Si and Alfa Akustia Widati, S.Si., M.Si, Departemen Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya
ABSTRACT
Development at industrial sector caused several problem like the increasing number of polutant and the impact to ecosystem, mainly at historical building which construct from stone. So, we need a new technology called self cleaning to protect the building from damages. MTMS-nanosilica-nanotitania used as self cleaning material based superhidrophobik which coated to andesit stone. Nanotitania synthesized with sol-gel method. Nanosilica synthesized using stober method. Methiltrimethoxysilane (MTMS) added as a coupling agent. Coating method which used in this research is dip coating method. Product synthesis nanotitania and nanosilica analyze by X-Ray Difffraction (XRD) and Particle Size Analyzer (PSA). Coated andesit stone then tested its contact angle, characterize with Infrared Spectroscopy (FTIR) and Vickers, then lastly tested its self cleaning characteristic. The result of this research showing the optimum composition 7 : 3, because more amount of silica make the stone surface rougher than before so the contact angle increasing, the optimum time of the soaking is 5 minutes. The optimum coating model is the composite model, because the differences in placing methyl group from MTMS will increase the contact angle. The optimum condition from self cleaning test is MTMS-nanosilica-nanotitania because its produce the superhidrophobic characteristic at the stone surface with the contact angle 169,76˚. Andesit stone which coated by MTMS-nanosilica-nanotitaniahave a self cleaning ability because it can degradate methyl orange 91,46%.
Keywords : self cleaning, nanoparticle, MTMS-nanosilica-nanotitania, composite, andesite stone
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PERNYATAAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS ... iv
LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ... v
KATA PENGANTAR ... vi
ABSTRAK ... viii
ABSTRACT ... ix
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xvi
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 5
1.3 Tujuan Penelitian ... 6
1.4 Manfaat Penelitian ... 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Batu Andesit ... 7
2.2 Self Cleaning ... 8
2.3 Metode Pelapisan Self Cleaning ... 12
2.3.1 Metode dip coating ... 12
2.3.2 Metode spray coating ... 13
2.4 Nanopartikel ... 14 2.5 Nanotitania ... 16 2.6 Nanosilika ... 18 2.7 Silan ... 19 2.8 Methyl Orange ... 20 2.9 X-ray Diffraction (XRD) ... 20
2.10 Particle Size Analyzer (PSA) ... 22
2.11 Spektroskopi Infra Merah (FTIR) ... 23
2.12 Metode Uji Vickers Hardness ... 25
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 28
3.2 Bahan dan Alat Penelitian ... 29
3.2.1 Alat penelitian ... 29
3.2.2 Bahan penelitian ... 29
3.3 Diagram Alir Penelitian ... 30
3.4 Prosedur Penelitian ... 31
3.4.1 Sintesis nanotitania ... 31
3.4.2 Sintesis nanosilika ... 31
3.4.3 Preparasi larutan MTMS ... 32
3.5 Karakterisasi Struktur dan Ukuran Partikel Nanotitania ... 32
3.5.1 Karakterisasi struktur nanotitania ... 32
3.5.2 Karakterisasi ukuran partikel nanotitania ... 32
3.6 Karakterisasi Struktur dan Ukuran Partikel Nanosilika ... 33
3.7 Pelapisan pada Batu Andesit ... 34
3.7.1 Pengaruh variasi komposisi mol nanosilika dan nanotitania pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit ... 34
3.7.2 Pengaruh penambahan MTMS pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit ... 35
3.7.3 Pengaruh variasi waktu perendaman terhadap sudut kontak batu andesit ... 35
3.7.4 Pengaruh model pelapisan layer by layer dan komposit terhadap sudut kontak batu andesit ... 36
3.8 Karakterisasi Batu Andesit tanpa Pelapisan dan dengan pelapisan ... 36
3.8.1 Uji sudut kontak ... 36
3.8.2 Karakterisasi MTMS-nanosilika-nanotitania ... 37
3.8.3 Uji kekerasan batu andesit ... 37
3.9 Pembuatan larutan Methyl Orange ... 37
3.9.1 Pembuatan larutan induk methyl orange 1000 ppm ... 37
3.9.2 Pembuatan larutan standar methyl orange ... 38
3.9.3 Penentuan panjang gelombang maksimum methyl orange ... 38
3.9.4 Pembuatan kurva standar methyl orange ... 38
3.10 Uji Kemampuan Self Cleaning ... 39
3.10.1 Pengaruh waktu penyinaran dalam uji self cleaning ... 39
3.10.2 Pengaruh absorpsi pada kemampuan self cleaning ... 39
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Sintesis Nanotitania ... 41
4.2 Sintesis Nanosilika ... 44
4.3 Preparasi Larutan MTMS ... 45
4.4 Pelapisan pada Batu Andesit ... 47
4.4.1 Pengaruh variasi komposisi mol nanosilika dan nanotitania pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit ... 47
4.4.2 Pengaruh penambahan MTMS pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit ... 49
4.4.3 Pengaruh variasi waktu perendaman terhadap sudut kontak batu andesit ... 50
4.4.4 Pengaruh model pelapisan layer by layer dan komposit terhadap sudut kontak batu andesit ... 53
4.5 Karakterisasi MTMS-nanosilika-nanotitania ... 55
4.6 Ketahanan Mekanik Batu Andesit ... 57
4.7 Uji Kemampuan Self Cleaning ... 57
4.7.1 Penentuan panjang gelombang maksimum methyl orange ... 58
4.7.2 Pembuatan kurva standar methyl orange ... 58
4.7.3 Pengaruh waktu penyinaran dalam uji self cleaning ... 59
4.7.4 Pengaruh absorpsi pada kemampuan self cleaning MTMS-SiO2-TiO ... 61
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 63
4.7 Saran ... 64
DAFTAR PUSTAKA ... 65
DAFTAR TABEL
Tabel Judul Tabel Halaman
3.1 Komposisi volume nanotitania dan massa nanosilika 34 4.1 Puncak yang dihasilkan oleh batu andesit dengan dan tanpa
DAFTAR GAMBAR
Gambar Judul Gambar Halaman
2.1 Batu andesit 8
2.2 Ilustrasi sudut kontak permukaan 9
2.3 Mekanisme self cleaning 12
2.4 Teknik dip coating 13
2.5 Skema sintesis nanopartikel 15
2.6 Mekanisme perpindahan elektron karena ada pengaruh cahaya pada TiO2
17
2.7 Struktur TiO2 17
2.8 Struktur SiO2 18
2.9 Struktur MTMS 19
2.10 Struktur methyl orange 20
2.11 Difraktogram nanotitania 22
2.12 Spektra variasi komposisi komposit TiO2-SiO2 24
2.13 Kurva % congo red dan metilen biru terdegradasi material komposit TiO2-SiO2 pada batu andesit
27 3.1 Pengukuran sudut kontak menggunakan ImageJ 36 3.2 Ilustrasi penyinaran UV pada batu andesit 39
4.1 Reaksi hidrolisis dan kondensasi TBOT 42
4.2 Difraktogram nanotitania hasil sintesis 43
4.3 PSA nanotitania hasil sintesis 43
4.4 Reaksi hidrolisis dan kondensasi TEOS 44
4.5 Difraktogram nanosilika hasil sintesis 45
4.6 Reaksi hidrolisis dan kondensasi MTMS 46
4.7 Batu andesit tanpa pelapisan dan yang dilapisi
nanosilika/nanotitania 48
4.8 Kurva variasi komposisi mol nanosilika/nanotitania 48 4.9 Batu andesit yang dilapisi nanosilika/nanotitania dan
MTMS/nanosilika/nanotitania 49
4.10 Pengaruh penambahan MTMS pada pelapisan batu andesit 50 4.11 Batu andesit yang dilapisi MTMS/nanosilika/nanotitania
dengan variasi waktu perendaman 51
4.12 Kurva pengaruh variasi waktu perendaman batu andesit 52 4.13 Batu andesit yang dilapisi dengan
MTMS/nanosilika/nanotitania dan komposit MTMS-nanosilika-nanotitania
53
4.15 Ikatan MTMS/nanosilika/nanotitania dan perkiraan ikatan
MTMS-nanosilika-nanotitania 55
4.16 Hasil perbandingan FTIR dari batu andesit tanpa pelapisan dan batu andesit dengan pelapisan MTM-nanosilika-nanotitania
56
4.17 Kurva standar methyl orange 58
4.18 Kurva % methyl orange terdegradasi 60
4.19 Kurva perbandingan % methyl orange terdegradasi dengan
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran Judul Lampiran Halaman
1 Perhitungan mol nanosilika dan nanotitaniayang terbentuk 71
2 Perhitungan variasi mol nanosilika 73
3 Perhitungan ukuran partikel nanosilika 74
4 Hail sudut kontak 75
5 Spektra UV-Vis Penentuan Panjang Gelombang
Maksimum Methyl Orange 80
6 Hasil Uji Kekerasan Batu Andesit 81
7 Data Hasil Pengamatan pada Penentuan Kurva Standar
Methyl Orange 82
8 Data Perhitungan Methyl Orange Terdegradasi 83 9 Data Perhitungan Methyl Orange dalam gelap 84
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu negara yang mempunyai banyak warisan budaya, diantaranya adalah bangunan bersejarah berupa candi. Candi di Indonesia banyak terletak di wilayah Jawa, Bali, dan Sumatra. Sejak abad ke-7 hingga ke-15 pembangunan candi-candi di Jawa seperti candi Borobudur dan candi Prambanan menggunakan batu andesit. Batu andesit adalah batuan yang berasal dari lahar gunung berapi yang telah membeku. Batu andesit mempunyai warna yang khas yaitu abu-abu terang hingga gelap dan struktur pori yang cukup padat sehingga tingkat kekerasannya menjadi lebih tinggi. Batu andesit termasuk pada batuan beku intermediet yang memiliki kandungan silika antara 52-66%.
Batu andesit selain digunakan sebagai material candi, saat ini juga banyak digunakan pada bangunan megah sebagai pelengkap keindahan dari bangunan tersebut. Batu andesit ini biasanya diaplikasikan pada dinding, pagar, dan lantai yang menimbulkan kesan dingin dan kuat. Namun air hujan dan polusi udara membuat batuan andesit yang digunakan pada bangunan menjadi lapuk dan memudarkan warna khas batu karena adanya pengendapan bahan organik (Kapridaki dkk, 2014). Air hujan dan polusi udara dapat menyebabkan dekomposisi batuan melalui pori-porinya (Manoudis dkk, 2008). Dengan demikian, batu andesit yang digunakan pada candi dan bangunan perlu perlindungan agar dapat dilestarikan.
Terdapat dua metode perlindungan pada batu andesit, seperti laser cleaning dan biological cleaning. Laser cleaning adalah metode pembersihan kotoran pada batu yang memanfaatkan tembakan sinar laser sebagai pembersih kotoran hingga ke pori-porinya, namun metode ini dapat merubah warna khas batuan. Biological cleaning adalah metode pembersihan pada batu yang memanfaatkan mikroorganisme sebagai bahan pembersih sehingga dapat membersihkan sampai ke pori dan tidak merusak warna batuan, namun cara ini membutuhkan mikroorganisme selektif yang sulit dipilih dan sulit dikontrol pertumbuhannya (Doehne, 2010). Kedua metode tersebut masih memiliki kelemahan, oleh karena itu telah dikembangkan metode baru yaitu self cleaning.
Self cleaning adalah kemampuan suatu material untuk tetap menjadi bersih. Self cleaning merupakan suatu metode yang memanfaatkan efek fotokatalitik maupun efek Lotus yang dihasilkan dari senyawa kimia tertentu sehingga mampu membersihkan substrat dari kontaminan. Terdapat dua mekanisme self cleaning yang didasarkan pada gaya aksi terhadap air pada suatu bahan yang membuat permukaan material tersebut bersifat superhidrofilik dan superhidrofobik. Permukaan superhidrofilik dengan sudut kontak air 10-0˚ menyebabkan air menyebar ke seluruh permukaan dan membentuk lapisan tipis pada permukaan material. Mekanisme ini melibatkan efek fotokatalitik sehingga aktivitasnya memerlukan paparan sinar matahari atau sinar UV untuk mendegradasi kontaminan (Li dkk, 2013). Kelebihan dari mekasisme ini yaitu tidak membutuhkan adanya air pada permukaan karena mekanisme ini memanfaatkan sinar matahari untuk proses degradasinya. Namun, mekanisme ini
juga mempunyai kekurangan yaitu sulitnya memastikan kontaminan pada permukaan telah terdegradasi. Sedangkan permukaan superhidrofobik dengan sudut kontak air 150-180˚ menyebabkan permukaan air menjadi spheris (efek Lotus) sehingga air dapat membawa kotoran pada permukaan material. Mekanisme ini mempunyai kelebihan yaitu mudahnya memastikan kontaminan terdegradasi dengan adanya bantuan air. Namun, mekanisme ini juga memiliki kekurangan yaitu kontaminan yang ikut menggelinding dengan air ditakutkan akan mencemari lingkungan.
Sifat superhidrofobik terjadi ketika kaca dilapisi dengan
polydimetilsiloxane (PDMS)/SiO2 yang menghasilkan sudut kontak air 153˚
sehingga tolakan air menjadi tinggi yang menyebabkan kotoran dapat teradsorbsi pada air dan tergulung (Li dkk, 2014). Sifat superhidrofobik memanfaatkan energi permukaan yang rendah sehingga dapat menurunkan wettability permukaan padatan dan menghasilkan permukaan dengan sifat hidrofobik (Nakajima dkk, 2001). Sifat superhidrofobik juga memanfaatkan perpaduan antara sifat permukaan dengan kekerasan (roughness), semakin kasar morfologi permukaan dapat menyebabkan kenaikan hidrofobisitas permukaan material tersebut (Wang dkk, 2011).
Teknologi self cleaning dapat memanfaatkan senyawa kimia seperti nanosilika dan nanotitania sebagai bahan pelapis dalam dengan permukaan bersifat superhidrofobik yang melibatkan efek Lotus dan efek fotokatalitik. Nanopartikel titanium dioksida (TiO2) yang ditambahkan dengan fluoropolymer
(Colangiuli, 2015). Nanopartikel silikon dioksida (SiO2) ditambahkan dengan
polyalkysiloxane yang dilapiskan pada batu marmer dapat meningkatkan hidrofobisitas permukaan dengan sudut kontak air sebesar 161,3˚ (Manoudis dkk, 2008). Nanopartikel titanium dioksida (TiO2) yang ditambahkan dengan
diethanolamine (DEA) menimbulkan transmisi maksimum lebih dari 90% dan memiliki aktifitas fotokatalitik yang sangat baik sehingga dapat mendegradasi
congo red selama 60 menit (Li dkk, 2013). Penambahan SiO2 pada TiO2 dengan
rasio molar sebesar 2,33:1 dapat meningkatkan sifat fotokatalitik pada TiO2.
Komposit tersebut dapat mendegradasi methylene blue selama 2 jam dengan maksimal degradasi selama 1 jam pertama (Pakdel, 2013). Teknologi self cleaning juga dapat memanfaatkan senyawa silan sebagai material pengikat antara lapisan dan substrat. Molekul alkilsilan juga dapat meningkatkan hirofobisitas pada permukaan yang memiliki tingkat kekasaran tertentu (Park, 2011). Senyawa silan digunakan sebagai coupling agen atau agen pengikat untuk modifikasi nanopartikel oksida logam (Mallakpour, 2015). Nanopartikel SiO2 yang
dimodifikasi dengan TMCS (tetrametil klorosilan) menghasilkan permukaan supperhidrofobik dengan sudut kontak sebesar 164˚ (Latthe dkk, 2009).
Penelitian ini bertujuan untuk melindungi batu andesit pada candi dan bangunan dengan teknologi self cleaning. Teknologi self cleaning ini memanfaatkan sintesis MTMS-nanosilika-nanotitania dengan metode pelapisan dip coating berbasis superhidrofobik. Kemampuan self cleaning, akan diuji menggunakan senyawa azo seperti methyl orange sebagai noda pada batu andesit. Instrumen karakterisasi yang digunakan pada penelitian ini adalah X-Ray
Diffraction (XRD) digunakan untuk mengetahui fasa kristal dan ukuran partikel nanotitania dan nanosilika. Particle Size Analyzer (PSA) digunakan untuk mengetahui ukuran partikel nanotitania. Spektroskopi Infra Merah (FTIR) digunakan untuk mengetahui ikatan yang terbentuk pada MTMS-nanosilika-nanotitania. Uji sudut kontak digunakan untuk mengukur sudut kontak air pada permukaan batu andesit. Vickers Hardness digunakan untuk mengetahui kekerasan batu andesit. Spektrofotometer UV-Vis digunakan untuk mengetahui kemampuan self cleaning pada batu andesit setelah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas maka dapat dirumuskan masalah sebagai berikut.
1. Bagaimanakah karakteristik nanotitania dan nanosilika menggunakan analisis X-Ray Diffraction (XRD) dan Particle Size Analyzer (PSA)?
2. Bagaimanakah pengaruh variasi komposisi, waktu perendaman, dan model pelapisan terhadap hidrofobisitas batu andesit yang terlapisi MTMS-nanosilika-nanotitania menggunakan uji sudut kontak?
3. Bagaimanakah karakteristik batu andesit yang telah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania menggunakan Spektroskopi Infra Merah (FTIR) dan Vickers Hardness?
4. Bagaimanakah kemampuan self cleaning MTMS-nanosilika-nanotitania terhadap methyl orange?
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Mengetahui karakteristik nanotitania dan nanosilika menggunakan analisis X-Ray Diffraction (XRD) dan Particle Size Analyzer (PSA).
5. Mengetahui pengaruh variasi komposisi, waktu perendaman, dan model pelapisan terhadap hidrofobisitas batu andesit yang terlapisi MTMS-nanosilika-nanotitania menggunakan uji sudut kontak.
2. Mengetahui karakteristik batu andesit yang telah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania menggunakan Spektroskopi Infra Merah (FTIR) dan Vickers Hardness.
3. Mengetahui kemampuan self cleaning MTMS-nanosilika-nanotitania terhadap methyl orange.
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini bermanfaat dalam pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, khususnya dibidang self cleaning. Penelitian tentang batuan yang dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania sebagai material self cleaning diharapkan dapat bermanfaat dalam konservasi batuan pada candi dan bangunan sehingga dapat dilestarikan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Batu Andesit
Batu andesit merupakan suatu jenis batuan beku vulkanik. Batu ini berasal dari lahar gunung berapi yang telah membeku dan sering disebut dengan lavastone. Batu andesit umumnya ditemukan pada daerah dengan aktivitas vulkanik yang tinggi atau subduksi tektonik di perbatasan lautan seperti di pantai barat Amerika Selatan. Batu andesit mempunyai warna yang khas yaitu abu-abu terang hingga gelap dan struktur pori yang cukup padat sehingga tingkat kekerasannya menjadi lebih tinggi. Batu andesit termasuk pada batuan beku intermediet yang mempunyai kandungan silika antara 52-66%. Batu andesit tersusun atas mineral-mineral plagioklas, hornblande, piroksen, dan kuarsa biotit,orthoklas dalam jumlah kecil. Derajat kristalisasi dari batu andesit tergolong pada holohyalin yaitu batuan beku yang seluruhnya tersusun dari gelas.
Batu andesit banyak digunakan sebagai batuan penyusun bangunan bersejarah seperti candi. Selain pada candi batu andesit juga digunakan sebagai penyusun material prasejarah seperti sarkofagus, menhir, dan dolmen. Batu andesit umumnya digunakan di luar ruangan karena sifat ketahanan mekaniknya terhadap cuaca (Yavus, 2011).
Saat ini batu andesit menjadi tren karena batu andesit sering digunakan pada bangunan-bangunan minimalis seperti rumah, hotel, dan perkantoran dengan diaplikasikan pada dinding, pagar, lantai, bibir kolam, dan carport. Warna
abu-Teknologi self cleaning banyak dimanfaatkan sebagai pelapis permukaan benda, seperti kaca, bangunan, tekstil, sel surya, dan rangka otomotif. Pemanfaatan teknologi self cleaning dapat menjaga sifat mekanik dan estetika pada permukaan benda. Teknologi self cleaning mempermudah perawatan sehingga biayanya jadi lebih murah.
Mekanisme self cleaning permukaan substrat dengan sifat superhidrofilik didasarkan pada sifat fotokatalitiknya. Mekanisme ini memanfaatkan sifat fotokatalitik senyawa kimia seperti TiO2. Sifat fotokatalitik dari senyawa tersebut
akan aktif apabila diirradiasi dengan sinar matahari atau sinar ultraviolet (UV). Pada permukaan substrat yang bersifat superhidrofilik, energi yang dimiliki material tersebut tinggi sehingga air akan menyebar ke permukaan substrat. Hal ini disebabkan karena sudut kontak air yang dimiliki sangat rendah. Permukaan batu kapur yang dilapisi dengan senyawa TiO2 sudut kontak airnya 12,6˚ sehingga
bersifat superhidrofilik. Senyawa tersebut ketika diirradiasi dengan sinar UV terbukti mempunyai sifat fotokatalitik sehingga dapat mendegradasi rodamin B dengan cepat (Quangliarini dkk, 2012). Teknologi self cleaning pada batu andesit dengan komposit TiO2-SiO2 termodifikasi surfaktan dapat menurunkan sudut
kontak air hingga 0˚. Komposit TiO2-SiO2 dapat mendegradasi congo red hingga
73,66% selama 3 jam dan metilen biru hingga 36,15% selama 2 jam Nilai kekerasan batu yang dilapisi komposit TiO2-SiO2 ini mencapai 285,4 VH
(Kusumawati, 2015)
Mekanisme self cleaning dari permukaan substrat yang bersifat superhidrofobik didasarkan pada efek Lotus. Permukaan substrat dengan efek
Lotus membuat kontaminan yang terkumpul pada permukaan substrat jatuh karena adanya tolakan air. Permukaan superhidrofobik dibuat dengan meniru konsep hidrofobisitas alami permukaan daun teratai (efek Lotus). Permukaan dengan sifat hidrofobik dapat diperoleh melalui modifikasi struktur mikro dan atau nano pada suatu substrat atau dengan modifikasi struktur permukaan dengan material yang mempunyai energi permukaan rendah (Guo, 2011). Energi permukaan yang rendah akan menurunkan wettability permukaan padatan sehingga akan dihasilkan permukaan dengan sifat hidrofobik (Nakajima dkk, 2001). Sifat superhidrofobik memanfaatkan perpaduan antara sifat permukaan dengan kekasaran (roughness), semakin kasar morfologi permukaan dapat menyebabkan kenaikan hidrofobisitas permukaan material tersebut (Wang dkk, 2011), sehingga membentuk tetes air yang dapat mengumpulkan kontaminan kemudian menggulungnya. Permukaan substrat dikatakan superhidrofobik jika mempunyai sudut kontak air mencapai 150-180˚.
Permukaan superhidrofobik ini dapat dimanfaatkan pada benda-benda yang berada pada luar ruangan, karena mekanismenya akan dibantu oleh adanya air hujan. Air hujan akan menempel pada permukaan benda yang bersifat superhidrofobik dan membentuk spheris. Hal ini mengakibatkan kontaminan yang menempel pada permukaan benda akan menempel pada air hujan dan akan tergulung bersama dengan air hujan sehingga permukaan benda menjadi bersih. Pemanfaatan sifat superhidrofobik ini dapat menghemat biaya perawatan benda dan penggunaan pembersih seperti deterjen yang dapat mencemari lingkungan (Sas dkk,2012).
yang akan disemprotkan. Permukaan batu kapur yang dilapisi TiO2 menggunaan
metode spray coating menghasilkan lapisan nano TiO2 yang lebih tipis
dibandingkan dengan menggunakan metode dip coating (Quagliarini, 2012). Namun, metode spray coating mempunyai kelemahan karena lapisan yang dihasilkan tidak menempel secara merata pada permukaan substrat.
2.4 Nanopartikel
Nanopartikel mempunyai sifat yang khas karena ukuran partikelnya yang sangat kecil, sehingga luas permukaannya menjadi sangat tinggi. Ukuran dan volume porinya dapat dibuat sesuai kebutuhan sehingga kinerja material menjadi lebih baik. Nanopartikel mempunyai ukuran yang sangat halus sehingga sifat-sifat khas yang dimiliki dapat muncul sesuai dengan yang dibutuhkan, misalnya sifat kemagnetan, optik, kelistrikan, termal, dan lain sebagainya. Sifat khas dari nanopartikel dapat dimanfaatkan di berbagai bidang, seperti kesehatan, informasi, transportasi, industri, dan energi.
Ilmu pengetahuan teknologi tentang nanopartikel memberikan peluang pengembangan untuk meningkatkan sumber daya mineral. Mineral-mineral seperti montmorilonit, zeolit, titan oksida (rutil), dan silika merupakan beberapa contoh mineral yang dapat dimanfaatkan untuk teknologi nanopartikel. Mineral-mineral tersebut dapat diaplikasikan pada teknologi katalis, adsorben dan fotokatalisis dengan kinerja yang lebih baik.
Nanopartikel mempunyai ukuran partikel antara 0-100 nm. Terdapat dua metode yang digunakan dalam sintesis nanopertikel yaitu secara top-down dan
2.5 Nanotitania
Nanotitania adalah suatu senyawa yang mempunyai berbagai keunggulan di sifat fisika maupun sifat kimianya. Keunggulan sifat yang dimiliki senyawa ini menjadikannya mempunyai aplikasi yang luas dalam berbagai bidang. Kinerja nanotitania tergantung pada metode sintesis yang berpengaruh terhadap ukuran partikel, kristalinitas, kemurnian, dan komposisi fasa (Rahman dkk, 2014). Titanium dioksida mempunyai tiga jenis bentuk kristal seperti rutil (tetragonal), anatas (tetragonal), dan brukit (ortorombik). Diantara ketiga jenis bentuk kristal tersebut titanium dioksida kebanyakan berada dalam bentuk rutil dan anatas, secara termodinamik kristal anatas lebih stabil dibandingkan kristal rutil (Dastan, 2014).
Titanium dioksida anatas dan rutil mempunyai struktur tetragonal. Anatas mempunyai energi gap sebesar 3,2 eV sedangkan rutil sebesar 3,0 eV. Anatas mempunyai aktivitas fotokatalitik yang lebih baik daripada rutil. Oleh karena itu, fase anatas banyak dimanfaatkan pada proses fotokatalisis sebagai fotokatalis. Fotokatalisis merupakan proses yang membutuhkan cahaya (foton) untuk mengaktifkan fotokatalis sehingga terjadi perubahan kimia. Adanya absorbsi cahaya akan menyebabkan adanya kekosongan atau hole (h+) karena elektron
berpindah dari pita valensi ke pita konduksi, kemudian hole (h+) akan bereaksi dengan hidroksida logam membentuk radikal hidroksida logam dalam larutan yang merupakan oksidator kuat.
kristal dengan prinsip dasar mendifraksi cahaya melalui celah kecil. XRD menggunakan X-ray atau sinar-X. Sinar-X adalah foton dengan energi tinggi yang mempunyai panjang gelombang antara 0,5-2,5 Ǻ. Sinar-X digunakan untuk menghasilkan pola difraksi tertentu yang dapat digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif suatu material. Material yang dianalisis menggunakan XRD akan dikenai sinar-X dan sebagian berkas sinar akan diserap, diteruskan, dan dihamburkan, hamburan sinar yang dihasilkan kemudian dideteksi oleh XRD.
Metode XRD didasarkan pada hukum Bragg yang menjelaskan tentang syarat yang harus dipenuhi agar berkas sinar-X yang dihamburkan merupakan berkas difraksi dengan persamaan hukum Bragg sebagai berikut :
2d sin θ – n θλ (2.1)
Hukum Bragg menjelaskan bahwa sinar yang datang dan sinar yang didifraksikan pada suatu bidang serta sudut antara berkas sinar yang didifraksikan dengan sinar yang ditransmisikan besarnya selalu 2 θ yang disebut dengan sudut difraksi (Subagja, 2011). Selain digunakan untuk menganalisis komposisi senyawa pada suatu material dan juga untuk karakterisasi kristal, metode ini juga dapat digunakan untuk karakterisasi struktur nano dari suatu material dengan menggunakan persamaan Scherrer sebagai berikut :
cos θ , λ (2.2)
Dimana τ adalah ukuran kristalit rata-rata, λ adalah panjang gelombang X-ray, , adalah K yaitu faktor bentuk dengan nilai mendekati 1, θ adalah sudut difraksi dan β adalah pelebaran berdasarkan Full-Width at Half Maximum
(FWHM) puncak difraksi dalam satuan radian. Persamaan ini hanya digunakan untuk karakterisasi partikel berukuran nano.
Gambar 2.11 Difraktogram nanopartikel titania (Aeni dkk, 2015)
2.10 Particle Size Analyzer (PSA)
Particle Size Analyzer (PSA) adalah suatu metode yang digunakan untuk mengetahui ukuran partikel. Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk mengetahui ukuran suatu partikel, seperti metode ayakan (Sieve anayses), Laser Diffraction (LAS), metode sedimentasi, Electronical Zone Sensing (EZS), analisa gambar (mikrografi), metode kromatografi, Submicron aerosol sizing, dan counting (Barth, 1985). Dari beberapa metode yang mengarah ke nanoteknologi adalah metode yang menggunakan Laser Diffraction (LAS). Metode ini dinilai lebih akurat bila dibandingkan dengan metode analisa gambar maupun metode ayakan, terutama untuk sample-sampel dalam orde nanometer maupun submikron. Alat yang digunakan dalam metode ini adalah PSA. PSA menggunakan prinsip dynamic light scattering (DLS). Metode ini juga dikenal sebagai
quasi-2θ In te ns ita s 20 30 40 50 60
(PCS). Metode LAS bisa dibagi dalam dua yaitu metode basah dan kering. Metode basah menggunakan media pendispersi untuk mendispersikan material uji. Metode kering memanfaatkan udara atau aliran udara untuk melarutkan partikel dan membawanya ke sensing zone. Metode ini baik digunakan untuk ukuran yang kasar, dimana hubungan antarpartikel lemah dan kemungkinan untuk beraglomerasi kecil.
Pengukuran partikel dengan menggunakan PSA biasanya menggunakan metode basah. Metode ini dinilai lebih akurat jika dibandingkan dengan metode kering. Terutama untuk sampel-sampel dalam orde nanometer dan submicron yang biasanya memliki kecenderungan aglomerasi yang tinggi. Hal ini dikarenakan partikel didispersikan ke dalam media sehingga partikel tidak saling beraglomerasi (menggumpal). Dengan demikian ukuran partikel yang terukur adalah ukuran dari single particle. Selain itu hasil pengukuran dalam bentuk distribusi, sehingga hasil pengukuran dapat diasumsikan sudah menggambarkan keseluruhan kondisi sampel.
2.11 Spektroskopi Infra Merah (FTIR)
Spektroskopi Infra Merah (FTIR) adalah suatu metode yang memanfaatkan spektroskopi sinar inframerah yang mempunyai panjang gelombang antara 2,5-25 µm dan frekuensi inframerah antara 400-4000 cm-1.
Prinsip yang digunakan dalam spektroskopi inframerah adalah radiasi sinar inframerah yang ditembakkan ke sebuah material kemudian sebagian sinar yang yang ditembakkan akan diserap oleh materi dan sebagian lagi diteruskan melalui
kisaran bilangan gelombang 1610-1650 cm-1 merupakan vibrasi tekuk O-H.
Puncak pada kisaran bilangan gelombang 3300-3500 cm-1 merupakan vibrasi ulur dari gugus OH (Kurniawan, 2016).
2.12 Metode Uji Vickers Hardness
Metode Vickers Hardness digunakan untuk menguji kekerasan nanomaterial. Kekerasan merupakan karakteristik dari material untuk bertahan dari perubahan bentuk yang berkaitan dengan kemampuan bertahan dari pembengkokan, penggoresan, dan pemotongan. Mekanisme uji Vickers Hardness adalah dengan cara membebani material dengan indentor berlian untuk indentasi, kemudian diukur dan dikonversi menjadi nilai kekerasan (hardness value). Vickers Hardness (VH) dapat dihitung melalui persamaan berikut :
H 1, 5 . d2 (2.3)
Di mana VH merupakan nilai Vickers Hardness (kP/mm2), W merupakan
beban yang diberikan (kgf), dan d merupakan panjang diagonal indentasi (mm).
Dolostone yang dilapisi dengan komposit TiO2-SiO2 mengalami peningkatan
kekerasan dengan nilai VH sebesar sebesar 62,72 kP/mm2, sedangkan yang tidak
dilapisi komposit TiO2-SiO2 mempunyai nilai VH sebesar 49,33 kP/mm2. (Pinho
dkk, 2013)
2.13 Spektrofotometer UV-Vis
Spektrofotometer Ultra Violet-Visibel adalah bagian dari spektroskopi yang memanfaatkan keadaan sinar yang masuk, diserap, dipantulkan, dan
diteruskan. Spektrofotometer UV-Vis digunakan untuk menentukan panjang gelombang maksimum dari sampel. Prinsip kerja dari alat ini berdasarkan penyerapan energi radiasi oleh suatu larutan.
Cahaya adalah suatu bentuk energi radiasi yang mempunyai sifat sebagai gelombang dan partikel, sifatnya sebagai gelombang dapat dilihat dengan terjadinya pembiasan dan pemantulan cahaya oleh medium. Energi radiasi terdiri dari sejumlah besar gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda-beda. Sumber radiasi ultraviolet berkisar pada panjang gelombang 180-380 nm, sedangkan sumber radiasi visibel (sinar tampak) berkisar pada panjang gelombang 380-780 nm.
Cara kerja dari spektrofotometer UV-Vis yaitu suatu sumber cahaya dipancarkan melalui monokromator. Monokromator akan menguraikan sinar yang masuk dari sumber cahaya menjadi pita-pita panjang gelombang yang sesuai untuk pengukuran suatu sampel tertentu. Setiap gugus kromofor mempunyai panjang gelombang maksimum yang berbeda-beda sesuai dengan sampel yang dianalisis. Setelah dari monokromator energi radiasi diteruskan dan diserap oleh suatu larutan yang akan dianalisis di dalam kuvet, kemudian jumlah cahaya yang diserap akan menghasilkan sinyal pada detektor. Sinyal ini sebanding dengan cahaya yang diserap oleh larutan tersebut. Besarnya sinyal ditunjukkan dalam angka.
Metode spektrofotometer UV-Vis didasarkan pada hukum Lambert-Beer yang menyatakan bahwa jumlah radiasi cahaya visibel (tampak), ultraviolet, dan cahaya lain yang ditransmisikan oleh suatu larutan merupakan suatu fungsi
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Kimia Analitik Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya. Uji sudut kontak air menggunakan software ImagJ dan uji kemampuan self cleaning dengan Spektrofotometer UV-Vis dilaksanakan di Laboratorium Kimia Analitik Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya. Karakterisasi sintesis nanotitania dan nanosilika menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan karakterisasi sintesis MTMS-nanosilika-nanotitania dengan Spektrofotometer Spektroskopi Infra Merah dilaksanakan di Laboratorium Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya. Karakterisasi ukuran partikel nanotitania dan nanosilika menggunakan Particle Size Analyzer (PSA) dilaksanakan di Laboratorium Fisika Bahan Padat Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya. Uji kekerasan batu andesit dengan Vickers Hardness dilaksanakan di Laboratorium Energi Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya. Penelitian mulai dilaksanakan pada bulan Februari hingga bulan Juni 2016.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian 3.3.1 Alat penelitian
Peralatan laboratorium yang digunakan pada penelitian ini antara lain : peralatan gelas yang biasa dipakai dalam laboratorium, neraca analitik (Mettler AE 200), stirrer magnetik, hot plate (Daihan Labtech LMS-1003), oven (Fisher Scientific isotemp model 655F), sentrifuge (EBA 20 Hettich Zentrifugen), ultrasonikator (Ultrasonic Power 540), X-Ray Diffraction (XRD) (Philips tipe X’PERT), Particle Size Analyzer (PSA) (Horiba SZ-100), Spektroskopi Infra Merah (FTIR) (Shimadzu 8400), Vickers Hardness, Spektrofotometer UV-Vis (Shimadzu UV 1800), dan reaktor untuk uji self cleaning yang terdiri dari kotak pelindung reaktor yang terbuat dari kayu berukuran 50 x 50 x 50 cm dan sumber sinar (lampu UV 8 watt sebanyak 2 buah).
3.3.2 Bahan penelitian
Bahan-bahan kimia yang digunakan pada penelitian antara lain : tetrabutil ortotitanat (TBOT, Merck, 98,0%), etanol (Merck, 99,0%), asam klorida (HCl, Merck, 37,0%), tetraetil ortosilika (TEOS, Merck, 99,0%), metanol (Merck, 99,0%), akuadem , NH4OH (Merck, 25,0 %), metiltrimetoksisilan (MTMS,
Aldrich, 95,0%), asam oksalat 0,001 N, dan methyl orange. Sebagai substrat digunakan batu andesit yang didapatkan dari Jawa Barat.
3.3 Diagram Alir Penelitian
Penentuan panjang gelombang dan pembuatan kurva standar methyl orange Karakterisasi
dengan FTIR dan Vickers Hardness
Pelapisan MTMS/
nanosilika/nanotitania pada batu andesit secara dip coating
Variasi waktu perendaman (2, 5, 15, 30, dan 120 menit)
Variasi teknik pelapisan (layer by layer dan komposit)
Hasil optimum Uji sudut kontak Sintesis nanotitania Karakterisasi dengan XRD dan PSA Sintesis nanosilika Pelapisan nanopartikel nanosilika/nanotitania pada batu
andesit secara dip coating
Variasi komposisi nanosilika/nanotitania 3:7 ; 1:1 ; 7:3 Preparasi larutan MTMS Karakterisasi dengan XRD Uji sudut kontak Uji kemampuan self cleaning Pengaruh waktu penyinaran UV Pengaruh absorpsi Pembuatan larutan methyl orange Pembuatan larutan induk 1000 ppm dan standar 3, 5, 7,9, dan 10 ppm methyl orange Analisis dengan spektrofotometer UV-Vis Analisis data
3.4 Prosedur Penelitian 3.4.1 Sintesis nanotitania
Prekursor anorganik tetrabutil ortotitanat (TBOT) sebanyak 30 mL dicampurkan dalam 100 mL etanol sambil kemudian dengan stirrer magnetik selama ± 30 menit. Setelah itu ditambahkan 2,7 mL asam klorida (HCl) tetes demi tetes sambil diaduk dengan stirrer magnetik selama ± 30 menit hingga membentuk larutan tidak berwarna (Guo dkk, 2014). Larutan nanotitania hasil sintesis, seperempatnya dikeringkan pada suhu ruang hingga membentuk serbuk. Serbuk yang terbentuk dikarakterisasi untuk mengetahui fasa kristal dengan X-Ray Diffraction (XRD). Seperempat larutan nanotitania dari hasil sintesis yang lainnya dipisah untuk mengetahui ukuran partikel titania dengan Particle Size Analyzer (PSA).
3.4.2 Sintesis nanosilika
Nanosilika disintesis dengan metode Stöber. Pertama, 25 g tetraetil ortosilika (TEOS) ditambahkan ke dalam campuran larutan yang terdiri dari metanol sebanyak 300 mL, akuadem sebanyak 3 mL , dan NH4OH sebanyak 30
mL, kemudian diaduk pada suhu 50˚C selama 3 jam hingga membentuk sol. Setelah itu campuran disentrifugasi dengan kecepatan 4000 rpm selama 20 menit pada suhu kamar, proses sentrifugasi dilakukan selama tiga kali pembersihan dengan menambahan etanol sebanyak 300 mL. Setelah itu nanosilika dikeringkan semalam pada suhu 40˚C (Hwang, 2015). Seperempat serbuk nanosilika dari hasil sintesis dipisah untuk mengetahui fasa kristal dan ukuran partikel dengan X-Ray Diffraction (XRD).
3.4.3 Preparasi larutan MTMS
Metiltrimetoksisilan (MTMS) dipreparasi sebagai sumber silika dan juga untuk meningkatkan sudut kontak air. Sebanyak 13,62 g MTMS ditambahkan dengan 141,6 mL metanol dan 1 tetes asam oksalat (H2C2O4) 0,001 M. Kemudian
larutan diaduk selama 30 menit. Selanjutnya larutan di diamkan selama 24 jam pada suhu ruang. Setelah didiamkan, campuran larutan yang terbentuk ditambahkan 1,83 mL NH4OH 25 % dan di aduk selama 15 menit. Kemudian di
diamkan selama 48 jam pada suhu ruang. Setelah di diamkan campuran larutan ditambahkan 20 mL metanol sehingga terbentuk larutan MTMS.
3.5 Karakterisasi Struktur dan Ukuran Partikel Nanotitania 3.5.1 Karakterisasi struktur nanotitania
Identifikasi fasa dan struktur dari nanotitania dilakukan dengan teknik difraksi sinar-X, serbuk nanotitania sebanyak 1/4 hasil sintesis dianalisis
menggunakan XRD dengan mesin Phillips X-Ray Diffractometer dengan sinar radiasi Cu Kα (λ = 1,5418 Å) pada 2 θ dengan rentang antara 5-500 dan ukuran
partikel sampel 10 µm. Dengan demikian, sampel dapat diletakkan pada sampel holder.
3.5.2 Karakterisasi ukuran partikel nanotitania
Pengukuran partikel dari nanotitania dilakukan dengan metode LAS (laser diffraction). Sampel diambil dengan menggunakan sudip, kemudian dilarutkan dalam 3 mL etanol dan diaduk sampai homogen. Larutan kemudian dimasukan ke dalam tabung dengan tinggi larutan maksimum 15 mm. Setelah itu, sampel diukur
distribusi diameternya menggunakan Particle Size Analyzer (PSA). Pengoperasian PSA menggunakan sistem komputer. Langkah awal dalam menggunakan PSA adalah keran air dinyalakan, kemudian tombol on pada PSA dan komputer ditekan. Setelah komputer dan PSA menyala, program PSA yang terdapat pada komputer dipilih, selanjutnya dilakukan input keterangan data sampel. Kemudian sampel diteteskan perlahan dengan menggunakan pipet tetes. Indikator pada PSA akan menunjukkan warna hijau jika sampel yang diteteskan sudah cukup. Setelah indikator berwarna hijau akan muncul peak pada layar. Hal tersebut menunjukkan bahwa PSA sudah mulai menganalisis sampel.
3.6 Karakterisasi Struktur dan Ukuran Partikel Nanosilika
Identifikasi fasa dan struktur dari nanosilika dilakukan dengan teknik difraksi sinar-X, serbuk nanosilika sebanyak 1/
4 hasil sintesis dianalisis
menggunakan XRD dengan mesin Phillips X-Ray Diffractometer dengan sinar radiasi Cu Kα (λ = 1,5418 Å) pada 2 θ dengan rentang antara 5-500 dan ukuran
partikel sampel 10 µm. Dengan demikian, sampel dapat diletakkan pada sampel holder. Untuk mengetahui ukuran partikel dari nanosilika digunakan persamaan Scherrer sebagai berikut:
= cos θ , λ (3.1)
Dimana τ adalah ukuran kristalit rata-rata, λ adalah panjang gelombang X-ray, , adalah K yaitu faktor bentuk dengan nilai mendekati 1, θ adalah sudut difraksi dan β adalah pelebaran berdasarkan Full-Width at Half Maximum (FWHM) puncak difraksi dalam satuan radian (Yuwono dkk, 2011).
3.7 Pelapisan Pada Batu Andesit
Substrat batu andesit direndam dalam etanol kemudian diultrasonikasi selama 30 menit. Setelah itu, batu andesit dikeringkan pada suhu ruang hingga kering. Metode pelapisan senyawa kimia pada batu andesit dilakukan melalui metode dip coating. Hasil dari pelapisan diukur sudut kontaknya melalui uji sudut kontak. Pengaruh variasi komposisi mol nanosilika dan nanotitania, penambahan MTMS, variasi waktu perendaman, dan variasi model pencelupan dipelajari sebagai berikut.
3.7.1 Pengaruh variasi komposisi mol nanosilika dan nanotitania pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit
Larutan nanotitania yang telah dibuat pada prosedur 3.4.1 dan serbuk nanosilika yang telah dibuat pada prosedur 3.4.2 masing-masing ditambahkan dengan 20 mL etanol. Setelah itu, kedua larutan diaduk selama 30 menit, sehingga didapatkan larutan nanosilika dan larutan nanotitania dengan perbandingan mol nanosilika:nanotitania 3:7 ; 1:1 ; dan 7:3.
Tabel 3.1 Komposisi volume nanotitania dan massa nanosilika Komposisi
nanosilika:nanotitania
Massa
nanosilika nanotitania Volume
(g) (mL)
3:7 0,38 1,20
1:1 0,90 1,20
7:3 2,10 1,20
Pelapisan nanosilika/nanotitania layer by layer pada batu andesit dilakukan melalui metode dip coating. Batu andesit yang telah dicuci dengan etanol, dicelupkan pada larutan nanosilika. Kemudian dikeringkan menggunakan oven pada suhu 40˚C. Setelah itu, batu andesit dicelupkan kembali pada larutan
nanotitania. Kemudian dikeringkan pada suhu ruang selama 1 hari untuk mengeringkan lapisan nanosilika/nanotitania. Hasil pelapisan yang tebentuk diukur sudut kontaknya untuk menentukan besarnya kemampuan air dalam membasahai permukaan.
3.7.2 Pengaruh penambahan MTMS pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit
Pada pelapisan ini, digunakan penambahan metiltrimetoksisilan (MTMS) dengan tujuan agar dapat meningkatkan sifat superhidrofobisitas pada permukaan batu andesit. Penambahan MTMS layer by layer dilakukan melalui metode dip coating. MTMS dilapiskan pada permukaan buatu andesit sebelum pelapisan nanosilika/nanotitania optimum hasil dari variasi komposisi optimum. Masing-masing pencelupan ditambah proses perendaman selama 2 menit. Hasil pelapisan yang tebentuk diukur sudut kontaknya untuk menentukan besarnya kemampuan air dalam membasahai permukaan.
3.7.3 Pengaruh variasi waktu perendaman terhadap sudut kontak batu andesit
Pelapisan MTMS/nanosilika/nanotitania layer by layer melalui metode dip coating, ditambah proses variasi waktu perendaman selama 2, 5, 15, 30 dan 120 menit. Variasi waktu dilakuakan untuk mengetahui apakah lama perendaman dapat mengubah sudut kontak yang terbentuk. Hasil pelapisan yang tebentuk diukur sudut kontaknya untuk menentukan besarnya kemampuan air dalam membasahai permukaan.
Tetesan yang terbentuk pada permukaan batu difoto menggunakan kamera handphone. Hasil fotonya di analisis menggunakan software ImageJ untuk mengetahui sudut kontak yang terbentuk.
3.8.2 Karakterisasi MTMS-nanosilika-nanotitania
Batu andesit tanpa pelapisan dan dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitania diuji dengan Spektroskopi Infra Merah (FTIR) untuk mengetahui ikatan yang terbentuk. Sampel yang halus sebanyak 2-3 mg dicampurkan dengan 0,5-1 g KBr anhidrat. Campuran dimasukkan ke dalam Press Holder, divakum dan ditekan beberapa saat hingga terbentuk pelet. Pelet tersebut diletakkan pada
holder dan diukur vibrasi molekulnya pada bilangan gelombang 4000-500 cm-1.
3.8.3 Uji kekerasan batu andesit
Batu andesit tanpa pelapisan dan dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitaniadiuji kekerasannya dengan instrumen Vickers. Sampel diletakkan pada holder kemudian ditentukan titik indentasi dengan bantuan mikroskop. Selanjutnya batu andesit diberi beban 0,5 kgf dalam selang waktu tertentu. Penentuan nilai VH (Vickers Hardness) dihitung melalui persamaan berikut :
=1,8544 d2 (3.2)
3.9 Pembuatan Larutan Methyl Orange
3.9.1 Pembuatan larutan induk methyl orange 1000 ppm
Methyl orange sebanyak 1,000 g ditimbang dalam gelas beker dan dilarutkan dengan akuadem. Kemudian dipindahkan secara kuantitatif ke dalam labu ukur 1000 mL dan ditambahkan akuadem hingga tanda batas.
3.9.2 Pembuatan larutan standar methyl orange
Sebanyak 1,00 mL diambil dari larutan induk methyl orange dengan menggunakan buret ke labu ukur 10 mL dan ditambahkan akuadem sampai tanda batas sehingga diperoleh larutan standar methyl orange dengan konsentrasi 100 ppm. Dari larutan standar 100 ppm diambil 0,3; 0,5; 0,7; 0.9; dan 1,0 mL menggunakan buret ke labu ukur 10 mL dan ditambahkan akuadem sampai tanda batas sehingga diperoleh larutan standar methyl orange dengan konsentrasi berturut 3, 5, 7, 9, dan 10 ppm.
3.9.3 Penentuan panjang gelombang maksimum methyl orange
Larutan standart methyl orange dengan konsentrasi 10 ppm diukur absorbansinya dengan spektrofotometer UV-Vis untuk mendapatkan panjang gelombang maksimum dari larutan methyl orange. Panjang gelombang maksimum diperoleh dari absorbansi tertinggi dari pembacaan alat pada larutan methyl orange.
3.9.4 Pembuatan kurva standar methyl orange
Kurva standar methyl orange diperoleh dari pengukuran absorbansi pada larutan standar methyl orange 3, 5, 7, 9, dan 10 ppm. Pada masing-masing konsentrasi diukur absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum. Dari pengukuran tersebut diperoleh data absorbansi dari batu andesit dengan masing-masing larutan standar. Sehingga kurva standar antara absorbansi terhadap konsentrasi yang kemudian ditentukan persamaan garis regresi liniernya. Persamaan regresi linier secara umum : y = a +
cleaning dengan penyinaran UV. Selanjutnya, dilakukan pengamatan dan pengukuran absorbansi menggunakan spektrofotometer UV-Vis.
3.10.3 Cara menghitung prosentase zat warna terdegradasi
Untuk menentukan prosentase zat warna terdegradasi perlu dilakukan substitusi absorbansi zat warna awal dan sisa terlebih dahulu terhadap variabel y pada persamaan regresi linier y = a + bx. Selanjutnya, didapatkan nilai x yang merupakan konsentrasi zat warna. Dengan demikian, dapat ditentukan prosentase zat warna sisa :
at arna sisa=konsentrasi a t arna a alkonsentrasi a t arna sisa 1 (3.3) Sedangkan untuk menghitung prosentase zat warna terdegradasi :
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Nanotitania dan nanosilika merupakan senyawa yang umum digunakan sebagai material self cleaning. Kemampuan self cleaning dan sifat fotokatalitik dari senyawa nanotitania dan nanosilika dipelajari pada substrat batu andesit melalui hasil sudut kontak air dan degradasi methyl orange.
4.1 Sintesis Nanotitania
Nanotitania dapat disintesis dengan metode sol-gel. Metode tersebut digunakan karena prosesnya yang mudah, singkat, dan menggunakan suhu ruang sehingga menghasilkan titania berukuran nano (Widodo, 2010). Nanopartikel mengakibatkan morfologi permukaan semakin kasar sehingga dapat menyebabkan kenaikan hidrofobisitas permukaan material.
Bahan yang digunakan dalam sintesis ini adalah tetrabutil ortotitanat (TBOT) sebagai sumber Ti, etanol sebagai penghidrolisis TBOT, dan HCl sebagai katalis. Sintesis nanotitania dilakukan dengan mencampurkan TBOT ke dalam etanol dan diaduk selama 30 menit pada suhu kamar. Proses tersebut menghasilkan larutan tidak berwarna. TBOT terhidrolisis sempurna oleh etanol dengan reaksi sebagai berikut.
Setelah itu, ke dalam larutan ditambahkan tetes demi tetes HCl pekat sebagai katalisnya. Penambahan HCl dilakukan tetes demi tetes sambil diaduk agar tidak terjadi reaksi eksoterm. Proses tersebut tetap menghasilkan nanosol
4.4 Pelapisan pada Batu Andesit
Substrat batu andesit direndam dalam etanol kemudian diultrasonikasi selama 30 menit agar bersih dari pengotor. Setelah itu, batu andesit dikeringkan pada suhu ruang hingga kering. Metode pelapisan senyawa kimia pada batu andesit dilakukan melalui metode dip coating. Hasil dari pelapisan diukur sudut kontaknya dengan software imageJ. Pengaruh komposisi mol nanosilika dan nanotitania dipelajari dengan menggunakan variasi sebagai berikut.
4.4.1 Pengaruh variasi komposisi mol nanosilika dan nanotitania pada pelapisan terhadap sudut kontak batu andesit
Nanosol titania hasil sintesis dan suspensi nanosilika hasil sintesis masing-masing dilarutkkan dalam etanol. Kedua larutan tersebut diaduk selama 30 menit agar larutan menjadi stabil. nanosilika dan nanotitania dibuat dengan variasi perbandingan mol 3:7 ; 1:1; dan 7:3. Pelapisan nanosilika dan nanotitania pada batu andesit dilakukan dengan metode dip coating. Metode ini memiliki kelebihan yaitu dengan 1 kali pencelupan membuat lapisan menjadi lebih rata (Previta, 2013). Batu andesit yang telah dicuci dengan etanol, dicelupkan pada suspensi nanosilika. Kemudian dikeringkan menggunakan oven pada suhu 40˚C agar lapisan yang terbentuk melekat dan kering. Setelah itu, batu andesit dicelupkan kembali pada nanosol titania. Kemudian dikeringkan pada suhu ruang selama 1 hari. Pelapisan yang tebentuk dinotasikan sebagai nanosilika/nanotitania.
Hasil pelapisan diukur sudut kontaknya untuk menentukan besarnya kemampuan air dalam membasahi permukaan. Hasil pengukuran batu andesit yang dilapisi nanosilika/nanotitania 3:7 ; 1:1; dan 7:3 masing-masing sebesar
4.6 Ketahanan Mekanik Batu Andesit
Silika telah lama digunakan sebagai konsolidan pada batuan (Doehne dkk, 2010). Oleh karena itu, untuk mengetahui peran silika dalam MTMS-nanosilika-nanotitania sebagai konsolidan pada batu andesit, maka dilakukan pengujian dengan instrumen Vickers. Ketahanan mekanik suatu material dapat dilihat dari kekerasannya. Nilai kekerasan dilihat diperoleh dari besaran Vickers Hardness (VH). Hasil uji didapatkan nilai VH pada batu adesit tanpa pelapisan dan dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitania masing-masing sebesar 149,5 dan 337,7 VH.
Dari hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa batu andesit dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitania lebih keras dibandingkan dengan batu andesit tanpa pelapisan. Silika pada MTMS-nanosilika-nanotitania mengisi kekosongan pori pada batu andesit, sehingga ikatan dalam batu menjadi lehih kuat. Hal ini membuktikan bahwa silika pada batu andesit yang dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania berfungsi sebagai konsolidan sama seperti yang dikemukakan Pinho dkk (2013) dimana silika dapat mengkonsolidasi batuan dolomit.
4.7 Uji Kemampuan Self Cleaning
Batu andesit yang telah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania diuji kemampuan self cleaning. Pada pengujian ini digunakan senyawa pencemar organik yaitu methyl orange. Methyl orange merupakan salah satu pencemar organik yang biasa ditemui pada limbah industri tekstil.
4.7.1 Penentuan panjang gelombang maksimum methyl orange
Penentuan nilai panjang gelombang maksimum diperoleh dari pengukuran absorbansi maksimum larutan standart methyl orange pada konsentrasi 10 ppm. Panjang gelombang maksimum diukur menggunakan alat spektrofotometer UV-Vis pada daerah visibel yaitu 380-780 nm. Hasil dari pengukuran, didapatkan panjang gelombang maksimum methyl orange sebesar 465 nm. Panjang gelombang ini selanjutnya digunakan untuk pengukuran kurva standar dan kadar methyl orange yang tersisa dari proses degradasi.
4.7.2 Penentuan kurva standar methyl orange
Pembuatan kurva standar methyl orange dilakukan dengan variasi konsentrasi larutan 3, 5, 7, 9, dan 10 ppm dari larutan induk 1000 ppm. Larutan standar diukur nilai absorbansinya dengan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 465 nm. Hasil dari nilai absorbansi digunakan untuk menentukan persamaan regresi linier dalam bentuk persamaan y = bx + a.
y = 0,0789x - 0,0314 R² = 0,9983 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0 2 4 6 8 10 12 A bs or ban si Konsentrasi (ppm)
Hasil dari analisis data, didapatkan regresi linier y = 0,0789x - 0,0314 dengan R² = 0,9983. Persamaan regresi linier digunakan untuk menentukan konsentrasi sampel methyl orange sisa dari proses degradasi uji self cleaning dengan cara memasukkan nilai absorbansi pada fungsi y.
4.7.3 Pengaruh waktu penyinaran dalam uji self cleaning
Waktu optimum degradasi methyl orange dipelajari dengan variasi waktu selama 1, 2, 3, 4, 5, 15, 36, dan 48 jam untuk mengetahui waktu optimum uji self cleaning pada batu andesit. Batu andesit yang telah dilapisi dengan MTMS-nanosilika-nanotitania ditetesi methyl orange pada permukaannya. Kemudian dilakuakan irradiasi sinar ultraviolet pada reaktor UV. Kemampuan self cleaning dapat dibuktikan melalui absorbansi hasil pegukuran dengan spektrofotometer UV-Vis secara kuantitatif. Hasil pengukuran absorbansi methyl orange disubstitusikan ke dalam persamaan regresi linier larutan standar sehingga didapatkan prosentase methyl orange terdegradasi.
Prosentase methyl orange terdegradasi untuk batu andesit yang telah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania dengan variasi waktu 1, 2, 3, 4, 5, 15, 36, dan 48 jam masing-masing sebesar 18,45; 24,54; 35,69; 39,11; 47,86; 57,87; 81,44; dan 91,46%. Hal ini menunjukkan semakin lama waktu penyinaran, maka semakin banyak prosentase methyl orange yang terdegradasi.
Selama proses fotokatalitik berlangsung, sangat dibutuhkan adanya sinar UV. Hal ini dikarenakan cahaya dari sinar UV diperlukan untuk mengaktifkan sifat fotokatalitik dari nanotitania sehingga terjadi perubahan kimia. Ketika energi yang diserap nanotitania lebih besar atau sama dengan energi gapnya, maka
batu andesit terlapisi MTMS-nanosilika-nanotitania selama 5 dan 48 jam ditempat gelap sebesar 1,85 dan 7,81%. Jika dibandingkan dengan uji self cleaning dengan sinar UV selama 5 dan 48 jam, hasilnya sangat jauh dengan selisih 46,01 dan 83,65%. Dengan demikian uji self cleaning pada batu andesit yang telah dilapisi MTMS-nanosilika-nanotitania didominasi oleh sifat fotokatalitik bukan sifat absorpsi. Adanya prosentase methyl orange terdegradasi pada uji self cleaning ditempat gelap menunjukkan bahwa komposit MTMS-nanosilika-nanotitania pada permukaan batu andesit memiliki kemampuan penyerapan methyl orange yang rendah.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut.
1. Karakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan nanotitania dan nanosilika memiliki struktur amorf. Hasil karakterisasi Particle Size Analyzer (PSA) menunjukkan ukuran partikel titania adalah nano yaitu 14,54 nm. Dari persamaan Scherrer didapat ukuran nanosilika yaitu 0,58 nm.
2. Variasi komposisi mol nanosilika/nanotitania 3:7 ; 1:1; dan 7:3 menghasilkan sudut kontak berurutan sebesar 23,90; 25,39; dan 39,22˚ sehingga permukaan batu andesit bersifat hidrofil. Variasi waktu perendaman pada batu andesit yang dilapisi MTMS/nanosilika/nanotitania selama 2, 5, 15, 30, dan 120 menit menghasilkan sudut kontak berurutan sebesar 132,30; 150,06; 136,84; 125,08; dan 125,90˚ sehingga permukaan batu andesit bersifat hidrofob. Variasi model pelapisan MTMS/nanosilika/nanotitania layer by layer dan komposit MTMS-nanosilika-nanotitania menghasilkan sudut kontak masing-masing sebesar 150,06 dan 169,76˚, sehingga permukaan batu andesit yang dilapisi komposit MTMS-nanosilika-nanotitania bersifat superhidrofob.
3. Karakterisasi dengan Spektroskopi Infra Merah (FTIR) menunjukkan adanya interaksi antara nanotitania dan nanosilika melalui ikatan Ti-O-Si pada bilangan gelombang 985,17 cm-1. Nilai kekerasan batu andesit yang
tanpa dan dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitania masing-masing sebesar 149,5 dan 337,7 VH.
4. Prosentase methyl orange terdegradasi pada batu andesit dengan pelapisan MTMS-nanosilika-nanotitania secara optimum selama 48 jam sebesar 91,46%.
5.2 Saran
Saran untuk penelitian ini adalah adanya penelitian lebih lanjut dengan MTMS-nanosilika-nanotitania yang dilapiskan pada batu andesit dengan variasi pelapisan yang lebih rata sehingga mempermudah dalam karakterisasi. Pengujian life time dari lapisan MTMS-nanosilika-nanotitania. Penggunaan noda yang bervariasi. Serta adanya komposisi optimum dalam uji self cleaning agar didapatkan waktu yang singkat dalam proses degradasi.
