bab ii. tinjauan pustakarepository.ump.ac.id/2275/3/septi wijayanti, bab ii .pdf · proses...

4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Zeolit

Zeolit merupakan material yang memiliki banyak kegunaan. Zeolit

telah banyak diaplikasikan sebagai adsorben, penukar ion, dan sebagai

katalis. Zeolit adalah mineral kristal alumina silikat tetrahidrat berpori yang

mempunyai struktur kerangka tiga dimensi, terbentuk oleh tetrahedral

[SiO4]4- dan [AlO4]5- yang saling terhubungkan oleh atom-atom oksigen

sedemikian rupa, sehingga membentuk kerangka tiga dimensi terbuka yang

mengandung kanal-kanal dan rongga-rongga, yang didalamnya terisi oleh

ion-ion logam, biasanya adalah logam-logam alkali atau alkali tanah dan

molekul air yang dapat bergerak bebas. (Lestari. 2010)

Proses terbentuknya zeolit alam karena adanya proses kimia dan fisika

yang kompleks dari batu –batuan yang mengalami berbagai macam

perubahan di alam. Para ahli geokimia dan mineralogi memperkirakan bahwa

zeolite merupakan produk gunung berapi yang membeku menjadi batuan

vulkanik, batuan sedimen dan batuan metamorfosa yang selanjutnya

mengalami proses pelapukan karena pengaruh panas dan dingin sehingga

akhirnya terbentuk mineral-mineral zeolit. Anggapan lain menyatakan proses

terjadinya zeolit berawal dari debu-debu gunung berapi yang beterbangan

kemudian mengendap di dasar danau dan dasar lautan. Debu-debu vulkanik

tersebut selanjutnya mengalami berbagai macam perubahan oleh air danau

atau air laut sehingga terbentuk sedimen-sedimen yang mengandung zeolit di

dasar danau atau laut tersebut. (Lestari. 2010)

PEMBUATAN MEMBRAN KERAMIK…, Septi Wijayanti, FAKULTAS TEKNIK UMP,2015

5

Jenis zeolit alam dibedakan menjadi 2 kelompok, yaitu:

a. Zeolit yang terdapat di antara celah-celah batuan atau di antara lapisan.

Batuan zeolit jenisini biasanya terdiri dari beberapa jenis mineral zeolit

bersama-sama dengan mineral lain seperti kalsit, kwarsa, renit, klorit,

fluorit dan mineral sulfida.

b. Zeolit yang berupa batuan : hanya sedikit jenis zeolit yang berbentuk

batuan, diantaranya adalah: klinoptilolit, analsim, laumontit, mordenit,

filipsit, erionit, kabasit dan heulandit (Lestari. 2010).

Telah disebutkan (dalam Eddy. 2010) bahwa molekul air terdapat

pada zeolit sifatnya labil sehingga dengan cara pemanasan diatas 100 oC, air

pori tersebut dapat diusir sehingga terbentuk pori-pori zeolit yang dapat

memungkinkan zeolit dapat menyerap molekul-molekul yang mempunyai

garis tengah lebih kecil dari pori-pori zeolit tersebut.

Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan baik secara fisika maupun secara

kimia. Aktivasi secara fisika dilakukan melalui pengecilan ukuran butir,

pengayakan, dan pemanasan pada suhu tinggi, tujuannya untuk

menghilangkan pengotor pengotor organik, memperbesar pori, dan

memperluas permukaan. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui

pengasaman. Tujuannya untuk menghilangkan pengotor anorganik.

Pengasaman ini akan menyebabkan terjadinya pertukaran kation dengan H+ :

oleh Ertan (Lestari. 2010).


6

Kualitas zeolite berdasarkan Kapasitas Tukar Kation (KTK)nya dapat

ditingkatkan dengan cara pengaktifan. Cara pengaktifan ini dilakukan antara

lain :

1. Dengan pemanasan pada suhu 300 °C selama kurun waktu 2 sampai 4

jam.

2. Dengan cara kimia menggunakan asamsulfat H2SO4. Konsentrasi H2SO4

0,2 N dan konsistensi zeolit 12,5 % dengan waktu pengaktifan 1,0 sampai

1,5 jam. Setelah pengaktifan zeolite dicuci kembali dengan air sampai

netral. Dengan cara kimia basah menggunakan kostik soda atau natrium

hidroksida (NaOH). Konsentrasi NaOH 0,5 N dan konsistensi zeolit 12,5

% dengan waktu pengaktifan antara 2 sampai 3 jam. Setelah pengaktifan,

zeolite dicuci kembali dengan air. (Eddy. 2012)

Beberapa sifat unik dari zeolit antara lain :

a. Sebagai penyaring molekul

Zeolit memiliki kemampuan untuk menerima molekul – molekul dengan

ukuran tertentu untuk diasorbsi, sementara menolak molekul – molekul

lain yang ukurannya lebih besar, sehingga zeolit sering dikenal sebagai

penyaring dan digunakan dalam banyak hal untuk memanfaatkan sifat

penyaring tersebut.

b. Mudah dimodifikasi

c. Dapat dipergunakan kembali

d. Tidak beracun sehingga aman dipergunakan, bahkan untuk proses

penyaringan air.


7

Kegunaan zeolit seperti yang disebutkan (dalam Eddy. 2010) antara

lain : dapat dipergunakan untuk berbagai macam keperluan, baik dalam

bidang industri, pertanian, perkebunan, peternakan, perikanan, lingkungan,

pengolahan air dan keperluan lainnya. Penggunaan zeolit untuk berbagai

keperluan tesebut harus memenuhi spesifikasi yang telah baku dan butuh

pengolahan yang benar agar dapat dipergunakan sesuai yang dibutuhkan.

Mutu zeolit dapat diketahui atau dikaji berdasarkan hasil uji laboratorium,

yang meliputi antara lain analisis mineralogi, analisis butir/ayak, analisis

kimia, analisis difraksi sinar X (XRD) dan petrografi serta pertukaran ion atau

harga kapasitas tukar kation (KTK)nya, baik sebelum maupun sesudah

diaktifasi. (Dalam Eddy. 2010) menyebutkan bahwa sifat zeolit yang penting

dalam penggunaannya, antara lain pertukaran ion, adsorpsi/desorpsi air,

adsorpsi gas dan bobot isi ruah (density) serta porositas.

A. Pertukaran Ion

Disebutkan dalam penelitian “Potensi dan Pemanfaatan Zeolit di

Provinsi Jawa Barat dan Banten” oleh Eddy. 2010 bahwa Zeolit mempunyai

kapasitas tukar kation (KTK) selektif yang tinggi yang membuatnya cocok

untuk pemakaian yang beragam. Penggunaan zeolit yang didasarkan atas sifat

KTK antara lain pengolahan limbah nuklir, pengolahan limbah metalurgi,

budidaya air, makanan tambahan untuk ternak, penghilang bau, pemindahan

tanah (soil amendment). KTK bergantung pada beberapa faktor antara lain a)

sifat kation antara lain ukuran, muatan, b) suhu, c) konsentrasi jenis kation

dalam larutan, dan d) karakteristik struktur zeolit. KTK dapat ditingkatkan


8

dengan memperkecil ukuran partikel yaitu bila zeolit terdapat sebagai kristal

besar (dalam order mm atau cm) atau bila bahan berzeolit bersifat pejal atau

tak berpori. Perlu diketahui bahwa dalam penentuan KTK untuk suatu contoh

yang sama dapat menghasilkan angka yang sama sekali berbeda untuk

laboratorium yang berbeda. Hal ini bergantung pada metode dan peralatan

yng digunakan, dan banyaknya percobaan. Parameter yang dapat

menyebabkan perbedaan hasil KTK antara lain kation penukar dan

konsentrasinya, waktu dan suhu pertukaran, kesempurnaan pencampuran

selama pertukaran, apakah contoh telah mengalami perlakuan sebelumnya

dengan pemanasan, penukaran ion, atau pengatusan (leaching), dan apakah

contoh yang digunakan berbeda ukuran partikelnya. Oleh karena itu dalam

hal ini perlu adanya standarisasi metode pengujian secara internasional dan

material zeolit untuk acuan. Kualitas zeolit berdasarkan Kapasitas Tukar

Kation (KTK)nya dapat ditingkatkan dengan cara pengaktifan.

B. Adsorpsi / Desorpsi Air

Adsorpsi didefinisikan sebagai proses melekatnya molekul atau zat

pada permukaan padatan atau cairan. Gejala adsorpsi timbul sebagai akibat

hasil gaya permukaan pada padatan, gas, uap, cairan atau larutan, dan

material tersuspensi atau koloid. Kira-kira20 % sampai 50 % volume total

kristal zeolit terdiri dari ruang terbuka yaitu dari kerangka struktur

aluminosilikat dan rongga antar kristal. Struktur dalam ini bersifat sangat

lekat air (hydrophilic), biasanya penuh dengan air. Bila air ini dikeluarkan

baik dengan pemanasan atau dengan evakuasi, zeolit yang telah mengalami


9

dehidrasi menjadi adsorben air yang baik sekali. Bila zeolit dehidrat kena

udara ia akan dengan cepat menjerap air lembab. Maka dari itu zeolit dehidrat

terutama efektif untuk mengatur tingkat kelembaban dalam kondisi

kelembaban rendah. Sifat zeolit yang dapat dehidrasi/rehidrasi dapat juga

digunakan untuk alat pendingin. (Eddy. 2010)

C. Bobot Isi Ruah (Bulk Density) dan Porositas

Bobot isi ruah adalah berat kering suatu volume bahan dalam keadaan

utuh dinyatakan dalam g/cm3, sehingga volume bahan disini merupakan

volume padatan dan isi ruang diantaranya (ruang pori). Sehingga semakin

besar volume padatan dan ruang pori semakin kecil densitas (bobot isi ruah)

dan sebaliknya. Bobot isi mineral zeolit umumnya cukup rendah, berkisar

antara 2,1 sampai 2,2 g/cm3. Bobot isi batuan berkadar zeolit tinggi

cenderung mempunyai bobot isi yang lebih rendah (2,1 – 2,2 g/cm3)

dibandingkan dengan batuan yang mengandung mineral ikutan lainnya (± 2,5

g/cm3). Bobot isi yang relatif rendah dari batuan berkadar zeolit tinggi ini

memberi gambaran mengenai keberadaan mineral zeolit, mineral massa dasar

batuan, dan porositas. Batuan berkadar zeolit tinggi cenderung mempunyai

porositas yang tinggi (10-20%) pada pemanasan 50°C. Porositas bisa

ditentukan dengan pemanasan zeolit pada suhu tertentu dan pengamatan

penyerapan air dalam vakum. Pada pemanasan 50°C, air yang terjerap pada

mineral dan pori-pori batuan akan menguap, sedangkan pada pemanasan

sampai 200°C batuan berkadar zeolit tinggi mengalami kenaikan porositas.

Hal ini terjadi karena air yang terikat pada saluran-saluran dalam kerangka


10

zeolit menguap. Batuan berkadar zeolit rendah menunjukkan porositas yang

sama pada pemanasan 50°C dan 200°C. (Eddy. 2010)

2.2 Teknologi membran

Prinsip operasi pemisahan dengan membran adalah memisahkan satu

atau lebih komponen dari suatu aliran fluida. Secara umum proses ini

digunakan untuk memisahkan makro molekul, substansi biologi, komponen

yang tidak terlarut (suspensi dan koloid) serta partikel lain yang tidak

dikehendaki dalam suatu cairan. Parameter utama yang digunakan dalam

penilaian kinerja membran filtrasi adalah fluks dan rejeksi (Yuliani, dkk.

2008).

Kinerja membran dapat menurun dengan semakin panjang waktu

filtrasi yang ditunjukkan dengan penurunan fluks. Penurunan fluks dapat

disebabkan oleh beberapa faktor antara lain polarisasi konsentrasi,adsorbsi,

pembentukan lapisan gel dan penyumbatan pada membran yang disebut

fouling (Yuliani, dkk. 2008). Fouling dapat diatasi dengan pencucian hidrolik

yang dikenal dengan back pulsing atau backflushing. Metode ini pada

prinsipnya membalikkan aliran permeat melalui membran dalam periode

waktu yang sangat pendek dan frekuensi yang tinggi untuk mengangkat atau

mengeluarkan partikel - partikel pengotor dari permukaan atau pori membran.

Backflushing efektif dalam mengurangi fouling dan dapat menjaga fluks tetap

tinggi. Selain itu, backflushing dapat mengembalikan fluks seperti semula

hingga 97,5% (Yuliani, dkk. 2008).


11

Beberapa parameter utama dalam proses pemisahan menggunakan

membran yaitu Permeabilitas dan Permselektivitas.

Permeabilitas

Permeabilitas suatu membran merupakan ukuran kecepatan dari suatu

spesi atau konstituen menembus membran. Secara kuantitas, permeabilitas

membran sering dinyatakan sebagai fluks atau koefisien permeabilitas.

Definisi dari fluks adalah jumlah volume permeat yang melewati satuan luas

membran dalam waktu tertentu dengan adanya gaya dorong dalam hal ini

berupa tekanan. Secara sistematis fluks dirumuskan sebagai

(Notodarmojo,dkk. 2004) :

dimana :

J = Fluks (l/m2.jam)

V = Volume permeat (ml)

A = Luas permukaan membran (m2)

t = Waktu ( jam)

Laju fluks akan menurun sejalan dengan waktu akibat adanya

polarisasi konsentrasi, fouling dan scaling. Secara berkala dilakukan

pencucian dengan air, ataupun dengan zat kimia (chemical washing) seperti

misalnya dengan NaOH, Na acetat atau asam sitrat untuk mengatasi fouling

yang terjadi.


12

Permselektivitas

Permselektivitas suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu

membran untuk menahan suatu spesi atau melewatkan suatu spesi tertentu.

Parameter yang digunakan untuk menggambarkan permselektivitas membran

adalah koefisien rejeksi (R). Koefisien rejeksi adalah fraksi konsentrasi zat

terlarut yang tidak menembus membran, dan dirumuskan sebagai berikut

(Notodarmojo. 2004)

dimana :

R = Koefisien rejeksi (%)

Cp = Konsentrasi zat terlarut dalam permeat

Cf = Konsentrasi zat terlarut dalam umpan.

Porositas

Porositas merupakan banyaknya ruang kosong antar bulir pada

struktur mikro material. (Prihatin, Tri Joko. 2011)

Porositas dirumuskan sebagai :

dimana :

mb = massa basah (gr)

mk = massa kering (gr)

V sample = volume sample (cm3)


13

Densitas

Densitas adalah pengukuran massa per satuan volume. Semakin tinggi

densitas (massa jenis), maka semakin besar pula massa setiap volumenya.

Kerapatan atau densitas membran dirumuskan sebagai berikut : (Prihatin, Tri

Joko. 2011)

Dengan :

= massa jenis objek (gr/cm3)

m = massa total objek (gr)

V = volume total objek (cm3)

Membran diklasifikasikan kedalam beberapa jenis berdasarkan ukuran

partikel yang dapat dipisahkan. Jenis – jenis membran tersebut adalah sebagai

berikut :

1. Mikrofiltrasi

Ukuran pori : 0.05 – 10 µm

Driving force : Tekanan < 2 bar

Aplikasi : Aplikasi analitis, sterilisasi (pangan, minuman, farmasi,

klarifikasi minuman (juice, bir, wine), pemisahan sel /

biomassa/bioreaktor, air ultra – bersih, recovery metas sebagai oksida atau

hidroksida koloid, fermentasi kontinyu, pemisahan emulsi air – minyak,

waste water treatment, plasma pheresis.

2. Ultrafiltrasi

Dapat memisahkan bahan berukuran > 0.005 µm (BM >1000 Da).


14

Ukuran pori : 1 – 100 nm

Driving force : Tekanan 1 – 10 bar

Aplikasi : industri susu, industri pangan (pati, protein), klarifikasi

minuman, pemisahan emulsi minyak – air, recovery electropaint dan

produk – produk samping, farmasi (enzym, antibiotik, pyrogen), waste

water treatment, daur ulang air, disinfeksi, penghilangan minyak,

membran bio – reaktor.

3. Nanofiltrasi

Ukuran Pori : < 2 nm

Driving force : Tekanan (10 – 25 bar)

Aplikasi : desalinasi air payau, penyisihan mikropolutan, pelunakan

air, waste water treatment, retensi pewarna (industri tekstil).

4. Reverse osmosis

Ukuran pori : < 2 nm

Driving force : tekanan air payau 15 – 25 bar, air laut 40 – 80 bar

Aplikasi : Desalinasi air payau/air laut, produksi air ultra bersih

(industri elektronik), pengkonsentrasian jus atau gula, penyisihan

mikropolutan, waste water treatment.

2.3 Membran keramik dan pembuatannya

Keramik merupakan sebuah senyawa padatan yang terbentuk

melalui panas, atau kombinasi panas dan tekanan, yang tersusun setidaknya

dari dua unsur yang salah satu diantara unsur penyusunnya adalah unsur


15

padatan non logam.Unsur lainnya dapat berupa logam atau unsur non logam

lainnya (Sunaryo, dalam Barsom, 1997).

Membran keramik merupakan sebuah media selektif permeable

yang mempunyai pori dengan diameter tertentu, sedangkan factor

permeabilitas dan separasi merupakan indicator – indicator yang paling

penting dalam menentukan performanya. Ciri – ciri membran keramik berpori

yaitu dilihat dari ketebalan, ukuran pori dan permukaan porositas dari

membran.(Sunaryo, dalam Li,2007).

Membran keramik kebanyakan dibuat dalam dua bentuk geometri

utama yaitu tubular dan flat. Kelebihan membran keramik terletak pada

stabilitas termalnya yang baik, memiliki ketahanan terhadap senyawa kimia

dan degradasi biologis ataupun mikroba, dan relatif mudah untuk dibersihkan

dengan cleaning agent. Saat ini implementasi membran keramik juga banyak

dijumpai pada industri kimia (untuk pemisahan produk dan pembersihan),

industri logam (daur ulang dan pembuangan zat zat penghilang minyak dan

lemak, recovery logam berat),industri tekstil (penghilangan zat warna),

makanan dan minuman (penjernihan jus dan bir, sterilisasi susu dan whey

(Nasir, 2013).

Umumnya, proses fabrikasi membran keramik berpori terdiri atas

tiga tahapan yaitu 1) pembentukan suspensi partikel, 2) pembuatan suspensi

partikel menjadi prekursor membran dengan bentuk tertentu seperti flat-sheet,

monolith atau tubular dan 3) konsolidasi membran keramik dengan perlakuan

panas pada suhu tinggi ( Li, 2007).


16

2.4 Penelitian sebelumnya terkait tentang pembuatan membran keramik

P. Hristov, dkk (2012), melakukan penelitian yang bertujuan untuk

mempelajari pembuatan membran keramik interlayer dan top layer pada

support berpori menggunakan proses dip coating dari zeolite alam.

Dilanjutkan dengan melakukan karakterisasi dari membran keramik yang

sudah dipanaskan pada suhu yang berbeda.

Proses preparasinya meliputi sedimentasi powder zeolite, semi dry

pressing, seintering pada bagian support dan juga membran layer, proses dip

coating. Bagian support berporidicetak dengan menggunakan semi dry

pressing dalam disk berdiameter 30 mm dan ketebalan 4 mm dari powder

zeolite yang memiliki ukuran partikel rata rata < 20 µm dan suhu sintering

dari 800oC, 850

oC, 900

oC dan 1000

oC. Kemudian dilakukan analisis terhadap

physical – mechanical propertisnya.

Lapisan membran disiapkan pada support dengan proses dip coating

diikuti drying dan sintering pada suhu 800oC. Sebagai coating pada support

menggunakan 8% powder zeolite (untuk interlayer menggunakan ukuran

partikel <10µm dan bagian top layer dengan ukuran partikel < 5µm), air

suling 0,75% defloculant dolapix P67 dan 1 % PVA (Optapix PAF)

Hasil penelitian menunjukan dengan kenaikan suhu sintering, porositas

membran menurun dan pada suhu 1000oC porositasnya nol. Untuk support

membran dibutuhkan porositas besar yang dihasilkan pada suhu sintering

800oC yaitu 38%. Pada suhu ini juga membran multilayer tidak ditemukan

adanya crack dan adhesi antara interlayer dengan top layer juga sangat baik.


17

Penelitian lain mengenai teknologi membran antara lain :“

Pengembangan Bahan Membran Keramik Untuk Peningkatan Kualitas Air

Minum “ (Sunaryo. 2010) ,Pada penelitian tersebut dilakukan pembuatan

membran keramik berbahan dasar zeolit serta batu bara sebagai aditif.

Selanjutnya dilakukan pembakaran pada suhu 870 oC. Kesimpulan dari

penelitian tersebut “dengan penambahan batu bara semakin banyak maka debit

dan permeabilitas membran semakin besar”. Selain untuk pemurnian air

membran keramik juga dapat digunakan sebagai adsorben gas emisi seperti

CO, Nox, dan CO2 seperti penelitian yang dilakukan oleh (Supriyatna, dkk.

2011). Dalam penelitian tersebut “digunakan zeolit yang lolos ayakan mesh 80

serta ditambahkan TiO2 dengan variasi yang berbeda. Pemanasan dilakukan

pada suhu 200 oC selama 2 jam untuk mengaktifkannya”. Hasil penelitian

tersebut menunjukan hasil yang positif dengan pemakaian membran keramik

dapat menurunkan gas emisi.

Selanjutnya membran keramik juga dapat digunakan untuk

peningkatan kualitas bahan bakar biogas berdasarkan dalam penelitian yang

dilakukan oleh Nurkholis, dkk. 2011. Dalam penelitian tersebut “digunakan

zeolit alam yang telah diaktivasi menggunakan KOH yang kemudian

dilakukan proses pemanasan pada suhu 300 oC selama 2 jam”.


bab ii. tinjauan pustakarepository.ump.ac.id/2275/3/septi wijayanti, bab ii .pdf · proses...

Documents