BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Keramik
Struktur kristal keramik (terdiri dari berbagai ukuran atom yang berbeda atau minimal
terdiri dari 2 jenis unsur) merupakan salah satu yang paling kompleks dari semua
struktur bahan. Ikatan antara atom-atom ini umumnya ikatan kovalen (berbagi
elektron, sehingga ikatan ini kuat). Ikatan ion juga lebih kuat dari pada logam,
akibatnya sifat seperti kekerasan dan ketahanan panas dan listrik secara signifikan
lebih tinggi keramik dari pada logam. Keramik dapat berikatan kristal tunggal atau
dalam bentuk polikristalin. Ukuran butir mempunyai pengaruh besar terhadap
kekuatan dan sifat-sifat keramik, ukuran butir yang halus (sehingga dikatakan
keramik halus), semakin tinggi kekuatan dan ketangguhannya. Karena ikatan keramik
pada umumnya ion dan kovalen sehingga tidak ada elektron bebas.
2.2 Material Komposit
Material komposit adalah material rekayasa yang dibuat dari pencampuran dua atau
lebih material untuk menciptakan sebuah kombinasi sifat material yang baru dan
unik. Definisi di atas lebih umum dan dapat meliputi paduan metal, plastic copolymer, bahan tambang dan kayu. Material komposit berpenguat serat berbeda dari material di atas, yang di dalamnya, material pendukungnya berbeda pada tingkat
pendukung bekerja sama tetapi tetap dalam sifat aslinya. Sifat akhir dari material
komposit lebih baik dari pada sifat material pendukungnya. Komposit didefinisikan
sebagai sebuah kombinasi dari dua atau lebih komponen yang berbeda dalam bentuk
atau komposisi pada skala makro, dengan dua atau lebih phasa yang berbeda yang
mempunyai ikatan antarmuka yang diketahui antara dua komponen tersebut ( Agus
Edi Pramono, 2012).
Metode efektif untuk meningkatkan kekuatan dan memperbaiki sifat
keseluruhan adalah dengan menyatukan phasa serbuk atau serat yang ditebarkan ke
dalam matriks. Komposit umumnya dikelompokkan pada dua tingkat berbeda.
Kelompok pertama dibuat berdasarkan pendukung matriksnya. Kelompok komposit
utama meliputi komposit matriks organik, komposit matriks metal, dan komposit matriks keramik. Istilah “komposit matriks organik” umumnnya dipahami meliputi
dua kelompok yaitu: komposit matriks polimer dan komposit matriks karbon
(umumnya ditunjukkan sebagai komposit karbon - karbon). Komposit matriks karbon
sebenarnya dibentuk dari komposit matriks polimer melalui pemasukan langkah
ekstra dari karbonisasi dan densifikasi matriks polimer asal. Kelompok kedua
merujuk pada bentuk penguatnya, misalnya penguat serbuk. Dengan perbedaan
material penyusun komposit, maka antara matriks dan penguat harus saling
berinteraksi antar muka (interface), sehingga perlu ada penambahan material katalis. Pada material komposit serat berfungsi untuk memperkuat matriks berfungsi untuk
melindungi serat dari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan (impact).
a. Sub-Mikro yang artinya molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang
disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh: senyawa, paduan
(alloy) dan keramik).
b. Mikrostruktur yang artinya pada kristal, fase dan senyawa, bila material
disusun dari dua fase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh;
paduan Fe dan C)
c. Makrostruktur yang artinya material yang disusun dari campuran dua atau
lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk komposisi dan tidak larut
satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makro ini
yang biasanya dipakai dalam mendefenisikan pengertian dari material
komposit).
Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yaitu sebagai berikut:
1. Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu
2. Mempermudah design yang sulit pada manufaktur
3. Keleluasaan dalam bentuk/design yang dapat menghemat biaya
4. Menjadikan bahan lebih ringan
Material komposit dibentuk dari material penguat yang disisipkan dalam
matriks perekat. Penyusun komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa yaitu matriks
dan filler.Matriks yang didefenisikan sebagai fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Dimana fungsi matriks pada komposit
adalah sebagai berikut.
2. Pemisah antar penguat dan juga mencegah timbulnya perambatan crack dari satu penguat dengan penguat lainnya.
3. Pemberi ketangguhan, kekuatan geser dengan mentransmisikan dan
mendistribusikan ke penguat.
4. Sebagai penentu stabilitas bentuk dan ketahanan terhadap temperatur.
5. Mengikat partikel penguat agar bisa menyatu dengan matriks melalui sifat
adhesi dan kohesi.
Untuk mencapai fungsi tersebut matriks yang digunakan memiliki ductility yang tinggi, modulus elastisitas lebih rendah dari penguat serta memiliki ikatan yang
bagus antara matriks dan penguat. Filler atau fiber adalah satu bagian utama dari komposit yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit. Penguat
(reinforcement/filler) memiliki fungsi sebagai:
1. Memperbaiki sifat dari matriks sehingga sifat material komposit lebih baik
dari sifat matriks.
2. Sebagai penguat atau penganggung beban utama pada komposit.
3. Untuk memberikan kekakuan, kekuatan, stabilitas panas, dan sifat struktur
lainnya dalam komposit.
4. Menyediakan penghantaran atau insulasi elektrik, tergantung pada jenis serat
atau serbuk yang digunakan.
Adanya dua penyusun komposit atau lebih menimbulkan beberapa daerah dan
istilah penyebutannya; Matrik (penyusun dengan fraksi volume terbesar), Penguat
dari material penyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan
kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent.
Material komposit terdiri dari dua penyusun utama yaitu matriks dan penguat
(reinforcement/filler). Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama :
a. Interlocking antar permukaan → ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel.
b. Gaya elektrostatis → ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion).
c. Gaya vanderwalls → ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel.
Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel
antara lain: ukuran partikel, rapat jenis bahan yang digunakan, fraksi volume
material, komposisi material, bentuk partikel, kecepatan dan waktu pencampuran,
penekanan (kompaksi), pemanasan (sintering).
Berdasarkan bahan matriks yang digunakan, maka komposit dapat
diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu :
a. Komposit matriks polimer (Polymer Matrix Composite)
Bahan ini merupakan bahan yang paling sering digunakan atau sering disebut
dan jenis serat tertentu sebagai penguat, seperti : serat kaca, karbon dan
aramid (kevlar).
b. Komposit matriks logam (Metal Matrix Composite)
Bahan ini pada umumnya menggunakan suatu logam seperti aluminium (Al)
sebagai matrik dan penguatnya dengan serat silikon carbida (SiC)
c. Komposit matriks keramik (Composite Matrix Ceramics)
Material komposit ini biasanya digunakan pada lingkungan bertemperatur
tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan
serat pendek atau serabut - serabut (whisker) yang terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida.
Dari tiga bahan matriks yang digunakan ada beberapa kelebihan dan
kekurangan yang dirincikan dalam sebuah tabel sebagai berikut.
Tabel 2.1. Kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks
Jenis Komposit Kelebihan Kekurangan
PMC
(Polymer Matrix Com-posite)
1. Bobot ringan 2. Ketangguhan baik
3. Fabrikasi dan pembentukan yang mudah
3. Konduktivitas listrik dan panas yang baik
(Ceramics Matrix Com-posite)
sangat tinggi (>2000o C) 2. Densitas rendah
3. Elastik modulus besar 4. Ketangguhan hampir sama
dengan cast iron
2. Ketahanan mekanikal dan thermal shock buruk
3. Relatif mahal
4. Sulit diproduksi dalam jumlah besar
Sedangkan berdasarkan jenis penguatnya, maka material komposit dapat
dijelaskan sebagai berikut :
a. Particulate composite, penguatnya berbentuk partikel b. Fibre composite, penguatnya berbentuk serat
c. Structural composite, penguatnya berbentuk lapisan
Adapun ilustrasi dari komposit berdasarkan penguatnya dapat dilihat pada
gambar berikut.
Gambar 2.1 Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya
Komposit isotropik adalah komposit yang penguatnya memberikan penguatan
yang sama untuk berbagai arah (baik dalam arah transversal maupun longitudinal)
sehingga segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan mempunyai nilai
kekuatan yang sama. Sebaliknya komposit anisotropik adalah komposit yang
segala pengaruh tegangan atau regangan dari luar akan mempunyai nilai kekuatan
yang tidak sama (baik arah transversal maupun longitudinal).
2.2.1 Keramik Matriks Komposit
Keramik Matriks Komposit (KMK) merupakan material yang terdiri dari 2
fasa dengan 1 fasa berfungsi sebagai reinforcement (penguat) dan 1 fasa sebagai matriks yang mengandung fasa inklusi sekunder. Fasa inklusi sekunder ini dapat
berupa fiber, whisker, platelet atau partikulat. Reinforcement yang umum digunakan pada KMK adalah oksida, carbide, dan nitrid. Sedangkan matriks yang sering
digunakan adalah gelas anorganic, keramik gelas, alumina, 32tructu 32tructu dan
lain-lain. Selain itu, KMK merupakan material yang memiliki nilai modulus Young
(stiffness) yang tinggi. Material tersebut memiliki kekuatan kompresi yang baik dan sedikit lebih padat dibandingkan dari kebanyakan logam 32tructural. Penggunaan
KMK sangat terbatas pada aplikasi 32tructural, yang disebabkan oleh kerapuhan,
ketahanan patahan yang rendah, sensitivitas terhadap cacat, dan kekuatan tarik yang
sangat rendah pada kondisi bulk.
Hal utama yang mempengaruhi sifat komposit adalah bentuk dari fasa inklusi
sekunder. Komposit dengan fiber yang kontinu memiliki kemungkinan lebih kuat
dan tangguh dibandingkan yang mengandung partikulat. Sedangkan komposit yang
mengandung whisker dan platelet sebagai fasa inklusi sekundernya berada pada daerah transisi fiber yang kontinu dengan partikulat (Pramono, 2008).
Komposit matriks keramik yang diperkuat dengan fiber kontinu menunjukkan
ketangguhan perpatahan material lebih dari 20 MPa apabila antara fiber dan matriks terbentuk antarmuka yang lemah. Sedangkan komposit matriks keramik yang
diperkuat partikulat atau whisker, menunjukan ketangguhan perpatahan material tersebut berkisar 10 MPa atau lebih.
Kekuatan meningkat seiring dengan peningkatan fraksi volum partikel
terdispersi dan akan menurun seiring menurunnya faksi volum partikel terdispersi.
Kekuatan dipengaruhi oleh jarak partikel dan sistem yang mengandung kekosongan
disebabkan ujung retakan mengalami penumpulan yang terlokalisir pada kekosongan
(Low, 2006).
Gambar 2.2 Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi (Low, 2006)
Pada Gambar 2.2 ditunjukkan ilustrasi retakan yang melengkung diantara dua
partikel terdispersi. Jarak antara partikel memegang peranan terhadap peningkatan
fraksi muka retakan per satuan penambahan panjangnya. Dengan asumsi energi
perpatahan tidak hanya bergantung pada luas permukaan yang baru terbentuk saja,
Mekanisme defleksi retakan yang meningkatkan ketangguhan keramik disebabkan
adanya tegangan sisa disekitar partikel sekunder yang yang terdispersi (Sahari, 2010).
Gambar 2.3 Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat adanya tegangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal
Pada Gambar 2.3 ditunjukan resultan tegangan tarik yang terjadi pada matriks
menyebabkan terjadinya defleksi retakan disekitar partikel yang membuat
peningkatan pada kekuatan dan ketangguhan patahan. Tegangan sisa pada partikel
terdispersi akibat koefisien muai termal yang berbeda terjadi saat pendinginan pada
proses termal. Tegangan sisa secara spontan menyebabkan retakan mikro.
Mekanisme dari retakan mikro diawali dari munculnya retakan mikro pada ujung
retakan.
Mekanisme lainnya adalah ketangguhan akibat dari perubahan fasa material.
Perubahan fasa mengakibatkan perubahan volume dan morfologi partikel diujung
retakan, dan mengubah distribusi tegangan. Peningkatan ketangguhan perpatahan
dihasilkan oleh tegangan sisa kompresi pada ujung retakan.
Energi perpatahan yang tinggi diperoleh ketika fiber yang panjang menjulur
sepanjang permukaan perpatahan, karena tegangan antara fiber dengan matriks
akan mengakibatkan lepasnya fiber dari matriks. Perpindahan tegangan yang serupa
antara permukaan retakan juga terjadi pada keramik polikristalin. Tegangan yang
dijembatani dihasilkan oleh berbagai proses mikro, seperti interlocking gesekan, jembatan fiber dan tarikan geser (Ramlan, 2007).
2.2.3 KMK (Keramik Matriks Komposit) Diperkuat dengan Partikulat
KMK yang diinklusi oleh partikulat isotropik dapat memberikan sifat material
yang baik dan isotropik secara 3 dimensi. Material seperti ini memiliki kekuatan
tarik dan kelenturan dan ketangguhan patahan yang lebih rendah dibandingkan
dengan KMK yang diperkuat dengan fiber kontinu. Karakteristik mekanik dari KMK
yang mengandung patikulat, berasal dari interaksi antara material inklusi dengan
material matriks. Pada komposit yang mengandung partikulat, terjadi interaksi kimia
dan perubahan pada koefisien muai termal antara matriks dan inklusinya. Sedangkan
mekanisme patahan KMK yang diperkuat menggunakan partikulat umumnya serupa
dengan matriksnya dibandingkan KMK yang diperkuat fiber kontinu. Mekanisme patahan KMK ini ditampilkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Grafik hubungan stress-strain untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat
Tabel 2.2 Aplikasi potensial untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat
Pada Tabel 2.2 disajikan aplikasi potensial KMK yang diperkuat partikulat
pada bidang tertentu. Pada KMK diperkuat partikulat sangat menjanjikan untuk
pengembangan komposit dengan biaya yang rendah. Produk yang dihasilkanpun
menarik secara komersil karena biaya yang efektif dan secara teknis mempunyai
kehandalan yang tinggi. KMK inipun sangat luas penggunaannya baik untuk industri
ataupun domestik.
2.2.4 Pembuatan KMK (Keramik Matriks Komposit)
Proses pembuatan KMK harus bertujuan untuk meningkatkan efektifitas biaya
dalam membuat produk sampai bentuk akhirnya. Prosedur pembuatan KMK
memerlukan sinter antara paduan matriks dengan inlkusinya. Selain itu permasalahan
yang muncul dalam pembuatan komposit dalah masalah densifikasi. Teknik
densifikasi komposit akan berbeda untuk tiap-tiap jenis inklusi pada komposit, Tabel
2.3 menunjukkan teknik densifikasi yang mungkin dilakukan untuk tiap-tiap jenis
inklusi.
Tabel 2.3. Teknik densifikasi untuk komposit matriks keramik
Inklusi Teknik
HAP HUP HIP
Partikulat
Platelet Kandungan platelet rendah
Whisker
Fiber Kontinu
Matrik dari serbuk
Matrik dari larutan
Keterangan:
a. HAP(hot atmospheric pressure processing): Proses panas dengan tekanan atmosfer
b. HUP (hot uniaxial pressure processing) : Proses panas dengan tekanan uniaxial c. HIP (hot isostatic pressure processing) : Proses panas dengan tekanan isostatik
Pembuatan komposit yang mengandung partikulat sering menggunakan
tekanan atmosfer. Material inklusi yang terarah akan meningkatkan densifikasi pada
meminimalisasi porositas komposit dengan inklusi whisker dan fiber kontinu dengan matriks yang dibuat dari serbuk, sangat diperlukan prosedur penekanan panas.
Sintering dengan tekanan atmosfer seringkali digunakan dalam pembuatan komposit
yang mengandung platelet yang jumlahnya rendah, sedangkan untuk memperoleh
komposit dengan porositas yang rendah pada platelet dengan jumlah yang tinggi,
pembuatannya dapat menggunakan prosedur dengan penekanan panas.
Matriks dari serbuk dengan inklusi fiber kontinu dapat dibuat dengan
berbagai teknik seperti penekanan, slip-casting, ekstrusi dan tape-casting. Bentuk produk kompleks yang dapat dipenuhi sangat terbatas pada komposit dengan inklusi
whisker dan fiber dengan matriks dari serbuk dengan penekanan panas unidirectional. Pembuatan produk dengan bentuk yang kompleks dari serbuk sangat memerlukan penggunaan penekantan panas isostatik.
2.2.5 Ikatan Antar Muka
Ikatan antar muka merupakan ikatan yang terbentuk antara dua fasa yang
berbeda. Dimana antarmuka memiliki fungsi sebagai media transfer beban dari
matriks ke penguat. Ikatan antar muka mempengaruhi kekuatan, kekakuan, ketahanan
mulur dan degredasi akibat lingkungan pada komposit. Ada beberapa ikatan yang
terjadi pada antarmuka komposit :
a. Mechanical bonding
Ikatan mekanik paling efektif ketika ketika gaya dikenakan searah dengan
besar interlocking yang terjadi pada kedua permukaan. Sehingga kekuatan geser lebih berpengaruh daripada kekuatan tarik.
b. Electrostatic bonding
Ikatan ini terjadi ketika permukaan matriks dan penguat memiliki muatan
yang berbeda dimana yang satu positif dan yang satu negatif. Ikatan
elektrostatik akan efektif apabila jarak keduanya pendek dan bergantung pada
kerapatan muatan.
c. Chemical bonding
Ikatan kimia terbentuk antara gugus kimia pada permukaan penguat dan
gugus harmonik pada matriks.
d. Interdiffusion bonding
Ikatan yang terjadi pada dua permukaan polimer, dimana molekul polimer
yang satu akan terdifusi pada jaringan molekul permukaan lainnya.
2.2.6 Aplikasi KMK Sebagai Elektroda
Elektroda merupakan suatu material yang berfungsi sebagai material perantara
dalam menghantarkan arus listrik. Secara konvensional elektroda yang sering
digunakan adalah elektroda pelat logam (sebagai bahan konduktor) seperti logam
aluminium (Al), tembaga (Cu), timbal (Pb), seng (Zn), kuningan, besi (Fe), baja dan
lain-lain. Kemampuan elektroda dipengaruhi oleh nilai konduktivitas listriknya (σ)
dalam menghantarkan arus listrik. Konduktivitas listrik dipengaruhi oleh kerapatan
struktur atom logam, jumlah muatan elektron,ikatan antar atom dan tingkat
kemurniannya. Beberapa nilai konduktivitas logam sebagai berikut.
Tabel 2. 4. Konduktivitas listrik berbagai logam dan paduannya pada suhu kamar
Akan tetapi elektroda dari plat logam memiliki beberapa kekurangan
sehingga untuk dibuat material yang mampu menutupi kekurangan elektroda pelat
logam tersebut yaitu komposit matriks keramik. Dimana dipenelitian ini, komposit
matriks keramik disusun oleh dua material yaitu material CuO sebagai matriksnya
serta material ZnO sebagai fillernya atau penguatnya. Adapun beberapa kelebihan
dan kekurangan dari elektroda plat logam dengan elektroda komposit matrik keramik.
Jenis Logam Dan Paduan Konduktivitas Listrik (S/cm)
Perak (Ag) 6,8 x 107
Tembaga (Cu) 6,0 x 107
Emas (Au) 4,3 x 107
Alumunium (Al) 3,8 x107
Kuningan (70% Cu-30% Zn) 1,6 x107
Besi (Fe) 1,0 x107
Tabel 2.5 Kelebihan dan kekurangan elektroda plat logam dengan elektroda komposit matrik keramik
2.2.7 Material Penyusun Komposit
Pada penelitian ini, jenis matriksnya berupa serbuk CuO dan penguatnya
berupa serbuk ZnO.
2.2.7.1 CuO (Copper II Oxide)
Jenis Elektroda Kelebihan Kekurangan
CuO merupakan senyawa keramik yang paling sederhana yang terdiri dari
atom logam dan non logam dalam jumlah yang sama. CuO juga merupakan oksida
basa sehingga mudah larut dalam asam mineral seperti asam klorida dan asam sulfat
sehingga membentuk garam-garam tembaga (II). Seperti halnya keramik pada
umumnya ikatan CuO terbentuk oleh ikatan ion dan kovalen.
Gambar 2.5 Struktur kristal material CuO
Ikatan ion CuO, dua elektron dipindahkan dari atom Cu ke atom O sehingga
menghasilkan kation (Cu2+) dan anion (O2-). Ikatan kovalen CuO dimana pada hal ini
elektron valensi dipakai bersama dan terjadi pembagian elektron valensi. Senyawa
CuO (Tembaga II Oksida) memiliki karakteristik .
Tabel 2.6 Karakteristik CuO (Copper Oxide)
Struktur Kristal Monoklinik
Parameter Kisi a = 4,68γ7 Å α = 90° b = γ,4ββ6 Å = 99,54° c = 5,1β88 Å = 90° Energi Gap 1,2 - 1,9 eV , Tidak Tembus Cahaya
Konstanta Dielektrik 18,1
Titik Leleh 1201°C + (1474 K)
Kerapatan 6,31 gram/cm3
Mobilitas Hole 0,1-10 cm2/Vs
Massa Efektive Hole 0,24 mo
2.2.7.2Material ZnO
Material ZnO banyak terdapat dialam berbentuk mineral zincite. ZnO hampir tidak larut dalam air dan alkohol akan tetapi larut dalam basa. Pada struktur kristal,
ZnO mempunyai sifat piezoelektrik dan termikromik. ZnO merupakan salah satu
bahan kandidat yang telah menarik perhatian karena memiliki lebar celah pita energi
sebesar 3.3 eV pada suhu kamar (Gupta, 2007). Oleh karena itu, ZnO merupakan
bahan yang penting untuk laser UV dan devais optoelektronik, dan juga ZnO
memiliki sifat listrik dan optik sehingga banyak digunakan sebagai fotokonduktor dan
sensor terintegrasi.
Seng Oksida (ZnO) merupakan salah satu persenyawaan dari logam Zn yang
tergolong senyawa oksida. Secara umum, ZnO dapat dibuat dengan mereaksikan
logam Zn dan oksigen pada suhu tinggi.
ZnO terjadi sebagai bubuk putih umumnya dikenal sebagai seng putih atau
sebagai zincite mineral. Mineral biasanya berisi sejumlah unsur mangan dan lainnya dan kuning ke warna merah. Oksida seng kristal termo-kromat, berubah dari putih ke
kuning ketika dipanaskan dan di udara beralih ke putih pada pendinginan. Perubahan
warna seperti ini terjadi karena perbedaan temperatur dikenal sebagai sifat
termokromik. Perubahan warna seng oksida tersebut karena pemanasan, beberapa
atom oksigen hilang dari kisi kristalnya sehingga meninggalkan kisi kristal dalam
kelebihan muatan negatif (elektron) dapat di pindahkan melalui kisi kristal dengan
perbedaan potensial. Jadi, seng oksida ini bersifat sebagai semikonduktor. Pada
pendinginan, atom - atom oksigen yang keluar dari kisi pada pemanasan tersebut
kembali lagi ke posisi semula sehingga diperoleh warna semula.
Gambar 2.6 Struktur kristal material ZnO
Seng Oksida (ZnO) merupakan kristal senyawa ionik terdiri atas
kation-kation dan anion-anion yang tersusun secara teratur dan berulang (periodik). Pola
susunan yang teratur dan berulang dari ionion yang terdapat dalam suatu kristal
menghasilkan kisi kristal dengan bentuk struktur tertentu. Seng Oksida mempunyai
struktur intan dengan jaringan ikatan kovalen. Berdasarkan struktur tersebut, ikatan
kimia antara atom Zn dan atom O cenderung mengarah kepada ikatan ion karena
kuatnya sistem polarisasi antara kedua atom tersebut. Ikatan Zn-O menyebabkan
atom Zn menjadi sangat positif dan atom O menjadi sangat negatif. Tetapi pada
akhirnya, kedua atom tersebut membentuk molekul yang netral. Kisi heksagonal
yang simetrinya hexagonal, dikarenakan ada 12 ion oksigen (O2-) yang berada ditiap
sudut atas dan bawah yang membentuk suatu prisma heksagonal. Setiap ion Zn2+
maupun O2- merupakan pusat tethahedral dari keempat ion tetangganya.
Tabel 2.7. Karakteristik ZnO (Zinc Oxide) Sifat-Sifat Keramik ZnO Nilai (Satuan)
Konstanta kisi pada T = 300o C a0 = 0.32469 nm; c0 = 0.52069 nm
Densitas 5,606 g/cm3
Konstanta Dielektrik 8,66
Energi Gap 3,4 eV
Konstanta Pembaawa Intrinsik < 106 cm-3
Energi Ikat Eksiton 60 MeV
Titik Leleh 2248o C
Massa Efektif Lubang 0,59
Massa Efektif Elektron 0,24
Mobilitas Lubang 5-50 cm2/Vs
Densitas merupakan pengukuran massa suatu benda per unit volume. Dimana
pengujian densitas dengan ASTM C 373-88 untuk geometri material yang berbentuk
seperti silinder, kubus atau balok dapat dihitung dengan persamaan :
Dimana :
ρ : Densitas (kg/m3)
V : Volume sampel (m3)
b. Porositas
Pengujian porositas ini bertujuan untuk mengetahui banyaknya pori-pori suatu
material yang menyusunnya. Berdasarkan ASTM C-373-88 uji ini dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Dimana :
Ρair : Densitas (kg/m3)
mk : Massa kering sampel (kg)
mj : Massa basah sampel (kg)
V : Volume sampel (m3)
2.2.8.2 Karakterisasi Sifat Mekanik a. Kuat Tekan
Kekuatan tekan suatu material didefenisikan sebagai kemampuan material
dalam menahan beban/gaya mekanis sampai terjadinya kegagalan (failure). Kuat
tekan suatu bahan merupakan perbandingan besarnya beban maksimum yang dapat
ditahan beban. Untuk pengukuran kuat tekan mengacu pada standard ASTM C –
Dimana :
P : Kuat Tekan (N/m2)
Fmax : Gaya Maksimum (N)
A : Luas permukaan benda (m2)
b. Kekerasan
Kekerasan adalah ketahanan material terhadap deformasi plastik yang
diakibatkan tekanan atau goresan. Pengujian ini mengacu ASTM E-384 dengan
metode Vickers dengan persamaan :
Dimana :
Hv : Nilai Kekerasan (MPa)
D : Panjang diagonal rata-rata jejak bujur sangkar (m)
F : Beban (kg.m/s2)
2.2.8.3 Karakterisasi Sifat Listrik
a. Konduktivitas Listrik
Konduktivitas listrik adalah ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk
menghantarkan arus listrik. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah dengan
eksperimen digunakan metode 4 probe. Alat ukur ini didasarkan pada 4 buah probe
dengan 2 probe berfungsi untuk mengalirkan arus listrik dan 2 probe yang lain untuk
mengukur tegangan listrik sewaktu probe - probe tersebut dikenakan pada bahan.
Hasil pengukuran menggunakan I-V meter menunjukkan kurva Ohm pada
grafik I-V sesuai hukum ohm. Pertama memploting data V –Vs- I dengan excel untuk
memperoleh persamaan garis miring grafik
Dimana m (gradient) merupakan resistansi (R) dari bahan yang diuji.
Rumus resistivitas adalah:
Setelah itu diperolehlah besar konduktivitas listrik dengan rumus :
Dimana :
ρ : Hambatan jenis bahan (Ωm)
L : Jarak antar anoda katoda (m)
R : Hambatan (ohm)
A : Luas penampang keramik (m2)
Spektrofotometri ini merupakan gabungan antara spektrofotometri UV dan
Visible. Menggunakan dua buah sumber cahaya berbeda, sumber cahaya UV dan
sumber cahaya visible. Meskipun untuk alat yang lebih canggih sudah menggunakan
hanya satu sumber sinar sebagai sumber UV dan Vis, yaitu photodiode yang
dilengkapi dengan monokromator. Untuk sistem spektrofotometri, UV-Vis paling
banyak tersedia dan paling popular digunakan
Spektrofotometri UV-Vis adalah pengukuran serapan cahaya di daerah
ultraviolet (200–350 nm) dan sinar tampak (350 – 800 nm) oleh suatu senyawa.
Serapan cahaya uv atau cahaya tampak mengakibatkan transisi elektronik, yaitu
promosi elektron-elektron dari orbital keadaan dasar yang berenergi rendah ke orbital
keadaan tereksitasi berenergi lebih tinggi.
Absorbsi cahaya UV-Vis mengakibatkan transisi elektronik, yaitu promosi
elektron-elektron dari orbital keadaan dasar yang berenergi rendah ke orbital keadaan
tereksitasi berenergi lebih tinggi. Energi yang terserap kemudian terbuang sebagai
cahaya atau tersalurkan dalam reaksi kimia. Absorbsi cahaya tampak dan radiasi
ultraviolet meningkatkan energi elektronik sebuah molekul, artinya energi yang
disumbangkan oleh foton-foton memungkinkan elektron-elektron itu mengatasi
kekangan inti dan pindah ke luar ke orbital baru yag lebih tinggi energinya. Semua
molekul dapat menyerap radiasi dalam daerah UV-tampak karena mereka
mengandung elektron, baik sekutu maupun menyendiri, yang dapat dieksitasi ke
tingkat energi yang lebih tinggi.
Absorbsi untuk transisi elektron seharusnya tampak pada panjang gelombang
Spektrum UV maupun tampak terdiri dari pita absorbsi, lebar pada daerah panjang
gelombang yang lebar. Ini disebabkan terbaginya keadaan dasar dan keadaan eksitasi
sebuah molekul dalam subtingkat-subtingkat rotasi dan vibrasi. Transisi elektronik
dapat terjadi dari subtingkat apa saja dari keadaan dasar ke subtingkat apa saja dari
keadaan eksitasi. Karena berbagi transisi ini berbeda energi sedikit sekali, maka
panjang gelombang absorpsinya juga berbeda sedikit dan menimbulkan pita lebar
yang tampak dalam spektrum itu.
Energi gap dapat ditentukan berdasarkan panjang gelombang maksimum yang
dihasilkan puncak absorbsi dari hasil uji UV-VIS spectroscopy tersebut. Sehingga digunakan persamaan berikut untuk memperoleh energi gap.
(2.8)
Dimana :
Eg : Energi Gap (Joule)
h : Konstanta Planck (6.6 x 10-34 J.S)
c : Kecepatan Cahaya (3 x 108 m/s)
λ : Panjang Gelombang (m)
2.2.8.4 Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction)
Karakterisasi dengan menggunakan spektroskopi difraksi sinar-X merupakan
salah satu metoda karakterisasi material yang paling tua dan paling sering digunakan
material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan
ukuran partikel.
XRD merupakan alat yang menggunakan prinsip dari hukum Bragg. Hukum
Bragg merupakan perumusan matematika tentang persyaratan yang harus dipenuhi
agar berkas sinar-X yang dihamburkan tersebut merupakan berkas difraksi. Sinar X
dihasilakn dari tumbukkan elektron kecepataan tinggi dengan logam target.
2.2.8.5 Karakterisasi SEM ((Scanning Electron Microscopy)
Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan electron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan resolusi
tinggi. Analisis SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk
porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar electron dihasilkan dari
filament yang dipanaskan disebut electron gun.
Sistem penyinaran dan lensa SEM sama dengan mikroskop cahaya biasa.
Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat konduktif
agar dapat memantulkan berkas electron dan mengalirkannya ke ground. Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan emas (Budi G & Citra
DA 2007).
2.3 Air
Air merupakan sumber alam yang sangat penting di dunia, karena tanpa air
kehidupan tidak dapat berlangsung. Air juga banyak mendapat pencemaran. Adapun
berbagai jenis pencemar air berasal dari :
1. Sumber domestik (rumah tangga), perkampungan, kota, pasar, jalan dan
sebagainya
2. Sumber nondomestik (pabrik, industri, pertanian, peternakan, perikanan serta
sumber – sumber lainnya.
2.3.2 Limbah Industri
Limbah industri (industrial waste) yang berbentuk cair dapat berasal dari
pabrik yang biasanya banyak menggunakan air pada proses produksinya. Selain itu
limbah cair juga dapat berasal dari bahan baku yang mengandung air sehingga di
dalam proses pengolahannya, air harus dibuang. Jenis – jenis industri yang
menghasilkan limbah cair antara lain, industri pulp dan rayon, karet, minyak kelapa
sawit (CPO), tekstil dan sebagainya.
Air limbah industri mengandung bahan pencemar yang bersifat racun dan
berbahaya yang dikenal dengan sebutan B3 (bahan beracun dan berbahaya). Bahan
ini dirumuskan sebagai bahan yang dalam jumlah relatif sedikit tetapi mempunyai
potensi untuk mencemarkan dan merusak kehidupan dari sumber daya. Apabila
ditinjau secara kimia, bahan- bahan tersebut mengandung 60.000 jenis bahan kimia
dari 5 juta jenis bahan kima yang sudah dikenal.
Tingkat bahaya keracunan yang disebabkan limbah ini bergantung pada jenis
Mengingat sifat,karakteristik dan dampak atau akibat yang ditimbulkan limbah di
masa sekarang maupun di masa yang akan datang, diperlukan langkah- langkah
pencegahan, penanggulangan dan pengelolaannya secara efektif.
Air buangan dari pabrik membawa sejumlah padatan dan partikel baik yang
larut maupun yang mengendap. Bahan ini ada yang kasar dan ada yang halus. Kerap
kali air dari pabrik berwarna keruh dan memiliki tempratur yang cukup tinggi.
Air limbah yang memiliki kandungan senyawa kimia beracun dan berbahaya
miliki sifat tersendiri. Air limbah yang sudah tercemar memiliki ciri yang dapat
diidentifikasi secara visual maupun melalui pemeriksaan laboratorium.Identifikasi
secara visual maupun melalui kekeruhan, warna air, rasa, bau yang ditimbulkan .
Sementara itu, identifikasi secara laboratorium (pemeriksaan laboratorium) ditandai
dengan terjadinya perubahan sifat kimia air karena air telah mengandung bahan kimia
yang beracun dan berbahaya dalam konsentrasi yang melebihi batas yang dianjurkan.
2.3.3 Air Limbah Industri Kelapa Sawit
Air Limbah PKS mengandung padatan terlarut maupun emulsi minyak di
dalam air. Limbah cair mengandung senyawa- senyawa organik seperti selulosa.
Padatan terlarut melayang dan juga mengemulsi serta bahan- bahan organik lainnya
yang terurai ataupun terdegredasi disebabkan adanya mikroorganisme, ini
menyebabkan bau dan warna hitam. Limbah cair PKS pada umumnya memiliki
Tabel 2.8. Kualitas limbah cair segar pabrik kelapa sawit
No Paramete r
Satuan Men LH Kep-51/1995
Range 28 PKS-PTP
28 PKS
(rata-rata)
World Bank
1 pH - 6-9 3.3-4.6 4.0 3.7
2 BOD mg/l 250 8.200-35.400 21.280 35.000
3 COD mg/l 500 15-.10365.100 34.720 45.000
4 TSS mg/l 300 1.330-50.700 21.700 25.000
2.4 Proses Elektrokoagulasi
Proses elektrokoagulasi terbentuk melalui pelarutan logam dari anoda yang kemudian
berinteraksi secara simultan dengan ion hidroksi dan gas hidrogen yang dihasilkan
dari katoda. Elektrokoagulasi telah ada sejak tahun 1889 yang dikenalkan oleh Vik et
al dengan membuat suatu instalasi pengolahan untuk limbah rumah tangga. Tahun
1909 di United Stated, J.T. Harries telah mematenkan pengolahan air limbah dengan
Gambar 2.7 Gambar proses elektrokoagulasi
Elektrokoagulasi merupakan metode pengolahan air secara elektrokimia
dimana pada anoda terjadi pelepasan koagulan aktif berupa ion logam (biasanya
aluminium atau besi) ke dalam larutan, sedangkan pada katoda terjadi reaksi
elektrolisis berupa pelepasan gas hidrogen (Holt et al, 2004). Sedangkan menurut
Mollah, (2004) elektrokoagulasi adalah proses kompleks yang melibatkan fenomena
kimia dan fisika dengan menggunakan elektroda untuk menghasilkan ion yang
digunakan untuk mengolah air limbah.
2.4.1 Mekanisme Proses Elektrokoagulasi
Elektrokoagulasi adalah suatu proses teknologi elektrokimia yang populer
untuk digunakan pada pengolahan air limbah.
Proses elektrokoagulasi dilakukan pada bejana elektrolisis yang di dalamnya
terdapat dua penghantar arus listrik searah yaitu elektroda, yang tercelup dalam
larutan air sebagai elektrolit. Apabila dalam suatu elektrolit ditempatkan dua
gejala dekomposisi elektrolit, yaitu ion positif (kation) bergerak ke katoda dan
menerima elektron yang direduksi dan ion negatif (anion) bergerak ke anoda dan
menyerahkan elektron yang dioksidasi (Sunardi,2007).
Proses elektrokoagulasi meliputi proses elektrokimia yang menggunakan plat
elektroda misalnya tembaga (Cu). Pada proses elektrokimia akan terjadi pelepasan
elektroda Cu2+ dari plat elektroda (anoda) sehingga membentuk flok Cu(OH)2 yang
mampu mengikat kontaminan dan partikel – partikel dalam air seperti pada gambar
berikut.
Gambar 2.8. Gambar mekanisme elektrokoagulasi
Menurut Holt et al (2004) ada berbagai kemungkinan mekanisme yang terjadi
dalam (interaksi dalam larutan) yaitu (Gambar 2.8) :
1. Migrasi ke muatan elektroda yang berlawanan (electrophoresis) dan
agregatisasi netralisasi muatan.
3. Interaksi kation logam dengan OH- untuk membentuk suatu hidroksida yang
mempunyai sifat-sifat adsorbsi yang tinggi sekaligus mengikat polutan
(jembatan koagulasi).
4. Hidroksida membentuk struktur seperti kisi yang lebih besar dan sweep coagulation.
5. Oksidasi polutan-polutan untuk jenis racun yang lebih sedikit.
6. Pemindahan oleh elektroflotasi dan adhesi ke gelembung.
Elektrokoagulasi dalam pengolohan limbah sudah dilakukan sejak ratusan
tahun yang lalu, tetapi nanti abad 20 ini telah ditemukan berbagai pengembangan
teknologi tentang elektrokoagulasi, berikut ini kelebihan dari elektrokoagulasi :
1. Elektrokoagulasi memerlukan peralatan sederhana dan mudah untuk
dioperasikan.
2. Flok yang dihasilkan elektrokoagulasi ini sama dengan flok yang dihasilkan
koagulasi biasa. Perbedaannya adalah flok yang dihasilkan dari
elektrokoagulasi lebih besar dengan kandungan air yang sedikit, lebih stabil
dan mudah dipisahkan secara cepat dengan filtrasi.
3. Keuntungan dari elektrokoagulasi ini lebih cepat mereduksi kandungan
koloid/partikel yang paling kecil, hal ini disebabkan pengaplikasian listrik ke
dalam air akan mempercepat pergerakan mereka didalam air dengan demikian
akan memudahkan proses.
4. Lumpur yang dihasilkan dari proses elektrokoagulasi relatif stabil dan mudah
dipisahkan karena terutama berasal dari oksida logam. Selain itu jumlah
5. Gelembung-gelembung gas yang dihasilkan pada proses elektrokoagulasi ini
dapat membawa polutan ke atas air sehingga dapat dengan mudah
dihilangkan.
6. Dapat memberikan efisiensi proses yang cukup tinggi untuk berbagai kondisi,
dikarenakan tidak dipengaruhi temperatur.
7. Tidak diperlukan pengaturan pH.
8. Tanpa menggunakan bahan kimia tambahan.
Dalam proses elektrokoagulasi juga terdapat beberapa kekurangan
elektrokoagulasi ini, berikut ini kekurangan dari proses elektrokoagulasi :
1. Tidak dapat digunakan untuk mengolah limbah cair yang mempunyai sifat
elektrolit cukup tinggi dikarenakan akan terjadi hubungan singkat antar
elektroda.
2. Besarnya reduksi logam berat dalam air dipengaruhi oleh besar kecilnya arus
voltase listrik searah pada elektroda, luas sempitnya bidang kontak elektroda
dan jarak antar elektroda.
3. Penggunaan listrik yang mungkin mahal.
4. Batangan anoda yang mudah mengalami korosi sehingga harus selalu diganti
(Fitri &Dwi Ismawati, 2007).
2.5 Plat Elektroda
Sebuah elektroda dalam sebuah sel elektrokimia dapat disebut sebagai anoda atau
katoda. Anoda ini didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron datang dari sel
memasuki sel dan reduksi terjadi. Setiap elektroda dapat menjadi sebuah anoda atau
katoda tergantung dari voltase yang diberikan ke sel. Sebuah elektroda bipolar adalah
sebuah elektroda yang berfungsi sebagai anoda dari sebuah sel dan katoda bagi sel
lainnya (A. Fitri &Dwi Ismawati, 2007).
2.5.1 Bahan dan Struktur Elektroda
Sebuah elektroda adalah sebuah konduktor berupa logam yang digunakan
untuk bersentuhan dengan larutan elektrolit dalam sebuah sirkuit.
Bahan elektroda yang ideal untuk banyak proses ialah untuk banyak proses
ialah stabil dalam medium elektrokoagulasi dan diperoleh hasil reaksi yang
dikehendaki dengan efisiensi arus pada overpotential rendah. Bahan yang baik
seringkali mahal dan yang lebih umum adalah bahan aktif yang dilapiskan pada
bahan yang murah atau bahan inert.
Untuk proses penelitian ini digunakan elektroda yang dibuat dari komposit
dari bahan keramik tembaga oksida (CuO) dan Seng Oksida (ZnO), pada penelitian
ini pertimbangan pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks
dikarenakan karena pada serbuk CuO mengandung unsur logam Cu yang memiliki
konduktivitas cukup baik sebesar 6,0 x 107(Ωm)-1 dan energi gap sebesar1.2 - 1.9 eV,
disisi lain, sebagai bahan pengikatnya adalah ZnO yang memiliki energi gap sebesar
3.3 eV dan energi ikat eksitasi sebesar 60 MeV pada suhu kamar. Oleh karena itu,
karakteristik permukaan yang tahan aus, unsur kimianya stabil pada temperatur
tinggi, tahan pada temperatur tinggi (creep), kekuatan dan ketangguhan tinggi, dan
ketahanan korosi tinggi. Logam Tembaga adalah logam yang dipilih yang
mempunyai nilai konduktivitas cukup baik dibandingkan dengan penghantar lainnya.
2.5.2. Reaksi Pada Elektroda
Sekarang ini elektrokoagulasi telah dipasarkan oleh beberapa perusahaan di
beberapa negara. Bermacam-macam desain telah dibuat namun tak ada yang
dominan. Seringnya unit elektrokoagulasi digunakan untuk menggantikan bahan
kimia dan jarang yang memanfaatkan gas hidrogen untuk proses flotasi. Sebuah arus
yang dilewatkan ke elektroda logam maka akan mengoksidasi logam (M) tersebut
menjadi logam kation (M+), sedangkan air akan mengalami reduksi menghasilkan
gas hidrogen (H2) dan ion hidroksi (OH-).
Pada katoda akan terjadi reaksi – reaksi reduksi terhadap kation yaitu H+ dan
ion – ion logam.
a. Ion H+ dari suatu asam akan direduksi menjadi gas hidrogen yaitu berupa gas.
Reaksi : 2H+ + 2e H2 (2.1)
b. Jika larutan mengandung ion logam alkali, alkali tanah maka ion – ion
tersebut tidak dapat direduksi dari larutan yang mengalami reduksi adalah
pelarut dan akan terbentuk gas hidrogen pada plat katoda.
c. Jika larutan mengandung logam lain, maka ion – ion logam akan direduksi
menjadi logamnya dan terdapat pada batang katoda.
Reaksi : Cu2+ + 2e Cu (2.3)
Pada Anoda akan terjadi reaksi oksidasi yaitu sebagai berikut.
a. Plat anoda akan teroksidasi:
Reaksi : Cu2+ + 2H2O Cu(OH)2 + 2H- + 2e (2.4)
b. Ion OH- akan teroksidasi membentuk gas oksigen
Reaksi : 4OH- 2H2O + O2 + 4e (2.5)
c. Anion – anion lain yang tidak dapat teroksidasi yang akan mengalami
oksidasi adalah pelarutnya (air) membentuk gas oksigen.
