BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pasir besi (Fe3O4) berukuran nano memiliki sifat ferimagnetik memiliki peluang

aplikasi yang luas. pengaplikasian pasir besi (Fe3O4) yang berukuran partikel nano

merupakan alternative yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan bahan baku industri di

bidang elektronik yang dalam perkembangan dan kebutuhannya kian meningkat. Fe3O4

berukuran nano memiliki aplikasi pada bidang industri seperti; keramik, katalis, energy

storage, magnetic data storage, ferofluida, maupun dalam diagnosis medis.

Metode kimia basah pada pembuatan partikel nano Fe3O4 merupakan cara alternative

sejak diketahuinya kekurangan dari metode keramik konvensional. Sintesis kimia basah dari

tingginya reaktivitas serbuk ternyata merupakan cara sangat efektif untuk menurunkan

temperature sintering dari ferit. Macam-macam metode sintesis kimia antara lain:

kopresipitasi, sintesis hidrotermal, metode prekursor sitrat, metode keramik-gelas (glass

ceramic) dan proses sol-gel (Costaa,A. C. F. M, 2003). Dalam penelitian ini dikembangkan

metode sederhana dalam fabrikasi partikel nano Fe3O4 yang berasal dari Aldrich dengan

metode kopresipitasi, dengan menggunakan pasangan asam dan basa, yaitu HCl sebagai

pelarut dan NH4OH sebagai pengendapnya dengan harapan akan menghasilkan partikel nano

Fe3O4. Metode ini dilakukan pada suhu 70oC dengan peralatan yang sederhana.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun permasalahan yang dihadapi dalam penelitian ini sebagai berikut :

1. Bagaimana mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal _ 100 nm berbahan dasar

Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi.

2. Bagaimana membandingkan komposisi fasa, morfologi dan sifat kemagnetan Fe3O4

dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam yang dihasilkan dari proses sintesis.

1

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dilakukan penelitian ini adalah:

1. Memperoleh partikel nano Fe3O4 dengan ukuran butir _ 100 nm berbahan dasar

Fe3O4 yang berasal dari pabrik (Aldrich).

2. Membandingkan komposisi fasa dan sifat kemagnetan Fe3O4 dari bahan pabrik

(Aldrich) dan alam yang dihasilkan dari proses sintesis.

2

BAB II

DASAR TEORI

Pasir merupakan bahan alam yang tersedia sangat melimpah di Indonesia. Pasir biasa

dimanfaatkan untuk bahan bangunan sebagai campuran semen dalam pembuatan tembok

sebagai pelapis batu bata. Pasir besi pada umumnya mempunyai komposisi utama besi oksida

(Fe2O3 dan Fe2O3), silikon oksida (SiO2), serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang

lebih rendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelah dilakukan pengujian,

misalnya dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence),

sehingga dapat digunakan dalam penelitian ini. Hal ini dapat menambah nilai jual pasir,

misalnya dengan memperkecil ukuran partikelnya menjadi partikel nano. Pasir besi umumnya

ditambang di areal sungai/dasar sungai atau tambang pasir (quarry) di pegunungan, tetapi

hanya beberapa saja pegunungan di Indonesia yang banyak mengandung pasir besi.

Transportasi di pegunungan juga sulit, karena medannya yang terjal dan berliku-liku. Hal ini

yang menyebabkan penambang pasir besi lebih memilih di areal sungai dari pada di

pegunungan, karena lebih mudah dijangkau.

(Anwar, 2007)

Sifat oksida besi yaitu:

Besi (II) oksida (FeO) atau oksida besi juga dikenal sebagai wustite dalam bentuk

mineral. Bubuk oksida hitam ini dapat menyebabkan ledakan seperti mudah terbakar.

Besi (III) oksida (Fe2O3) atau oksida besi juga dikenal sebagai bijih besi (bentuk alfa)

atau maghemite (bentuk gamma) dalam bentuk mineral. Sebagai bahan kimia industri

ini umumnya disebut rouge. Setelah dimurnikan, besi oksida digunakan sebagai

lapisan dalam media audio dan komputer. Dalam lingkungan yang kering atau alkali,

besi oksida itu dapat menyebabkan pengvasifan dan menghambat karat, namun juga

merupakan komponen utama karat.

Besi (II, III) oksida (Fe3O4) atau besi oksida besi juga dikenal sebagai magnetite atau

magnet dalam bentuk mineral (RM Cornell,2003).

Gambar 2.1 Struktur spinel Fe3O4

3

Krista magnetik Fe3O4 dengan struktur spinel dapat dilihat dari Gambar 2.1 . Struktur

tetrahedral: ion Fe dikelilingi oleh empat oksigen . Struktur oktahedral: ion Fe dikelilingi

oleh enam ion Oksigen. Material ferimagnetik atau biasa disebut ferit adalah bahan magnetik

yang mempunyai sifat khas yaitu keras, rapuh, tahan terhadap panas dan zat kimia,

mempunyai tahanan jenis listrik yang tinggi, sehingga banyak digunakan dalam bidang

elektronika. Ferit dapat termagnetisasi secara spontan pada temperature Currie dan bersifat

paramagnetic untuk temperatur di atas temperature Currie.

(Chrismant, J. Rhicard, 1988)

Dalam fasa ferimagnetik terbentuk domain magnetik dan terjadi hysteresis. Ferit

merupakan bagian terpenting dari ferimagnetik. Ferit adalah gabungan ion-ion dan memiliki

kemampuan magnetic berasal dari magnetic ion yang disebut kation. Berdasarkan struktur

kristalnya, ferit digolongkan menjadi 2 kelompok:

1. Kubik

Ferit yang mempunyai rumusan umum MO.Fe2O3, dengan M adalah ion logam divalent

seperti Mg, Mn, Fe, Ni, Zn, Co dan Cu. Ferit-ferit ini memiliki struktur spinel dan sering

disebut ferrospinel karena struktur kristalnya berhubungan erat pada spinel MgO.Al2O3,

dengan struktur komplek dan umumnya magnetik lunak (soft magnetic).

2. Heksagonal

Magnetit mempunyai rumus kimia Fe3O4 dan mempunyai struktur spinel dengan sel unit

kubik yang terdiri dari 32 ion oksigen, di mana celahcelahnya ditempati oleh ion Fe2+ dan

Fe3+. Delapan ion Fe3+ dalam tiap sel berada paa bagian tetrahedral (A), karena berlokasi di

tengan sebuah tetrahedron yang keempat sudutnya ditempati ion oksigen (Gambar 2.3a).

sisanya delapan ion Fe3+ dan delapan ion Fe2+ berada pada bagian oktahedral (B), karena

ion-ion oksigen disekitarnya menempati sudutsudut sebuah oktahedron (Gambar 2.3b) yang

sudut-sudutnya ditempati oleh enam atom oksigen (Hook, J, R & Hall, H, E, 1991). Tiap-tiap

unit sel berisi sejumlah ion, di mana secara kompleks sulit dibayangkan. Satu sel terbagi

menjadi 8 oktan (kubus spinel), masing-masing berukuran a/2 (Gambar 2.3c), empat oktan

yang berarsir memiliki ukuran isi yang sama, begitu pula dengan cara yang sama, tetrahedral

di oktan terarsir dan octahedral di oktan tidak terarsir (Cullity, B. D. 1972). Bentuk

heksagonal dari Fe3O4 dapat dilihat pada Gambar 2.4.

4

Gambar 2.3 struktur kubik ferit (cullity, B. D.1972), (a) posisi ion logam dalam kristal tetrahedral

(A), (b) posisi ion logam dalam octahedral (B), (c) gabungan tetrahedral dan octahedral, (d) kubik

magnet.

Gambar 2.4. struktur heksagonal Fe3O4 (Lemire.C, 2004). (a). gambar sisi samping dan atas

Fe3O4(1 1 1). (b) gambar STM Fe3O4(1 1 1) dari film (size 300 × 300 nm2) dengan ukuran atomik

sebesar 3 × 3 nm2.

Partikel nano magnetik memiliki sifat fisis dan kimia yang bervariasi dan dapat

diaplikasikan dalam berbagai bidang. Salah satu partikel magnetik tersebut yang dapat

dijadikan berukuran nanometer adalah besi oksida seperti Fe3O4 (magnetit). Lao et al., 2004,

meneliti bahwa partikel nano ini dapat dimanfaatkan sebagai material untuk kegunaan sistem

pengangkutan obat-obatan (Drug Delivery System = DDS), Magnetic Resonance Imaging

(MRI), dan terapi kanker. Agar dapat diaplikasikan dalam bebagai bidang tersebut, sangatlah

5

penting untuk mempertimbangkan ukuran partikel, sifat magnetik, dan sifat permukaan dari

partikel nano itu sendiri.

(a) (b)

Gambar 2.5 (a) Serbuk Fe3O4, (b) Struktur Fe3O4

Dalam beberapa tahun belakangan ini, para peneliti dapat mensintesis partikel nano

Fe3O4 dengan metode-metode yang berbeda. Seperti metode sol gel yang dikembangkan

oleh Xu et al., 2007. Lain lagi dengan dilakukan oleh Iida et al., 2007 yang memilih

mensintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode hidrolisis terkontrol sedangkan Hong et al.,

2007 memilih metode kopresipitasi dalam air. Di antara sekian metode sintesis tersebut,

metode kopresipitasi yang paling sederhana karena prosedurnya lebih mudah dilakukan dan

memerlukan suhu reaksi yang rendah (<100 oC). Metode kopresipitasi merupakan proses

kimia yang membawa suatu zat terlarut ke bawah sehingga terbentuk endapan yang

dikehendaki. Teknik ini sering dipakai untuk memisahkan analit dari pengotornya.

Untuk sintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode kopresipitasi, perbandingan/rasio

antara ion ferrous (Fe2+) dan ion ferric (Fe3+) dalam medium basa (alkali) sangat

mempengaruhi hasil akhir sintesis. Efeknya meliputi rentang diameter ukuran partikel dan

sifat magnetik yang dihasilkan. Telah dilaporkan bahwa valensi garam logam yang digunakan

dalam sintesis memegang peranan penting dalam menentukan ukuran partikel. Dalam hal ini,

ukuran partikel nano Fe3O4 dengan variasi prosentase molar ion ferrous terhadap jumlah

total ion besinya dalam rentang ~9 nm sampai ~40 nm (Iida et al., 2007).

Pada penelitian yang lain diungkapkan bahwa pH awal dan suhu larutan garam besi

selama proses kopresipitasi sangat mempengaruhi pembentukan magnetit. Ukuran partikel

rata-rata yang diperoleh dengan pH awal larutan 0,7; 1,5; 3; 4,7 berturut-turut adalah 6,4; 7,6;

9,9; dan 9,9 nm. Penentuan ukuran partikel ini penting karena disesuaikan dengan aplikasinya

nanti. Misalnya, untuk mengontrol target seperti protein, gen, dan sel, diperlukan partikel

6

berukuran diameter berturut-turut 5-50 nm, 2 nm dan panjang 10-100 nm (Gnanaprakash et

al., 2007)

Proses magnetisasi bahan ferimagnetik salah satunya dapat menggunakan medan dari

luar (external). Gambar 2.4 mengilustrasikan proses magnetisasi sebagai akibat peningkatan

medan luar. Dimulai dari daerah asal, magnetisasi M meningkat secara lambat pada

permulaan, tetapi menjadi labih cepat seiring dengan meningkatnya medan, dan bahkan M

menjadi jenuh (saturasi) pada titik A.

Gambar 2.6 Kurva Histeresis bahan

Ferromagnetic

Jika sekarang medan dikurangi, kurva baru tidak kembali ke kurva asal OA, tetapi

melalui garis AD seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.4. Bahkan bilamana medan

dikurangi sampai nol, magnetisasi M diketahui sebagai “magnetisasi remanent”. Untuk

menghilangkan magnetisasi ini diperlukan medan negative -Hc , medan H berubah secara

periodic, sehingga bentuk kurvanya menjadi penuh seperti dalam Gambar 2.4 di atas.

Hysteresis ini menyatakan hilangnya energy dalam sistem. Hilangnya energy ini sebanding

dengan luas loop. (Darminto, 2002)

Pada kurva histeresis ada yang disebut remanensi (Hr). remanensi adalah medan

kebalikan, bila diterapkan dan kemudian dihapus, akan mengurangi remanensi saturasi ke

nol. Nilai Histeresis suatu bahan tergantung pada ukuran butir, domain, stres, dan suhu.

7

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Peralatan dan Bahan

3.1.1 Peralatan

Peralatan yang digunakan dalam eksperimen ini antara lain adalah gelas beker, gelas

ukur, pipet, timbangan digital, ayakan, corong kecil, tissue, thermometer, kertas saring,

magnet permanent, oven untuk untuk pengeringan, furnace sebagai alat pemanas dan

pengaduk magnetik (hot plate dan magnetik stirrer). Untuk karakterisasi fasa dipakai

difraktometer sinar-X (XRD), TEM untuk mengamati morfologi ukuran parikelnya dan VSM

untuk memperoleh kurva magnetisasi suatu bahan.

3.1.2 Bahan

Bahan utama yang digunakan dalam sintesa Fe3O4 adalah pasir besi dari Aldrich,

Larutan HCl 12,07 M dan NH4OH 6,49 M dipakai dalam sintesa dengan metode

kopresipitasi. Aquades digunakan sebagai bahan pencuci dalam proses kopresipitasi

3.2 Prosedur Kerja

3.2.1 Sintesis Partikel Nano Fe3O4 dari Pasir Besi Alam

Partikel nano Fe3O4disintesis dengan metode kopresipitasi. Pasir besi yang telah

diekstrak diuji dengan XRD kemudian dilarutkan dalam HCl 12,07 M sebanyak 35 ml pada

suhu ~ 70° C dan diaduk sekitar 30 menit dalam magnetic stirrer. Adapun persamaan

reaksinya sebagai berikut:

3Fe3O4 (s) + 8HCl(l) _ 2FeCl3 (l) +

FeCl2 (l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l)+ H2(g )

Setelah larutan terbentuk, dilakukan penyaringan dengan menggunakan kertas saring.

NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di aduk dengan pengaduk magnetik dan

dipanaskan dengan magnetik stirrer pada suhu ~ 70° C selama 30 menit. Adapun persamaan

reaksinya sebagai berikut:

2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + H2O(l) + 8NH4OH(l) → Fe3O4(s)+ 8NH4Cl(l) + 5H2O(l)

8

Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian dicuci berulang-ulang dengan aquades sampai

bersih dari pengotornya kemudian disaring. Cara pencucian adalah dengan menempatkan

hasil reaksi pada gelas ukuran besar kemudian diberi aquades sebanyak yang bisa ditampung

gelas itu.

Magnet permanen ditempatkan dibawah gelas dengan tujuan bisa menarik Fe3O4

supaya mengendap lebih cepat dibandingkan Fe2O3. Bila sudah terjadi endapan didasar gelas

air di dalam gelas dibuang dengan penuangan yang hati-hati agar endapan kental yang

berwarna hitam (Fe3O4) tidak ikut terbuang. Kemudian bahan material hasil endapan ini

dikeringkan di dalam oven pada suhu 70° C sekitar 2 jam.

Gambar 3.1. Skema kerja penelitian partikel

nano Fe3O4 dari pasir besi alam

9

BAB IV

ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Hasil Pengamatan Difraksi Sinar X

Adapun data hasil pengamatan yang diperoleh dalam percobaan ini, terdapat pada

table 4.1.

Tabel 4.1 Data yang diperoleh dari refine

Software Maud

Bahan Parameterkisi

Ukuranrata-rata

(nm)

Varian

Pasir besi 0,839±4x10-4

384,2 ± 0,2

1,55±1,2

Pasir besi sintesis 8,377±3x1

0-4

10,9 ± 3,5 1,9 ± 0,3

Aldrich 8,391±2x1

0-4

77,2 ± 1,3 2,8 ± 0,015

Aldrich sintesis 8,383±7x1

0-4

5,5 ± 0,1 1,2 ± 0,1

4.2 Analisa Data

Dari data hasil pengamatan, didapatkan grafik sebagai berikut:

10

Gambar 4.2. Grafik distribusi ukuran kristal Fe3O4.

4.3 Pembahasan

Bubuk pasir yang mengandung besi diekstrak menggunakan besi permanen untuk

diambil biji Fe3O4 nya kemudian di uji dengan XRD untuk mengetahui fasa apa saja yang

terkandung.

Pengujian menggunakan XRD ini juga dilakukan pada Fe3O4 yang berasal dari Aldric, baik

sebelum disintesis maupun sesudah disintesis. Lebarnya puncak dari masing-masing grafik

sampel (gambar 4.1) menunjukkan banyaknya sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl

yang sama. Sehingga semakin tinggi puncak difraksi maka semakin banyak sinar-X yang

terhambur pada bidang dhkl yang sama. Lebar dan tinggi grafik XRD mengidentifikasikan

ukuran partikel dari suatu sampel. Hal ini terlihat dari XRD pada bahan Fe3O4 dari pasir besi

yang belum disintesis mengalami pelebaran grafik setelah disintesiss. Begitu pula pada Fe3O4

yang berasal dari Aldric yang belum disintesis memiliki FWHM yang lebih besar dari pada

yang telah disintesis. Dengan demikian bahan yang telah disintesis dengan metode

kopresipitasi memiliki sifat lebih nanokristalin dari pada yang belum disintesis.

Berdasarkan hasil pola difraksi sinar X pada gambar4.1 kemudian dilakukan analisa

secara kualitatif yaitu dengan identifikasi fasa yang didasarkan pada pencocokan data

posisiposisi puncak difraksi yang terukur dengan basis data (database). Fasa-fasa yang telah

dikompilasi yaitu dalam bentuk CD PDF (Powder Difraction File). Setelah itu pencarian

posisi puncak dan pencocokan pada fasa basis data dilakukan dengan langkah mencari dan

mencocokkan (search-mach) secara manual. Sehingga dapat diketahui kandungan fasa yang

ada di dalamnya selanjutnya dilakukan analisa kuantitatif untuk menentukan prosentase

Fraksi Volume Fe3O4 pada pasir besi dengan menggunakan metode hanawalt:

11

Dari perhitungan yang dilakukan didapatkan bahwa prosentase Fraksi Volume dari

Fe3O4 adalah sebesar 64.15%. Sedangkan pada serbuk Fe3O4 yang berasal dari Aldric tidak

dilakukan perhitungan untuk menentukan prosentase Fraksi Volumenya karena sudah

mendapat lisensi mengandung 100% Fe3O4. Pasir besi yang telah memiliki fasa Fe3O4

dilarutkan dalam larutan HCl menghasilkan senyawa-senyawa menurut reaksi berikut:

3Fe3O4(s) + 8HCl(l) → 2FeCl3(l) + FeCl2(l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l) + H2(g)

Dari hasil larutan hasil reaksi tersebut, terdapat ion-ion Fe2+ dan Fe3+ sekaligus yang

menjadi dasar dari sintesis Fe3O4. Pembentukan partikel nano dengan cara kopresipitasi dari

larutan ini dilakukan melalui pengendapan dengan larutan basa NH4OH dengan reaksi

sebagai berikut:

2FeCl3(l) + FeCl2(l) + H2O(l) + 8NH4OH(l) → Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l) + 5H2O(l)

Endapan (presipitat) berwarna hitam akan terbentuk dengan segera saat larutan hasil

reaksi pertama dicampur dengan larutan basa. Reaksi pembentukan yang cepat ini yang

menjadi penyebab partikel Fe3O4 berukuran nano.

Pengujian XRD digunakan sebagai karakterisasi pertama yang dilakukan untuk

mengetahui fasa apa yang terkandung dalam sampel serbuk hasil sintesis dengan metode

kopresipitasi. Hasil XRD ini memperlihatkan bahwa terdapat fasa Fe3O4 dan tidak ditemukan

fasa lain. Data yang cocok pada saat searhmarch adalah JCPDS dari Fe3O4 (#19-0629).

Semua puncak pola difraksi untuk sampel tersebut teridentifikasi sebagai fasa Fe3O4

berstruktur kubik dengan konstanta kisi a = 8,356 Å, yang mendekati dengan data ICSD No.

82237 (a = 8,3873 Å).

Data hasil XRD juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal masing-masing

sampel dengan menggunakan software Maud. Hasil pengolahan Fe3O4 dari pasir besi alam

setelah disintesis ukuran kristalnya 10,9 ± 0,3 nanometer yang sebelumnya berukuran 384,2 ±

0,2 nm. Sedangkan hasil olah data dengan Maud untuk sampel Fe3O4 yang berasal dari

Aldrich memiliki ukuran kristal sebesar 77,2 ± 1,28 nanometer dan setelah disintesis dengan

metode kopresipitasi ukuran kristalnya menjadi 5,5 ± 0,1 nanometer.

12

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Adapun kesimpulan yang di dapat dalam percobaan ini adalah:

Ukuran kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari sinteseis Fe3O4 Aldrich adalah 5,5 ± 1,3

nanometer dan dari pasir alam sebesar 10,9 ± 3,5. Dari hasil analisis sifat magnet diperoleh

nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4 dari pasir besi, Aldrich yang belum disintesis dan

Aldrich yang telah disintesis berturut-turut sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6

emu/gram dan medan koersifitas, HC sebesar 1,69x10-2 Tesla, 2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-2

Tesla.

5.1 SARAN

1. Perlu adanya kecermatan dalam proses sintesis untuk memperoleh hasil yang lebih baik.

2. Sampel yang hendak diuji sebaiknya disimpan dalam wadah yang benar-benar kedap udara

dan langsung diuji setelah disintesis (tidak menunggu waktu yang lama).

3. Perlu mengetahui perbandingan ukuran

partikel dengan ukuran kristalnya

13

DAFTAR PUSTAKA

Anwar, Muhammad. (2007). Sintesis dan Karakterisasi Ferofluida Berbahan Dasar Pasir

Besi Peg-400 Sebagai Media Template. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh

Nopember: Surabaya

Arisandi, Dhesi Mia (2007). Pengaruh Pemanasan dan Jenis Surfaktan Pada Sifat

Megnetik Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi. Tugas Akhir, Institut

Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.

Cornell, RM, dkk (2003). The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences

and Uses. Wiley VCH.

http://en.wikipedia.org/wiki/Iron_o

xide

Darminto,dkk (2002). Fisika Zat Padat II. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya

14