PILLAR OF PHYSICS, Vol. 8. Oktober 2016, 25-32
25
SINTESIS NANOPARTIKEL ZIRKONIUM DIOKSIDA (ZrO
2) DENGAN METODE
SOL GEL MENGGUNAKAN EKSTRAK NANAS SEBAGAI PENGKELAT UNTUK
APLIKASI NANOFLUIDA PENDINGIN
Dini Talenti Arya1) Ratnawulan 2) Dani Gustaman Syarif 3)
1)Mahasiswa Fisika, FMIPA Universitas Negeri Padang
2)
Staf Pengajar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Padang, Pembimbing PSTNT Bandung Diniarya33@gmail.com
ABSTRACT
The study of the nanoparticles is rapidly growing in the industry.The application of nanoparticles is very useful in improving the thermal conductivity of the fluid coolant such as water and oil that are still low. Efforts should be made to improve the thermal conductivity of the cooling fluid by mixing nanoparticles into the basic fluid that is called Nanofluids
.
This study aimed to determine the effect of pineapple’s extract on the characteristics of nanoparticles of Zirconium Dioxide (ZrO2) in terms of phase and the value of the surface areaof the particles of Zirconium Dioxide (ZrO2) by one gram of it and see the effect the composition of
nanoparticles suspended in a fluid on viscosity, zeta potential increase in thermal conductivity
.
This research is an experimental research that is conducted at the Laboratory of Science Techno Centre of Science Nuclear Applied and Technology (PSTNT) National Nuclear Energy Agency (BATAN) Bandung.
The synthesis was conducted by using sol gel with calcination temperature of 700℃, ZrO2 powder obtained then characterized byusing XRD and Surface Area Analyzer. Furthermore, Zirconium Dioxide (ZrO2) nanoparticles mixed into 100 ml
of distilled water and characterized using test equipment Viscosity, Zeta Potential meter and Critical Heat Flux (CHF). Results obtained in the study was the effect of the addition of pineapple extract as chelating against nanoparticles of zirconium dioxide (ZrO2) to prevent agglomeration/buildup on the particles of Zirconium
Dioxide (ZrO2).The next result is the effect of the composition of nanoparticles of ZrO2 that were suspended in
100 ml of distilled water to the value of fluid Viscosity, Zeta Potential and rise of Critical Heat Flux. The bigger composition ZrO 2 led to a rise to the viscosity of Nano fluids water-ZrO2, the increase in the value of zeta
potential and the increase of the value of Critical Heat Flux (CHF) associated with thermal conductivity values. The more viscous a fluid with the presence of nanoparticles, the conductivity value will be higher. High conductivity will improve the quality of the cooling fluid.
Keywords : Zirconium dioxide, Sol gel, X-Ray Diffraction (XRD), Surface Area Analyzer, Critical Heat Flux
(CHF)
PENDAHULUAN
Dalam bidang industri, pemanfaatan ilmu
nanoteknologi sangat berguna dalam
peng-aplikasiannya untuk memperbaiki konduktifitas termal dari fluida pendingin yang masih rendah,
seperti air dan oli [1] Konduktifitas termal yang tinggi
akan meningkatkan efesiensi dari peralatan
perpindahan panas. Sehingga untuk menaikkan konduktifitas termal dibutuhkan fluida pendingin yang baik dibanding air dan oli. Salah satu upaya yang dilakukan untuk meningkatkan konduktifitas
termal dari fluida pendingin yaitu dengan
mencampurkan partikel nano kedalam fluida
pendingin. Produknya ini disebut dengan nanofluida. Nanofluida yaitu sebuah produk dari penerapan
nanoteknologi yang merupakan campuran
nanopartikel dengan fluida dasar seperti air yang
membentuk suspensi stabil [2] dari nanofluida yaitu
mempunyai stabilitas yang lebih baik dibandingkan dengan cairan yang mengandung partikel berukuran
mikro atau milli [3] dan konduktivitas termal lebih
tinggi dari cairan dasar penyusunnya [4].
Dalam penelitian ini pembuatan nanofluida dari
nanopartikel ZrO2 dilakukan menggunakan metode
sol gel. Pemilihan metoda ini karena hanya memerlukan reagen (zat atau senyawa yang ditambahkan ke sistem) yang sederhana dan temperatur yang relatif rendah untuk menghasilkan
nanopartikel dengan kemurnian tinggi [5]. Untuk
menghasilkan nanopartikel yang stabil, maka diperlukan sebuah pengkelat/pencapit seperti asam sitrat [6] dari ekstrak nanas dalam proses sintesisnya. Pemilihan nanas sebagai pengkelat dalam penelitian ini karena kandungan asam sitrat pada nanas
mencapai 78% dari total asam [7]. Nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang terbentuk kemudian
diuji karakteristiknya menggunakan XRD dan Surface Area Analyzer. lalu digunakan untuk
pembuatan nanofluida air-ZrO2 dengan dilakukan
26
dan uji Critical Heat Flux (CHF) untuk nanofluida pendingin.
Prinsip dari XRD ini adalah hamburan oleh tiap atom dan interferensi gelombang-gelombang oleh tiap atom yang mengenai permukaan kristal. Bila sinar dilewatkan ke permukaan kristal, maka sebagian sinar akan dihamburkan dan sebagian lagi akan diteruskan ke lapisan berikutnya. Sinar yang dihamburkan akan berinterferensi secara konstruktif
(menguatkan) dan destruktif (melemahkan).
Hamburan sinar yang berinterferensi inilah yang digunakan untuk analisis. Difraksi sinar-X hanya terjadi pada sudut tertentu sehingga suatu zat akan
mempunyai pola difraksi tertentu [8]. Difraksi bidang
kisi dapat dilihat pada Gambar 1:
Gambar 1. Difraksi Bidang Kisi [9]
Gambar menunjukkan seberkas sinar
mengenai atom A pada bidang pertama dan B pada bidang berikutnya. Jarak antara bidang A dengan
bidang B adalah d. Berkas-berkas tersebut
mempunyai panjang gelombang λ, dan jatuh pada bidang kristal dengan jarak d dan sudut θ. Agar mengalami interferensi konstruktif, kedua berkas tersebut harus memiliki beda jarak n λ. Sedangkan beda jarak lintasan kedua berkas adalah 2d sin θ. Interferensi konstruktif terjadi jika beda jalan sinar adalah kelipatan bulat panjang gelombang λ, sehingga dapat dinyatakan dengan Persamaan (1) :
nλ = 2dhkl sinθ (1)
Surface Area Analyzer (SAA) merupakan salah satu alat utama dalam karakterisasi material yang memerlukan sampel dalam jumlah yang kecil yang berkisar 0,1 gram sampai 0,01 gram. Alat ini
berfungsi untuk menentukan luas permukaan
material, distribusi pori dari material dan adsorpsi
isotermis suatu gas pada suatu bahan [10].
Luas permukaan merupakan luasan yang ditempati satu molekul zat terlarut yang merupakan fungsi langsung dari luas permukaan sampel. Luas permukaan merupakan jumlah pori di setiap satuan luas dari sampel dan luas permukaan spesifiknya merupakan luas permukaan per gram. Luas permukaan dipengaruhi oleh ukuran partikel/pori,
bentuk pori dan susunan pori dalam partikel [11].
Proses adsorpsi dipengaruhi oleh lima faktor yaitu : 1. Karakteristik fisik dan kimiawi adsorben (luas
permukaan dan ukuran pori).
2. Karakteristik fisik dan kimiawi adsorbat (ukuran molekul dan polaritas molekul).
3. Konsentrasi adsorbat dalam larutan. 4. Karakteristik larutan (pH dan temperatur). 5. Lama adsorpsi.
Rumus yang digunakan untuk menentukan diameter partikel dari serbuk yang terukur nilai Surface Area Analyzer adalah [12]:
d =
ρ x A6s (2)
dengan :
d = diameter partikel
ρ = massa jenis partikel secara teoritik
As= Surface area partikel per 1 gram sampel.
Viskositas/kekentalan suatu zat cair
dipengaruhi oleh berat molekul [13]dan suhu [14]. Berat
molekul berbanding lurus dengan viskositas.
Semakin banyak komposisi molekul yang terkandung pada suatu fluida maka viskositasnya akan naik,
begitu sebaliknya [13]. Berbeda halnya dengan suhu.
Semakin tinggi suhu zat cair, maka akan semakin kurang kekentalan dari zat cair tersebut. Viskositas akan turun dengan naiknya suhu, sedangkan viskositas gas naik dengan naiknya suhu. Pemanasan
zat cair menyebabkan molekul-molekulnya
memperoleh energi. Molekul-molekul cairan
bergerak sehingga gaya interaksi antar molekul melemah. Dengan demikian viskositas cairan akan
turun dengan kenaikan temperature [14] .
Zeta potensial adalah ukuran permukaan muatan partikel yang tersebar dalam kaitannya dengan medium pendispersi. Partikel harus memiliki muatan atau zeta potensial yang lebih tinggi dibandingkan dengan medium pendispersi untuk mencegah agregasi. Kekuatan tolak menolak yang dibawa oleh muatan ion serupa pada partikel permukaan akan mencegah gaya tarik menarik yang der waals.
Dengan mengendalikan zeta potensial akan
didapatkan kondisi ideal untuk mencegah terjadinya
flokulasi [15]. Makin tinggi nilai potensial zeta maka
semakin mencegah terjadinya flokulasi/ (peristiwa penggabungan koloid dari yang kecil menjadi besar). Sebaliknya semakin rendah nilai zeta potensial menyebabkan terjadinya peristiwa flokulasi.
Critical Heat Flux (CHF) merupakan nilai maksimum fluks kalor dimana boiling heat transfer berada dititik efisiensi pendinginan tertinggi. Pada kondisi tersebut akan terjadi suatu keadaan burn out. Keadaan burn out terjadi akibat kenaikan fluks panas, yaitu apabila kenaikan fluks yang kecil akan mengakibatkan peningkatan temperatur dinding yang sangat besar dan mendadak. Selain itu, apabila kenaikan temperatur yang kecil akan mengakibatkan penurunan koefesien perpindahan panas yang besar
dan mendadak [16]. Skema alat uji CHF ditunjukkan
27
Gambar 2. Skema Alat Uji CHF
Ketika nilai CHF dilewati maka permukaan heater akan tertutup oleh lapisan udara yang akan menjadi penghalang anatar permukaan pemanas dan fluida yang dipanaskan, yang mengakibatkan menurunnya efesiensi perpindahan panas. Oleh
karena itu, meningkatkan nilai CHF akan
memungkinkan meningkatnya batas kemampuan
operasi sistem, lebih banyak panas yang
dipindahkan[17]. Formulasi CHF ditunjukan oleh
persamaan
q’’= 𝑉×𝐼
𝜋𝐷𝐿 (3)
Keterangan:
I = Arus listrik (Ampere) V = Tegangan listrik (Volt) D = Diameter kawat (m) L = Panjang kawat (m)
METODE PENELITIAN
Penelitian ini merupakan jenis penelitian
eksperimen yang dilakukan di Laboratorium
Teknofisika Pusat Sains dan Teknologi Nuklir Terapan (BATAN) Bandung. Variabel bebas dari penelitian ini adalah variasi komposisi nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) didalam nanofluida
sebesar 0,05 gram/100 ml; 0,1 gram/100 ml; 0,2 gram/100 ml; dan 0,3 gram/100 ml. Variabel kontrolnya adalah Asam Sitrat dari nanas, serbuk Zirkonium Tetraklorida (ZrCl4), waktu pemanasan
terhadap campuran dari larutan ekstrak nanas yang mengandung asam sitrat dengan serbuk Zirkonium Tetraklorida (ZrCl4) dengan suhu 100℃ selama 3
jam; 200℃ selama 5 jam; suhu 400℃ selama 2,5 jam; suhu 700℃ selama 3 jam dan nilai pH dari
nanofluida air-ZrO2 sebesar 10. Variabel terikatnya
adalah viskositas, zeta potensial dan konduktifitas termal.
Pada penelitian ini dilakukan beberapa tahapan diantaranya sintesis nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) dan sintesis nanofluida air-ZrO2. a. Tahap Sintesis Nanopartikel Zirkonium
Dioksida (ZrO2)
1. Langkah pertama yang dilakukan dalam
pembuatan nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) adalah mengupas dan memotong nanas 4
buah nanas menjadi potongan potongan kecil. Kemudian menumbuk nanas dengan mortar dan pestle. Setelah cairan hasil penumbukan nanas didapat langkah berikutnya yaitu memblender nanas dengan blender.
2. Jika nanas yang diblender telah hancur
selanjutnya menyaring nanas dengan kertas saring dengan dibantu corong kaca dan tabung erlemenyer. Penyaringan dilakukan 3 kali berturut berturut.
3. Langkah berikutnya adalah memindahkan cairan hasil ekstraksi nanas kedalam gelas beker. Cairan hasil ekstraksi nanas yang didapat kemudian diukur pH nya menggunakan pH meter. Angka pH cairan hasil ekstraksi nanas didapatkan sebesar 3,92.
4. Selanjutnya, menimbang serbuk Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4) sebanyak 60 gram dengan
menggunakan neraca digital. Bersamaan dengan itu memanaskan cairan hasil ekstraksi nanas diatas heater dengan suhu 100℃.
5. Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4) yang telah
ditimbang sebelumnya kemudian dimasukkan sedikit demi sedikit kedalam cairan ekstrak nanas yang sedang dipanaskan sambil diaduk dengan pengaduk kaca. Pengadukan dilakukan sampai campuran ekstrak nanas dengan Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4) larut.
6. Selanjutnya, mengangkat gelas beker yang berisi larutan campuran ekstrak nanas dan Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4) dari heater.
7. Ketika campuran ekstrak nanas dan Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4) telah menjadi dingin, pH
campuran kemudian diukur menggunakan pH meter. Akhirnya, diperoleh angka pH sebesar 0,36.
8. Setelah itu, larutan campuran ekstrak nanas
dengan Zirkonium Tetra Klorida (ZrCl4)
didiamkan selama satu malam.
9. Setelah pendiaman itu selesai, langkah
selanjutnya adalah memindahkan larutan
campuran tersebut ke dalam 3 gelas beker yang
masing-masing berukuran 250 ml dan
memanaskannya ke dalam tungku pemanas dengan suhu 100℃ dalam waktu 3 jam, suhu 200℃ dalam waktu 5 jam, suhu 400℃ selama 2,5 jam dan suhu 700℃ selama 3 jam.
10. Selanjutnya, mematikan tungku dan membiarkan
sampel Zirkonium Dioksida (ZrO2) dingin
didalam tungku selama 2 jam. Setelah itu,
mengeluarkan sampel Zirkonium Dioksida (ZrO2)
dari tungku.
11. Kemudian melakukan penggerusan sampel
dengan mesin penggerus selama 2 kali 30 menit. 12. Berikutnya mengukur serbuk nano Zirkonium
28
timbangan digital. Serbuk nano Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang didapatkan sebanyak 47,45
gram.
13. Dari banyaknya serbuk nano Zirkonium Dioksida
(ZrO2) yang didapat, 0,6 gram serbuk Zirkonium
Dioksida (ZrO2) ditimbang menggunakan
timbangan digital yang nantinya digunakan untuk melihat hasil X-Ray Difractometer (XRD) dan Surface Area Meter.
b. Tahap Sintesis Nanofluida Air-ZrO2
1. Setelah sintesis nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) selesai, tahapan berikutnya yaitu dengan
menimbang nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) dengan neraca digital dengan variasi
komposisi 0,05 gram; 0,1 gram; 0,2 gram dan 0,3 gram.
2. Berikutnya, memasukkan masing-masing
komposisi nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) yang telah ditimbang ke dalam tiap-tiap
botol yang berbeda .
3. Tiap-tiap botol tersebut diisi dengan aquades sebanyak 100 ml menggunakan gelas ukur. Selanjutnya menutup botol dan mengocok botol. 4. Selanjutnya, melakukan ultrasonifikasi terhadap
keempat botol selama 1 jam lalu mengukur pH nanofluida dengan pH meter.
5. Setelah itu, menetesi Amonia 10% ke dalam
tiap-tiap botol yang berisi nanofluida Air-ZrO2 sampai
didapatkan pH sebesar 10.
6. Berikutnya melakukan kembali ultrasonifikasi
selama 2 jam. Selanjutnya mendiamkan
nanofuida Air-ZrO2 selama satu malam.
7. Selanjutnya, mengamati suspensi yang terbentuk selama beberapa hari.
8. Langkah terakhir yaitu melakukan karakterisasi
sampel nanofuida Air-ZrO2 menggunakan
Viskometer, Zeta Potential Meter, dan CHF Meter.
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN A. Hasil Penelitian
1. Pengaruh Ekstrak Nanas Sebagai Pengkelat Terhadap Karakteristik Nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2).
a) Fasa Dari Hasil XRD (X-Ray Diffraction)
Pengujian XRD (X-Ray Diffraction) dilakukan untuk mengetahui fasa yang terbentuk pada serbuk
nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2). Data hasil
pengukuran XRD berupa fasa dan struktur kristal yang meliputi parameter kisi bidang (a,b,c) dan kisi ruang (α,β,γ). Setelah pengukuran, diperoleh struktur
kristal nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) dari
database yang diperlihatkan pada Tabel 1:
Tabel 1. Struktur Kristal Zirkonium Dioksida dari
Database
a (Å)
b (Å) c (Å)
α
β
γ Grup Ruang Sistem Kristal
Zirkonium Dioksida
51.450 52.070 53.110 900.000 992.300 900.000
P21/c
Monoklinik
Nama Mineral
Struktur Kristal
Data hasil XRD juga bisa dilihat dari gambar pola difraksinya. yang ditunjukkan oleh Gambar 3.
Gambar 3. Gambar Pola Difraksi dari Serbuk
Nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2)
Pada Gambar 3 merupakan plot sudut 2 theta terhadap intensitas dari pola difraksi sinar-X Zirkonium Dioksida. Dari gambar terlihat 4 puncak
tertinggi didominasi oleh mineral ZrO2 atau
Zirkonium Dioksida. Dari 4 puncak tertinggi pola difraksi serbuk Zirkonium Dioksida yang ada pada Gambar 3 dapat dilihat data dari masing-masing sudut 2 theta beserta intensitas pada Tabel 2:
Tabel 2. Data dari 4 Puncak Tertinggi Pola Difraksi
Serbuk Zirkonium Dioksida (ZrO2)
Dari Tabel 2 terlihat keempat puncak tertinggi memiliki fasa yang didominasi oleh Zirkonium Dioksida dengan struktur kristal monoklinik
.
b) Luas Permukaan Partikel Hasil Surface Area
Analyzer
Dari sampel nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) yang didapat pada suhu kalsinasi 7000C
diperoleh nilai Surface Area sebesar 43,53 m2/gram.
Hasil data yang berupa angka menyatakan luas permukaan partikel dalam 1 gram yang terukur
sebesar 43,53 m2/gram. Dari nilai Surface Area
tersebut dapat dikonversikan ke dalam diameter partikel dengan menggunakan persamaan :
d =
629
dengan :
d = diameter partikel
ρ = massa jenis partikel secara teoritik (ZrO2=
5,68 g/cm³)
As= Surface area partikel per 1 gram sampel.
Dari persamaan tersebut diperoleh diameter partikel Zirkonium Dioksida sebesar 24,26 nm. Pada ukuran tersebut menunjukkan bahwa Zirkonium Dioksida yang telah disintesis masuk ke dalam interval
nanometer sehingga dapat disebut dengan
nanopartikel Zirkonium Dioksida.
2. Pengaruh Variasi Komposisi Nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2) terhadap
Karakteristik dari Nanofluida Air-ZrO2. a. Viskositas/ Kekentalan Fluida dari Aquades
dan Nanofluida Air-ZrO2.
Pada pengukuran viskositas fluida data yang diperoleh yaitu nilai viskositas fluida terhadap variasi
komposisi yang diambil pada suhu 250C ditunjukkan
oleh Tabel 3.
Tabel 3. Hasil Uji Viskositas Fluida
Tabel 3 diatas dapat dibuat grafik hubungan antara viskositas fluida terhadap komposisi dari nanofluida
air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) pada Gambar 4.
Gambar 4. Grafik Hubungan antara Viskositas
Fluida terhadap Komposisi Nanofluida Air-Zirkonium Dioksida
b. Zeta Potensial Nanofluida Air- ZrO2.
Pengukuran potensial zeta dilakukan pada hari ke-3 setelah pembuatan nanofluida air-Zirkonium Dioksida. Hasil dari data yang didapatkan pada pengukuran zeta potensial dapat dilihat pada Tabel 4:
Tabel 4. Hasil dari Data yang didapatkan pada
Pengukuran Zeta Potensial Nanofluida
Air-Zirkonium Dioksida
Dari Tabel 4 dapat dibuat grafik hubungan antara Zeta Potensial terhadap komposisi dari nanofluida
air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang ditunjukkan oleh
Gambar 5
:
Gambar 5. Grafik Hubungan Antara Potensial Zeta
terhadap Komposisi Nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2)
c. Critical Heat Flux (CHF) dari Aquades dan Nanofluida Air- Zirkonium Dioksida (ZrO2).
Pada pengukuran Critical Heat Flux, data yang diperoleh yaitu nilai tegangan, arus, dan panjang kawat. Pengukuran dilakukan pada aquades dan
nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) dengan
variasi komposisi 0,05 gram/100 ml; 0,1 gram/100 ml; 0,2 gram/100 ml dan 0,3 gram/100 ml.
Nilai Crititical Heat Flux yang didapatkan dicari nilai
rata-rata masing-masing pengukuran dan
dibandingkan kenaikan nilai Critical Heat Flux
(CHF) nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2)
terhadap aquades. Sehingga nantinya dapat dicari persentase kanaikan masing-masing nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) tiap variasi komposisinya
yang dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Persentase Kenaikan Critical Heat Flux
Nanofluida Zirkonium Dioksida tiap Variasi
Komposisi
Dari Tabel 5 yang telah dibuat didapat grafik hubungan antara kenaikan Critical Heat Flux terhadap komposisi dari nanofluida Zirkonium Dioksida yang ditunjukkan oleh Gambar 2.
30
Berdasarkan Gambar 6 diperlihatkan bahwa nilai Critical Heat Flux dari nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) meningkat seiring dengan kenaikan
komposisi dari nanopartikel Zirkonium Dioksida yang tersuspensi dalam nanofluida.
B. Pembahasan
1. Pengaruh Ekstrak Nanas Sebagai Pengkelat terhadap Karakteristik Nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2).
a. Fasa dari Hasil XRD (X-Ray Diffraction)
Sesuai dengan tujuan dilakukannya pengujian XRD yaitu untuk mengetahui fasa yang ada pada
serbuk Zirkonium Dioksida didapatkan fasa
Zirkonium Dioksida (ZrO2) dengan struktur kristal
monoklinik (kisi bidang a≠ b≠ c dan kisi ruangnya
α=β=90o≠ γ). Dari fasa yang didapatkan terlihat
bahwa penambahan ekstraka nanas sebagai pengkelat dalam sintesis nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) tidak mempengaruhi fasa Zirkonium Dioksida
(ZrO2) yang terbentuk. Hal ini karena pengkelat asam
sitrat tidak ikut bereaksi dalam pembentukan nanopartikel Zirkonium Dioksida. Asam sitrat sebagai pengkelat hanya mengikat nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) agar tidak
teraglomerasi/menumpuk antar sesamanya. Hal ini akan berpengaruh terhadap kestabilan suspensi dalam
pembuatan nanofluida. Sedangkan hubungan
intensitas puncak difraksi yang ditunjukkan oleh grafik pola XRD terhadap suatu bahan dapat ditunjukkan dari persamaan berikut :
I= Fhkl = 𝑁1𝑓𝑛 𝑒2πi (hu +kv+lw) (4)
Fhkl menunjukkan jumlah atom, jumlah
electron dan jumlah unit sel yang ada pada bahan. Sehingga dari persamaan diatas dapat disimpulkan
bahwa intensitas suatu bahan menunjukkan
banyaknya jumlah atom, jumlah electron dan jumlah unit sel penyusun dari suatu bahan. Semakin tinggi intensitas suatu bahan menyatakan semakin banyak atom-atom penyusun bahan, semakin banyak electron penyusun atom dari suatu bahan dan semakin banyak unit sel penyusun atom pada suatu bahan. Sedangkan lebar puncak pada pola XRD menunjukkan besarnya ukuran partikel penyusun bahan. Semakin lebar puncak yang ditunjukkan pola XRD menunjukkan ukuran suatu partikel penyusun bahan semakin kecil.
Hal ini terlihat pada puncak pertama dengan 2θ nya adalah 28,3125 dengan intensitas mencapai 736 dan lebar puncak sebesar 3,1496. Sebaliknya semakin kecil lebar puncak yang ditunjukkan pola XRD menunjukkan ukuran suatu partikel penyusun bahan semakin besar. Hal ini terlihat pada puncak keempat dengan 2θ nya adalah 51,0875 dengan intensitas mencapai1 28 dan lebar puncak sebesar 1,7864.
b. Luas Permukaan Partikel dari Hasil
Surface Area Analyzer
Uji Surface Area Analyzer dilakukan untuk mengetahui luas permukaan per 1 gram suatu sampel. Hasil uji Surface Area Analyzer ini digunakan sebagai pendukung dari hasil uji Particle Size Analyzer dalam mengetahui diameter antar partikel Zirkonium Dioksida. Dari sampel nanopartikel ZrO2
pada suhu kalsinasi 7000C diperoleh nilai Surface
Area sebesar 43,53 m2/gram. Hasil data yang berupa angka menyatakan luas permukaan partikel dalam 1
gram yang terukur sebesar 43,53 m2/gram. Dari nilai
Surface Area tersebut diperoleh diameter partikel Zirkonium Dioksida sebesar 24,26 nm. Pada ukuran telah menunjukkan bahwa Zirkonium Dioksida yang dihasilkan dari sintesis tersebut telah masuk ke dalam interval nanometer sehingga dapat disebut dengan nanopartikel Zirkonium Dioksida. Keterkaitan antara nilai dari luas permukaan sampel per satu gramnya terhadap besar kecilnya gaya tarik menarik antar partikel adalah berbanding terbalik. Semakin kecil nilai dari luas permukaan sampel per satu gramnya menunjukkan gaya ikat antara partikel menjadi kecil sehingga tidak terjadinya aglomerasi/penumpukan partikel pada sampel. Dari angka yang didapatkan dari hasil pengukuran sampel Zirkonium Dioksida
menggunakan Surface Area Analyzer diatas
menunjukkan terjadinya aglomerasi/penumpukan antar partikel Zirkonium Dioksida sangat kecil karena nilai dari luas permukaan sampel per satu gram Zirkonium Dioksida juga kecil. Hal ini nantinya akan membuat nanopartikel akan tersuspensi stabil didalam fluida.
2. Pengaruh Variasi Komposisi Nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2) terhadap
Karakteristik dari Nanofluida Air-ZrO2. a. Viskositas/ Kekentalan Fluida dari Aquades
dan Nanofluida Air- ZrO2.
Dari hasil uji viskositas yang telah dilakukan terlihat bahwa nilai viskositas fluida dari nanofluida
air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) meningkat seiring
dengan kenaikan komposisi dari nanopartikel Zirkonium Dioksida yang tersuspensi dalam nanofluida tersebut. Kenaikan nilai viskositas fluida yang terjadi sangat kecil sekali namun masih bisa diperoleh perbedaan antara variasi komposisi
nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2). Hal ini
disebabkan karena keberadaan nanopartikel yang tersuspensi di dalam aquades mampu meningkatkan
31
kerapatan dari zat dari nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) sehingga akan menyebabkan pula
meningkatnya kekentalan dari nanofluida tersebut. Sedangkan keterkaitan antara nilai viskositas terhadap suhu adalah berbanding terbalik. Semakin tinggi suhu pada suatu fluida maka viskositas/ kekentalan dari fluida akan semakin kecil. Begitu juga sebaliknya. Hal ini karena pemanasan zat cair menyebabkan molekul-molekul mendapatkan energi sehingga dapat bergerak cepat dan menyebabkan gaya interaksi antar molekul melemah sehingga viskositas menurun.
b. Nilai Zeta Potensial Nanofluida Air- ZrO2.
Untuk melihat kestabilan suatu partikel pada
nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang
tersuspensi pada 100 ml aquades maka dilakukan pengujian zeta potensial. Semakin tinggi nilai zeta potensial pada suatu fluida maka akan semakin mencegah terjadinya flokulasi/ penggabungan koloid dari yang kecil menjadi besar. Hal ini lah yang menyebabkan partikel stabil didalam suatu fluida.
Dari analisis data hasil uji zeta potensial
memperlihatkan partikel sangat stabil pada komposisi 0,1 gram dalam 100 ml air dengan nilai zeta potensial optimum sebesar 44,63 mV. Nilai zeta potensial meningkat sesuai bertambahnya komposisi serbuk Zirkonium Dioksida yang tersuspensi dalam 100 ml aquades dari komposisi 0,05 gram/100 ml ke komposisi 0,1 gram/100 ml. Namun nilai zeta potensial turun dari komposisi 0,1 gram/100 ml ke kemposisi 0,2 gram/100 ml sebesar 39,1 mV. Seharusnya nilai hasil pengukuran zeta potensial meningkat seiring dengan bertambahnya variasi komposisi nanofluida. Hal ini karena semakin banyak partikel yang ada pada fluida menyebabkan jarak antar partikel semakin rapat. Semakin rapat jarak antar partikel membuat partikel cendrung stabil.
Kejanggalan data zeta potensial diatas pada variasi komposisi 0,2 gram/100 ml mungkin dikarenakan tidak teraduk ratanya nanofluida
air-ZrO2 saat dilakukan pengukuran zeta potensial. Ini
menyebabkan nilai zeta potensial nanofluida air-ZrO2
komposisi 0,2 gram/100 ml lebih kecil dibanding
dengan nanofluida air-ZrO2 komposisi 0,1 gram/100
ml. Begitupun dengan nanofluida komposisi 0,3 gram/100 ml. Namun dari semua nilai zeta potensial yang diperoleh untuk masing-masing komposisi memenuhi literatur bahwa untuk partikel yang stabil memiliki nilai potensial zeta lebih dari 30 mV.
c. Nilai Critical Heat Flux (CHF) dari Aquades dan Nanofluida Air-Zirkonium Dioksida
(ZrO2).
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui tingkat daya per satuan luas permukaan kawat penghantar ketika suatu arus listrik melewati suatu penghantar
yang tercelup pada nanofluida air-Zirkonium
Dioksida (ZrO2). Uji Critical Heat Flux ini untuk
mengetahui tingkat konduktivitas termal dari suatu fluida dalam proses penghantaran panas. Dari analisis data hasil uji Critical Heat Flux memperlihatkan bahwa nilai Critical Heat Flux dari nanofluida Zirkonium Dioksida meningkat seiring dengan kenaikan komposisi dari nanopartikel Zirkonium Dioksida yang tersuspensi/tercampur dalam nanofluida tersebut. Kenaikan nilai Critical Heat Flux yang terjadi sangat signifikan terhadap variasi komposisi nanofluida Zirkonium Dioksida. Hal ini terlihat saat kenaikan Critical Heat Flux pada komposisi 0,3 gram/100 ml mencapai 93,15%. Hal ini disebabkan bahwa keberadaan nanopartikel yang tersuspensi di dalam aquades mampu meningkatkan daya yang mengalir melalui suatu kawat penghantar yang tercelup dalam nanofluida air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) tiap luas penampang kawat
penghantar. Peningkatan nilai Critical Heat Flux sangat berkaitan erat dengan nilai konduktivitas termal. Semakin kental suatu fluida dengan keberadaan nanopartikel maka nilai konduktivitasnya akan semakin tinggi.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa:
1. Pengaruh penggunaan asam sitrat sebagai
pengkelat dari ekstrak nanas terhadap
karakteristik nanopartikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) membuat partikel Zirkonium Dioksida
(ZrO2) tidak teraglomerasi/menumpuk antar
sesamanya.
2. Pengaruh variasi komposisi nanopartikel
Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang bercampur
dengan 100 ml aquades terhadap karakteristik
nanofluida air- ZrO2 diantaranya adalah sebagai
berikut.
a. Semakin besar komposisi serbuk nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang ditambahkan
pada 100 ml aquades menyebabkan viskositas fluida menjadi naik pada suhu yang sama. Begitupun sebaliknya.
b. Semakin besar komposisi serbuk Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang ditambahkan pada 100 ml
aquades menyebabkan nilai zeta potensialnya semakin besar. Semakin besar nilai zeta potensial yang dihasilkan maka nanopartikel Zirkonium Dioksida (ZrO2) didalam fluida menjadi lebih
stabil karena tidak terjadinya flokulasi/peristiwa penggabungan koloid dari yang kecil menjadi besar. Begitupun sebaliknya.
c. Semakin besar komposisi serbuk Zirkonium Dioksida (ZrO2) yang ditambahkan pada 100 ml
aquades menyebabkan nilai Critical Heat Flux (CHF) semakin meningkat. Hal ini disebabkan
keberadaan nanopartikel yang tersuspensi/
tercampur di dalam aquades mampu
meningkatkan daya yang mengalir melalui suatu kawat penghantar yang tercelup dalam nanofluida
32
air-Zirkonium Dioksida (ZrO2) tiap luas
penampang kawat penghantar. Peningkatan nilai Critical Heat Flux sangat berkaitan erat dengan nilai konduktivitas termal. Semakin kental suatu fluida dengan keberadaan nanopartikel maka nilai konduktivitasnya akan semakin tinggi. Begitu sebaliknya.
UCAPAN TERIMA KASIH
[1]Terima Kasih kepada Pusat Sains dan Teknologi Nuklir Terapan (PSTNT) Badan Teknologi Nuklir (BATAN) Bandung yang telah bersedia memfasilitasi penelitian ini.
[2]Bapak Dani Gustaman Syarif, M.Eng selaku bapak pembimbing selaku pembina utama yang telah melibatkan penulis dalam penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Permana,A., Fauzan, A. dan Christiand. 2011. Aplikasi Nanofluida pada Radiator. Departemen Teknik Mesin.Universitas Indonesia. Depok. [2] Syarif, G.D., dan Prajitno, H.D.2015. Synthesis
and Characterization of Fe3O4 Nanoparticles and
Water-Fe3O4 Nanofluids. The 10th International
Forum on Strategic Technology. Center for Applied Nuclear Science and Technology (PSTNT) - BATAN, Bandung.
[3] Choi, U.S, France, D.M, Knodel, B.D. 1992.The International District Heating and CoolingAssociation, Conference, Danvers, MA, June 13–17.Washington,DC. 343.
[4]Xiang-Qi Wang and Arun S. Mujumdar. A review
on nanofluids par I: Theoritical and numerical investigation. Brazilian Journal of Chemical
Engineering. 2008;.25(4): 613 – 630.
[5]Bahadur, D., S. 2006. Rajakumar, Ankit Kumar. Influence of fuel ratios on auto combustion synthesis of barium ferrite nano particles, J.Chem, Sci. Vol 118No. 1. pp 15-21.
[6] Samat, A.N., dan Nor, M.R.2012. Sol–gel synthesis of zinc oxide nanoparticles using Citrus aurantifolia extracts. Ceramics International 39. Department of Mathematics & Science, School of Engineering, Science & Technology,Persiaran Universiti.Malaysia.
[7]Irfandi. 2005. Karakterisasi Morfologi Lima Populasi Nanas (Ananas comosus). Skripsi Dipublikasikan. Bogor: Institut Pertanian Bogor. [8] Pratapa, Suminar. 2004. Prinsip-Prinsip Difraksi
Sinar-X. Makalah seminar XRD.
[9] Beiser, A. 1995.Konsep Fisika Modern Edisi Tiga. Jakarta, Erlangga.
[10]Agus Priyanto. 2015. Sintesis dan Aplikasi Silika dari Abu Daun Bambu Petung (Dendrocalamus asper (Schult.f.) Backer ex Heyne) Untuk Mengurangi Kadar Ammonium dan Nitrat pada Limbah Cait Tahu. Semarang : Universitas Islam Negeri WaliSongo.
[11] J, Martin. A. Swarbrik, dab Cammarata, A. 1993. Farmasi Fisik Dasar-Dasar Farmasi Fisik dalam Ilmu Farmasi. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia, hlm. 31.
[12]Mikrajuddin, A. 2010. Karakterisasi
Nanomaterial. Bandung: CV Rezeki Putra. [13] Rao, RR dan Fasad, KR. 2003. Effects of
Velocity- Slip and Viscosity variation on Journal Bearings. Vol 46. Hal 143-152. India.
[14] Rosiana, H. 2005. Analisis Viskositas Sukardjo. 2003. Rineka Cipta. Jakarta.
[15]Vaughn, J. M. Dan Wiliam R. O. 2007. Nanoparticle Angineering. Dalam: Swarbick ,
James. Encyclopedia of Pharmacetical
Technology Third Edition Volume I. New York: Informa Healthcare USA, 2384-2398.
[16]Seo Seok Bin, Bang In Cheol.2015. Effects Of Al2o3 Nanoparticles Deposition On Critical Heat
Flux Of R-123 In Flow Boiling Heat Transfer. Nucl Eng Technol. Elsevier. 47.398 -406.
[17]Rashin M. Nabeel, Hemalatha J. 2014. A novel ultrasonic approach to determine thermal conductivity in CuO–ethylene glycol nanofluids. Journal of Molecular Liquids. 197.257–262.
