kajian sifat listrik membran telur terhadap...
TRANSCRIPT
-
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perkembangan teknologi membran saat ini
telah meluas pada berbagai kalangan, baik
kalangan akademis maupun industri. Salah
satu aplikasi teknologi membran adalah
teknologi pemisahan zat-zat kimia yang
sangat penting dalam kehidupan. Teknologi
membran memiliki banyak keunggulan
dibandingkan proses-proses pemisahan
lainnya, antara lain dalam hal energi,
sederhana, dan ramah lingkungan.
Keberhasilan proses pemisahan dengan
membran tergantung pada kualitas membran
tersebut. Beberapa parameter yang penting
dalam menentukan kualitas suatu membran
diantaranya yaitu mempunyai permeabilitas
yang tinggi, selektifitas yang tinggi, stabil
pada temperatur yang tinggi, kestabilan
mekanik dan tahan terhadap zat kimia yang
akan dipisahkan [1]. Membran dapat
bertindak sebagai filter yang sangat spesifik
dimana hanya molekul-molekul dengan
ukuran tertentu saja yang dapat melewati
membran, sedangkan molekul lainnya akan
tertahan di permukaan membran. Oleh karena
itu, teknologi membran merupakan pilihan
yang tepat untuk keperluan penyaringan,
pemisahan, dan pemurnian zat-zat yang peka
terhadap senyawa kimia dan lingkungan [2].
Walaupun demikian, membran mempunyai
keterbatasan seperti terjadinya fenomena
polarisasi konsentrasi, fouling (penyumbatan),
terbatasnya volume air terolah yang dihasilkan
dan juga keterbatasan umur membran [3].
Membran merupakan suatu lapisan yang
memisahkan dua fasa dan mengatur
perpindahan massa dari kedua fasa yang
dipisahkan. Karakteristik fasa tersebut
diantaranya perbedaan konsentrasi, tekanan,
suhu, komposisi larutan dan viskositas [4].
Membran terdiri dari dua jenis yaitu membran
alami (membran biologi) dan membran buatan
(membran sintetik). Membran alami adalah
membran dalam proses-proses kehidupan
makhluk hidup dan biasanya terdapat dalam
sel makhluk hidup. Komponen utama
membran alami adalah lipid dan protein.
Membran sintetik adalah membran yang
terbuat dari berbagai bahan sesuai kebutuhan
dan biasanya berbentuk padat atau cair [5].
Membran telur adalah salah satu contoh dari
membran alami. Membran telur terletak pada
bagian dalam telur yaitu selaput yang melapisi
antara cangkang dan putih telur.
Efektivitas kerja suatu membran dapat
ditentukan melalui karakteristik membran
yang digunakan. Karakterisasi membran yang
banyak dilakukan adalah karakterisasi
membran secara fisika yang ditinjau dari sifat
listrik, termal dan mekanik. Sifat kelistrikan
membran dipengaruhi oleh aliran elektron dan
ion-ion yang melintasi membran. Aliran ion-
ion ini dapat menentukan aliran arus dalam
membran dan proses transport lainnya.
Berdasarkan karakteristik Arus-Tegangan
dapat ditentukan ohmik atau tidaknya suatu
membran di dalam larutan elektrolit, daya
tahan listrik dan konduktansinya. Informasi
dari sifat kelistrikan membran tersebut sangat
berguna untuk mengetahui kualitas membran.
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui
mekanisme transport ion yang melewati
membran telur ayam berdasarkan pengukuran
sifat kelistrikan dan mempelajari pengaruh
konsentrasi, valensi ion, suhu dan frekuensi
terhadap sifat listriknya.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat
memberikan informasi mengenai karakteristik
dan mekanisme transport ion pada membran
telur ayam, sehingga diperoleh masukan yang
penting untuk kemajuan dalam bidang
teknologi membran
Hipotesis
1. Konsentrasi ion larutan eksternal berbanding lurus dengan tegangan,
konduktansi dan gradien kurva Arus-
Tegangan membran.
2. Valensi ion larutan eksternal mempengaruhi tegangan dan konduktansi listrik membran.
3. Semakin tinggi suhu larutan eksternal, maka semakin tinggi tegangan, konduktansi dan
gradien kurva Arus-Tegangan membran.
4. Semakin besar frekuensi maka semakin besar konduktansi listrik membran.
TINJAUAN PUSTAKA
1. Membran Telur
1.1. Karakteristik Membran
Membran biologi digambarkan sebagai
dua dimensi fluida yang terdiri dari dua
lembaran berisi sebagian besar molekul
lipid. Model Mosaik Fluida menggambarkan
membran lipid terbaik. Dalam model ini,
permukaan terluar terdiri dari ikatan ionik dan
polar yang berinteraksi dengan larutan air,
sedangkan bagian dalam membran terdiri dari
rantai hidrokarbon lipid (Gambar 1) [6].
-
2
Gambar 1. Membran lipid berdasarkan Model
Mosaik Fluida
Secara umum membran dapat didefinisikan
sebagai suatu lapisan tipis semipermeable di
antara dua fasa yang berbeda. Fasa pertama
disebut feed atau larutan pengumpan dan fasa
kedua disebut permeate atau hasil pemisahan.
Fungsi utama dari membran ialah sebagai
lapisan semipermeable yang dapat
melewatkan dan menahan komponen tertentu
dalam suatu campuran [7]. Membran yang
dipergunakan harus bersifat inert terhadap
larutan uji, selektif terhadap ion tertentu,
memiliki kepekaan yang baik, memenuhi
harga faktor Nernst dan dapat dicetak sesuai
dengan ukuran yang diinginkan [8].
Kemampuan pemisahan yang dimiliki
membran untuk melewatkan suatu komponen
atau molekul dipengaruhi oleh tekanan,
potensial listrik dan sifat intrinsik membran.
Berdasarkan prinsip struktur dan
pemisahannya, membran dibagi menjadi tiga
tipe yaitu membran porous (mikrofiltrasi dan
ultrafiltrasi), membran nonporous (separasi
gas, pervaporasi, dialisis) dan membran
carrier [9]. Klasifikasi pori menurut IUPAC
dapat dikelompokkan menjadi macropores
(>50nm), mesopores (2-50nm), dan
micropores (
-
3
Gambar 2. Struktur Telur
struktur telur dapat dibagi menjadi 9 bagian
yaitu:
1. Kulit telur dengan permukaan yang agak berbintik-bintik.
2. Membran kulit luar dan dalam yang tipis, berpisah pada ujung yang tumpul dan
membentuk ruang udara.
3. Putih telur bagian luar yang tipis dan berupa cairan.
4. Putih telur yang kental dan kokoh berbentuk kantung albumen.
5. Putih telur bagian dalam yang tipis dan berupa cairan.
6. Struktur keruh berserat yang terlihat pada kedua ujung kuning telur disebut sebagai
khalaza yang berfungsi memantapkan
posisi kuning telur.
7. Lapisan tipis yang mengelilingi kuning telur disebut membran fitelin.
8. Benih atau bastodisc yang terlihat sebagai bintik kecil pada permukaan kuning telur.
Pada telur yang terbuahi, benih ini
berkembang menjadi anak ayam.
9. Kuning telur yang terbagi menjadi kuning telur berwarna putih dari benih ke pusat
kuning telur dan kuning telur yang
berlapis yang merupakan bagian terbesar.
Tabel 1. Komposisi Tiga Komponen Pokok
Telur (%) [http://www.animalcorner.
co.uk/.../chicken_eggs.html]
Bahan
penyusun
Kulit Albumin Kuning telur
Bahan
organik
95,1 - -
Protein 3,3 12,0 17,0
Glukosa - 0,4 0,2
Lemak - 0,3 32,2
Garam - 0,3 0,3
Air 1,6 87,0 48,5
2. Larutan Elektrolit
Larutan adalah campuran yang bersifat
homogen atau sama. Berdasarkan daya hantar
listriknya, larutan terbagi menjadi dua
(Tabel 2), yaitu:
1. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik, terdiri
dari:
a. Elektrolit Kuat Larutan elektrolit kuat adalah
larutan yang mempunyai daya hantar
listrik yang kuat, karena zat terlarutnya
di dalam pelarut (umumnya air)
seluruhnya berubah menjadi ion-ion
( = 1). Contoh elektrolit kuat adalah
asam-asam kuat (HCl, H2SO4, dll),
basa-basa kuat (NaOH, KOH, dll) dan
garam-garam yang mudah larut, seperti
NaCl, KCl, dan lain-lain.
b. Elektrolit Lemah Larutan elektrolit lemah adalah
larutan yang daya hantar listriknya
lemah dengan derajat ionisasi sebesar
< 1. Yang tergolong elektrolit lemah
adalah asam-asam lemah seperti: AgCl,
CaCrO4, dan lain-lain
2. Larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik,
karena zat terlarutnya didalam pelarut
tidak dapat menghasilkan ion-ion (tidak
mengion). Contoh larutan non elektrolit
adalah larutan gula, sukrosa, alkohol, dan
lain-lain [14].
Tabel 2. Perbandingan Sifat-Sifat Larutan
Elektrolit dan Larutan Non
Elektrolit
Larutan
Elektrolit
Larutan Non
Elektrolit
1.
2.
3.
4.
Dapat
menghantarkan
listrik.
Terjadi proses
ionisasi
(terurai
menjadi ion-
ion).
Lampu dapat
menyala terang
atau redup dan
ada gelembung
gas.
Contoh: NaCl,
H2SO4, MgCl2, CH3COOH
1.
2.
3.
4.
Tidak dapat
menghantarkan
listrik.
Tidak terjadi proses
ionisasi.
Lampu tidak
menyala dan tidak
ada gelembung gas.
Contoh: C12H22O11,
CO(NH2)2, etanol,
C6H12O6
http://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.htmlhttp://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.htmlhttp://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.html
-
4
Larutan elektrolit dapat bersumber dari
senyawa ion (senyawa yang mempunyai
ikatan ion) atau senyawa kovalen polar
(senyawa yang mempunyai ikatan kovalen
polar). Larutan elektrolit mengandung atom-
atom bermuatan listrik (ion-ion) yang
bergerak bebas, hingga mampu untuk
menghantarkan arus listrik melalui larutan.
Pada tahun 1887, Svante Arrhenius
mengusulkan sebuah teori ionisasi untuk
menjelaskan sifat-sifat larutan elektrolit.
Pokok-pokok teori Arrhenius adalah sebagai
berikut [2]:
1. Molekul elektrolit pada larutan dengan pelarut air akan berdissosiasi menjadi dua
partikel atau lebih yang disebut ion.
2. Ion-ion bermuatan listrik (positif atau negatif) dan muatan-muatan inilah yang
dapat menyebabkan arus listrik dapat
mengaliri larutan.
Sifat suatu larutan ditentukan oleh
konsentrasi. Konsentrasi adalah jumlah zat
terlarut dalam satuan pelarut atau larutan.
Konsentrasi larutan dapat dinyatakan dalam
persen, molar, molal, fraksi mol, persen mol,
dan ppm. Konsentrasi molar atau molaritas
(M) menyatakan banyaknya partikel zat
terlarut dalam 1 liter larutan, yaitu [15]:
tan1 laruliter
terlarutzatmolM (1)
3. Pemodelan Membran
Secara elektronik bahan dielektrik pada
plat paralel bisa dianalisis dengan rangkaian
paralel antara resistor dan kapasitor.
Hubungan perubahan nilai kapasitansi sebesar
0CCC terkait dengan perubahan muatan
q dapat diilustrasikan dalam aliran arus
maupun dalam bentuk impedansinya:
CVj
dt
dVC
dt
qdi
V
qC
(2)
Gambar 3. Bahan Dielektrik dengan Sumber
Tegangan AC serta Rangkaian
Ekivalennya [16]
Hasil pengukuran kapasitansi bisa diubah ke
dalam besaran listrik lainnya seperti tegangan
atau arus. Perubahan arus total pada rangkaian
adalah penjumlahan arus pada kapasitor dan
resistor (Gambar 3), sehingga:
VR
Cji
R
VCVjiii s
1
(3)
Nilai arusnya menjadi:
VR
CjI
VR
CjCjiII
1
100
(4)
Atau dalam impedansinya menjadi: 1
1
RCj
I
V
Y
iZ (5)
Membran netral dapat dimodelkan sebagai
rangkaian elektronik antara R dan C yang
tersusun paralel seperti pada Gambar 4 [5].
Dari pemodelan membran maka dapat
ditentukan konduktansi dan kapasitansinya
sebagai berikut:
mm CiGZ
1 (6)
Gambar 4. Model Elektronika Membran
4. Karakteristik Kelistrikan Membran
4.1. Konduktansi Membran
Salah satu sifat listrik yang dimiliki
membran adalah konduktivitas. Sifat ini
muncul karena adanya interaksi antara ion
dengan membran. Besarnya konduktansi
membran dapat diperoleh dengan
menggunakan pendekatan persamaan sebagai
berikut:
pGnG (7)
dengan, G = konduktansi
pG = konduktansi tiap pori
n = jumlah pori membran [7]
Nilai pG ditentukan oleh beberapa faktor
diantaranya geometri pori, konsentrasi pori
dan mobilitas ionnya. Dengan asumsi bahwa
ion di dalam suatu medium dielektrik akan
mengalami interaksi elektrostatik dengan
membran, maka ion tersebut memiliki energi
-
5
diri sebesar U. Energi ini merupakan integral
dari medan listrik permukaan membran. Maka
besarnya energi diri (U) untuk suatu ion dalam
medium terbatas dengan konstanta dielektrik
yang bervalensi z dan berjarak a adalah :
a
qzU
0
22
8 (8)
dengan:
z = bilangan valensi ion
= konstanta dielektrik
q = muatan ion
= tergantung konstanta geometri dan
dielektrik (pendekatan 0,2)
0 = konstanta resapan
m = konstanta dielektrik membran
b = jari-jari pori
Nilai U sangat tergantung pada . Nilai
membran berkisar dari 3-4 dan larutan 78,5
[17].
Untuk melewati pori membran akibat
adanya interaksi dengan membran, energi
bebas (U) bergantung dari seberapa dekat
ion pada membran, maka dapat dituliskan
energi bebasnya sebagai berikut:
b
qzU
m
0
22
4 (9)
Secara umum konduktansi membran
merupakan fungsi suhu, yang merupakan
fungsi eksponensial dan terkait dengan
perubahan energi diri ionnya [4]. Konduktansi
membran tersebut dapat dituliskan sebagai
berikut :
kT
dUGG exp0 (10)
Berdasarkan Gambar 3, membran yang
tersusun seri oleh dua lapisan berbeda
(skinlayer dan sublayer) memiliki kapasitansi
(Cm) dan konduktansi (Gm) sebagai berikut:
22122
21
1222
212121
2
CCGG
CGCGCCCCCm
(11)
221
2221
1222
21
22121
CCGG
GCGCGGGGGm
(12)
dengan:
C1 = kapasitansi skin layer
C2 = kapasitansi sub layer
G1 = konduktansi skin layer
G2 = konduktansi sub layer
= frekuensi angular
Pada frekuensi sangat rendah ( ~ 0),
kapasitansi membran adalah sebesar:
mC ( ~ 0) = 221
1222
21
GG
CGCG
(13)
Kapasitansi membran akan menurun
dengan peningkatan nilai frekuensi menuju
nilai minimum yang setara dengan kapasitansi
dua kapasitor yang dihubungkan secara seri,
yaitu:
mC ( ~ ) = 21
21
CC
CC
(14)
Sebaliknya, pada frekuensi rendah ( ~ 0)
konduktansi membran akan memiliki nilai
minimum setara dengan dua konduktor yang
dihubungkan secara seri:
mG ( ~ 0) = 21
21
GG
GG
(15)
Nilai konduktansi ini akan naik dengan
peningkatan nilai frekuensi menuju nilai
maksimum (pada frekuensi sangat tinggi)
sebesar :
mG ( ~ ) = 221
1212
21
CC
GCGC
(16)
Spektra konduktansi dan kapasitansi
membran dalam larutan eksternal seperti
terlihat pada Gambar 5. Solusi total
kapasitansi dan konduktansi dari rangkaian
seri untuk membran ditambah elektrolit
(Gambar 6) adalah [18]:
222
2
mem
em
CGG
GCC
(17)
22222
mem
ememem
CGG
GCGGGGG
(18)
Konduktansi merupakan ukuran terpenting
yang menggambarkan kemampuan suatu
bahan untuk membawa arus listrik.
Konduktansi (G) adalah kebalikan dari
resistansi (R), yang dihubungkan oleh [19]:
RG
1 (19)
Gambar 5. Konduktansi dan Kapasitansi
Membran dalam Larutan
Eksternal
Cm
Gm
f
f
-
6
Gambar 6. Rangkaian dalam Sistem Membran
dan Elektrolit, skinlayer dan
sublayer Tersusun Kombinasi C
dan G
dengan I
VR , dimana R adalah resistansi
(ohm), V adalah tegangan membran (Volt)
dan I adalah arus yang diberikan (Ampere).
Satuan internasional untuk konduktansi adalah
ohm1 atau Siemen (S).
Bila suatu larutan elektrolit dialiri arus
maka akan terjadi proses transport ion.
Transport ini dipengaruhi oleh resistansi dan
konduktansi larutan elektrolit. Konduktansi
larutan elektrolit didefinisikan sebagai suatu
ukuran kemampuan larutan untuk membawa
arus listrik. Konduktansi larutan dipengaruhi
oleh konsentrasi atau jumlah ion, mobilitas
ion, ion valensi, transport ion, aktivitas ion
dan suhu. Ion-ion dalam larutan akan mengalir
dan menembus membran dengan aktivitas
berbeda-beda. Semakin besar nilai
konduktansi listrik berarti kemampuan dalam
menghantarkan listrik semakin besar.
Umumnya semakin tinggi konsentrasi atau
semakin banyak jumlah ion, maka
konduktansi listrik akan semakin tinggi.
Hubungan ini terus berlaku hingga larutan
menjadi jenuh dan mobilitas menurun. Suhu
yang tinggi mengakibatkan viskositas air
menjadi turun dan ion-ion dalam air bergerak
cepat [20]. Energi yang dibutuhkan agar
elektron valensi masuk ke elektron bebas juga
semakin besar sehingga mempengaruhi nilai
konduktansi listrik yang juga semakin
meningkat.
4.2. Arus dan Tegangan Membran
Rapat arus dari ion pembawa yang
bergerak di dalam larutan yang menembus
membran diberikan oleh persamaan berikut:
dx
dPq
dx
dPkTJ ppp
(20)
dx
dNq
dx
dNkTJ nnn
(21)
N, P adalah konsentrasi ion pembawa
muatan negatif dan positif. T adalah suhu, J
adalah rapat arus, np , masing-masing
merupakan mobilitas ion positif dan negatif,
adalah beda potensial (beda tegangan), k
adalah konstanta Boltzman. Persamaan diatas
menunjukkan bahwa arus dipengaruhi oleh
besarnya beda tegangan dan beda konsentrasi
muatan pembawa. Semakin besar beda
konsentrasi muatan pembawa dan beda
tegangan maka semakin besar pula arus yang
mengalir pada membran. Bila konsentrasi
muatan pembawa dibiarkan konstan maka
dapat dibuat hubungan beda tegangan dan
arus. Dengan memplotkan beda tegangan
membran dan arus maka akan didapat
karakteristik Arus-Tegangan dari membran
beserta persamaannya. Pada keadaan
setimbang dan arus yang mengalir kecil
sekali, maka konsentrasi pembawa muatan
mengikuti persamaan distribusi Maxwell-
Boltzman, yaitu:
)exp(
)exp(
kToi
kToi
i
i
qNN
qPP
(22)
Untuk membran yang hanya dapat dilalui
oleh satu jenis ion saja dan tidak ada sumber
arus, maka beda tegangan diberikan oleh
persamaan Nernst berikut:
i
IIi
i
Ii
i
jia
jia
F
RTln (23)
dengan ia adalah aktivitas ion, ji
adalah
nisbah permeabilitas ion i terhadap ion j yang
harganya tidak gayut larutan. Jika larutannya
hanya terdiri atas satu jenis anion atau kation
saja, maka beda tegangan ditulis sebagai
berikut:
II
I
II
I
iC
C
F
RT
C
C
F
RTlnln (24)
dengan C menyatakan konsentrasi ion, indeks
I dan II menyatakan larutan, sedangkan + dan
- menyatakan jenis muatan ion. Dengan
memodifikasi konsentrasi larutan maka akan
didapat variasi beda tegangan pada membran.
Dari persamaan (24) beda tegangan hanya
dapat dihubungkan secara linier dengan
konsentrasi [21].
BAHAN DAN METODE
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium
Biofisika Departemen Fisika Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam