PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains dalam Program Studi Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis : Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Keramik Konduktif Berbasis Komposit CuO-ZnO Untuk Pengolahan Air Limbah Menggunakan Metode Elektrokoagulasi
Nama Mahasiswa : Moraida Hasanah
Nomor Induk Mahasiswa : 127026016
Program Studi : Magister Ilmu Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui Komisi Pembimbing
Dr. Susilawati, M.Si Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc
Ketua Anggota
Ketua Program Studi, Dekan FMIPA USU,
Tanggal lulus : 29 Januari 2015
Telah diuji pada
Tanggal : 29 Januari 2015
PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Dr. Susilawati, M.Si
Anggota : 1. Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc .. 2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc 3. Prof. M. Syukur, MS
PERNYATAAN ORISINALITAS
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan sumber dengan benar
Medan, 29 Januari 2015
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai civitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Moraida Hasanah NIM : 127026016
Program Studi : Magister Ilmu Fisika Jenis Karya Ilmiah : Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberi kepada Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH
MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak bebas royalti Non-eksklusif ini, Universitas Sumatera Utara Berhak Menyimpan, mengalih media, memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasi tesis saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantukan nama saya sebagai penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 29 Januari 2015
KATA PENGANTAR
Pertama – tama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga tesis ini dapat diselesaikan. Tesis ini merupakan tugas akhir penulis pada Program Studi Ilmu Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara Medan.
Dengan selesainya tesis ini, perkenankanlah penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :
Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, M.Sc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister.
Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Sutarman, M.Sc, atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister pada Program Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.
Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika, Bapak Dr. Nasruddin MN,M.Eng,Sc, Sekretaris Program Studi Ilmu Fisika, Dr. Anwar Dharma Sembiring, MS beserta seluruh Staf Pengajar pada Program Studi Magister Ilmu Fisika Program Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.
Terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan setinggi – tingginya penulis ucapkan kepada:
1. Ibu Dr. Susilawati, M.Si selaku Pembimbing Utama dan Bapak Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc selaku Pembimbing Lapangan yang dengan penuh kesabaran meluangkan waktu untuk menuntun dan membimbing penulis hingga selesainya penelitian ini.
2. Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc, Bapak Prof. H. M. Syukur, MS dan Bapak Dr. Nasruddin MN,M.Eng,Sc, selaku Dewan Penguji dan Penilai Tesis atas kesediaan mereka untuk menguji dan menilai isi tesis penulis.
3. Kepala Laboratorium Material Test PTKI Medan beserta staff yang telah banyak membantu dalam pembuatan sampel.
4. Ibunda tercinta Hj. Rasmawati Tagor, S.Pd dan Ayahanda tercinta H. Makkun Hasugian, S.Sos atas segala dukungan, motivasi dan pengorbanan kalian baik berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik.
6. Adik- adik tersayang Nova Midayanti, A,Md, Muchlis Raja Uhum serta Ilham Aliakbar serta seluruh keluarga, terimakasih atas segala dukungan, motivasi dan pengorbanan kalian baik berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan baik.
Secara khusus penulis juga ini menyampaikan terimakasih yang tak terhingga kepada Junior Ikhwanuddin yang telah bekerja sama dengan penulis di lapangan. Staff dan para dosen STIE IBMI Medan, Asisten Lab.Fisika Dasar LIDA USU (Khairuddin, Bambang, Fauzi, Zikri dan masih banyak lagi), serta teman sejahwat (Oki, Melly, Delo, Adi, Eka, Aster, Sutorono dan masih banyak lagi) atas segala bantuan, dorongan, dukungan dan pengorbanan baik berupa moril dan materil.
Penulis menyadari bahwa tesis ini tidak mungkin terlepas dari kesalahan yang ada di luar kemampuan penulis. Oleh sebab itu penulis dengan senang hati akan menerima kritis dan saran yang membangun demi kesempurnaannya.
Medan, 29 Januari 2015
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
ABSTRAK
Telah dibuat elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO dengan teknik konvensional dari serbuk CuO sebagai matriks dan ZnO sebagai filler dengan variasi komposisi CuO:ZnO 75%:25%, 80%:20%, 85%:15%, 90%:10% dan 95%:5%. Pembuatan sampel dilakukan tiga tahap. Tahap pertama serbuk dicampur sampai homogen dengan metode pencampuran kering. Tahap kedua CuO-ZnO dicetak dengan tekanan 300 MPa ditahan selama 10 menit. Tahap ketiga CuO-ZnO berbentuk pellet dibakar dengan perlakuan suhu 800oC, 900oC dan 1000oC serta ditahan selama 3 jam. Masing-masing sampel yang telah dibakar dikarakterisasi yang meliputi : sifat fisis, sifat mekanik, sifat listrik dan struktur kirstal serta mikrostruktur. Hasil menunjukkan bahwa komposisi CuO:ZnO yang optimum yaitu 95%:5% dengan perlakuan suhu 1000oC memiliki nilai densitas tertinggi sebesar 9.205gram/cm3, porositas sebesar 12.1%, kuat tekan 218.799 MPa, kekerasan 1816.920 MPa, konduktivitas listrik 16,989 S/m, energi gap sebesar 4.07 eV. Dari hasil pengujian XRD komposit CuO-ZnO memiliki diameter kristal untuk CuO sebesar 52.6237 nm memiliki struktur kristal monoklinik serta ZnO memiliki ukuran (diameter) kristal sebesar 53.709 nm dan hasil pengujian SEM juga menunjukkan bahwa struktur permukaan yang paling baik juga diperoleh dari komposisi CuO:ZnO yaitu 95:5% dengan suhu sintering 10000C. Pada penelitian ini juga telah dilakukan proses pengolahan air limbah kelapa sawit dengan metode elektrokoagulasi dengan menggunakan elektroda yang memiliki sifat fisis, mekanik, listrik serta struktur kristal dan mikrostrukturnya. Proses elektrokoagulasi dilakukan dalam wadah akuarium dengan ukuran 5cm x 10 cm x 10 cm dan waktu yang dibutuhkan adalah 90 menit. Dari hasil diperoleh bahwa terjadi penurunan untuk parameter warna sebanyak 89.29 %, TSS sebanyak 71.22%; BOD sebanyak 87.56%; COD sebanyak 87.173% serta minyak dan lemak sebanyak 54.54%. Sedangkan pH dari 4.3 menjadi 7.4 dan untuk kandungan logam Cu yang terlarut pada air limbah dari 0.05424 menjadi 0.07188. Berdasarkan data yang diperoleh bahwa air limbah hasil pengolahan dengan proses elektrokoagulasi sudah mencapai standar.
PREPARATION AND CHARACTERIZATION CERAMIC ELECTRODE BASED CuO-ZnO COMPOSITE FOR WASTE TREATMENT USING
ELECTROCOAGULATION METHOD
ABSTRACT
Has been made conductive ceramic electrode based CuO-ZnO composites with conventional techniques of CuO powder as a matrix and ZnO powder as a filler with composition variation CuO: ZnO 75%: 25%, 80%: 20%, 85%: 15%, 90%: 10 % and 95%: 5%. Making the samples in three stages. The first step, the powder mixed until homogeneous with a dry mixing method. The second step CuO-ZnO moulded with a pressure 300 MPa for 10 minutes. The third step, CuO-ZnO in the shape of pellets sintered with temperature 800oC, 900oC and 1000oC for holding time about 3 hours. Each sample has been sintered was characterized such as: physical properties, mechanical properties, electrical properties and crystal structure and microstructure. The results show that the optimum composition of CuO: ZnO is 95%: 5% with sintering temperature 1000oC had the highest density is 9.205gram / cm3, porosity 12.1%, compressive strength is 218 799 MPa, hardness strength is 1816,920 MPa, electrical conductivity 16.989 S / m, band gap 4.07 eV. From the XRD result, the composit CuO-ZnO had a crystal diameter of CuO is 52.6237 nm and had a monoclinic crystal structure and ZnO had the size (diameter) of 53.709 nm crystals and SEM test results also show that the most excellent surface structure was also obtained from the composition CuO: ZnO is 95: 5% with sintering temperature 10000C. In this research also has been treatment process waste of palm with electrocoagulation method using electrode that have physical properties, mechanical, electrical and crystal structure and microstructure. Electrocoagulation process performed on aquarium with measuring 5cm x 10 cm x 10 cm and the time needed for for the process is 90 minutes. From the results obtained that there is a decrease of color parameters is 89.29%, TSS is 71.22%; BOD is 87.56%; COD is 87 173% and oils and is 54.54%. While pH from 4.3becoming 7.4 and for Cu metal content in the waste from 0.07188 becoming 0.05424. Based on the data obtained that the waste treatment by electrocoagulation process has reached a standard.
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR I
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
DAFTAR ISI v
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN x
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 4
1.3 Batasan Masalah 4
1.4 Hipotesis 5
1.5 Tujuan Penelitian 6
1.6 Manfaat Penelitian 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Material Keramik 8
2.2 Material Komposit 8
2.2.1 Keramik Matriks Komposit 14
2.2.2 Mekanisme Ketangguhan pada KMK ( Keramik Matriks
Komposit)
15
Partikulat
2.2.4 Pembuatan KMK (Keramik Matriks Komposit) 19
2.2.5 Ikatan Antar Muka 20
2.2.6 Aplikasi KMK Sebagai Elektroda 21
2.2.7 Material Penyusun Komposit 23
2.2.7.1 CuO (Copper II Oxide) 23
2.2.7.2 Material ZnO 24
2.2.8 Karakteristik Keramik Matriks Komposit 27
2.2.8.1 Karakteristik Sifat Fisis 27
a. Densitas 27
b.Porositas 27
2.2.8.2 Karakteristik Sifat Mekanik 28
a.Kuat Tekan 28
b.Kekerasan 28
2.2.8.3 Karakteristik Sifat Listrik 29
a.Konduktivitas Listrik 29
b.Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometer
UV-Visible
30
2.2.8.4 Karakteristik XRD (X-Ray Diffraction) 32
2.2.8.5 Karakteristik SEM (Scanning Electron Microscopy) 32
2.3 Air 33
2.3.1 Pengertian Air 33
2.3.2 Limbah Industri 33
2.3.4 Air Limbah Industri Kelapa Sawit 34
2.4 Proses Elektrokoagulasi 35
2.4.1 Mekanisme Proses Elektrokoagulasi 36
2.5 Plat Elektroda 39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian 43
3.2 Bahan dan Peralatan 43
3.2.1 Bahan 43
3.2.1.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO 43
3.2.2 Peralatan 44
3.2.2.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO 44
3.2.2.2 Proses Pengolahan Air Limbah 46
3.3 Pengambilan Sampel Air 47
3.4 Diagram Alir Penelitian 48
3.4.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO 48
3.4.2 Proses Pengolahan Air Limbah 49
3.5 Prosedur Penelitian 50
3.5.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO 50
3.5.2 Proses Pengolahan Air Limbah 51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakterisasi Sifat Fisis 53
4.1.1 Densitas 53
4.1.2 Porositas 55
4.2 Karakterisasi Sifat Mekanik 58
4.2.1 Kuat Tekan 58
4.2.2 Kekerasan 60
4.3 Karakterisasi Sifat Listrik 63
4.3.2 Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometri UV-Visible 65
4.4 Karakterisasi Struktur Mikro 67
4.5 Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction) 69
4.6 Proses Elektrokoagulasi Air Limbah dengan Elektroda Keramik
Konduktif
75
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 79
5.2 Saran 80
DAFTAR PUSTAKA 81
LAMPIRAN 84
DAFTAR TABEL
No. J u d u l Halaman
2.1 Kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks 13 2.2 Aplikasi otensial untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat 19
2.3 Teknik densifikasi untuk komposit matriks keramik 20 2.4 Konduktivitas listrik berbagai logam dan paduannya pada suhu
kamar
23
2.5 Kelebihan dan kekurangan elektroda plat logam dengan elektroda komposit matrik keramik
24
2.6 Karakteristik CuO (Copper Oxide) 25 2.7 Karakteristik ZnO (Zinc Oxide) 28 2.8 Kualitas limbah cair segar pabrik kelapa sawit 37 4.1 Data hasil pengukuran densitas elektroda keramik konduktif
berbasis komposit CuO-ZnO
56
4.2 Data hasil pengukuran porositas elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
59
4.3 Data hasil pengukuran kuat tekan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO Data Hasil
62
4.4 Data hasil pengukuran kekerasan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
64
4.5 Data hasil pengukuran konduktivitas listrik elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
67
komposit CuO-ZnO
4.8 Ukuran diameter kristal Cuo dan ZnO pada komposit CuO-ZnO 78 4.9 Hasil pengukuran parameter pH untuk beberapa kali pemakaian
elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO pada
proses elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah
81
4.10 Karakteristik air limbah kelapa sawit sebelum dan sesudah diolah dengan metode elektrokoagulasi dengan elektroda
keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
82
DAFTAR GAMBAR
No. J u d u l Halaman
2.1 Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya 14 2.2 Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi 16 2.3 Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat adanya
tegangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal
17
2.4 Grafik hubungan stress-strain untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat
18
2.8 Gambar mekanisme elektrokoagulasi 39 3.1 Diagram alir pembuatan dan karakteristik elektroda keramik
konduktif CuO-ZnO
51
3.2 Diagram alir proses pengolahan air limbah 52 4.1 Grafik hubungan antara densitas terhadap perubahan variasi
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
57
4.2 Grafik hubungan antara porositas terhadap perubahan variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
60
4.3 Grafik hubungan antara kuat tekan terhadap perubahan variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi
suhu sintering
62
4.4 Grafik hubungan antara kekerasan terhadap perubahan variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
65
4.5 Grafik hubungan antara konduktivitas listrik dengan variasi komposisi dari beberapa perlakuan suhu pembakaran
67
4.6 Grafik hubungan antara absorbansi dengan panjang gelombang
69
4.7 Hasil pengujian SEM sampel elektroda keramik konduktif 71 4.8 Pola difraksi (XRD) sampel CuO 100% pada tempratur
sintering 1000oC
73
4.9 Pola difraksi (XRD) sampel komposit CuO:ZnO komposisi 75%:25% pada temperatur sintering 800oC
73
4.10 Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 85%:15% temperatur sintering 900oC
74
4.11 Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 95%:5% pada temperatur sintering 1000oC
