TOKSISITAS GAS CO GAS CO SENSOR TGS 4160

2.7. PERANAN GAS CO

2 PADA BIOLOGIS Tumbuh-tumbuhan mengurangi kadar karbon dioksida di atomosfer dengan melakukan fotosintesis, disebut juga sebagai asimilasi karbon, yang menggunakan energi cahaya untuk memproduksi materi organik dengan mengkombinasi karbon dioksida dengan air dengan reaksi berikut : CO 2 g + H 2 O g C 6 H 12 O 6 + O2 g UV Klorofil

2.8. TOKSISITAS GAS CO

2 Menurut Otoritas Keselamatan Maritim Australia, Paparan berkepanjangan terhadap konsentrasi karbon dioksida dapat menyebabkan asidosis dan efek-efek merugikan pada metabolisme kalsium fosforus yang menyebabkan peningkatan endapan kalsium pada jaringan lunak. Karbon dioksida beracun kepada jantung dan menyebabkan menurunnya gaya kontraktil. Pada konsentrasi tiga persen berdasarkan volume di udara, ia bersifat narkotik ringan dan menyebabkan peningkatan tekanan darah dan denyut nadi, dan menyebabkan penurunan daya dengar. Pada konsentrasi sekitar lima persen berdasarkan volume, ia menyebabkan stimulasi pusat pernapasan, pusing-pusing, kebingungan, dan kesulitan pernapasan yang diikuti sakit kepala dan sesak napas. Pada konsentrasi delapan persen, ia menyebabkan sakit kepala, keringatan, penglihatan buram, tremor, dan kehilangan kesadaran setelah paparan selama lima sampai sepuluh menit.

2.9. GAS CO

2 DAN FISIOLGI MANUSIA Gas CO 2 diangkut di darah dengan tiga cara yang berbeda:  Kebanyakan sekitar 70 – 80 dikonversikan menjadi ion bikarbonat HCO 3 − oleh enzim karbonat anhidrase di sel-sel darah merah, dengan reaksi : CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO 3 − .  5 – 10 larut di plasma  5 – 10 diikat oleh hemoglobin sebagai senyawa karbamino Universitas Sumatera Utara 9

2.10. SENSOR GAS SEMIKONDUKTOR

Sensor gas semikondutor adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakaan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium dan Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat solid state, bukannya bentuk hampa vacuum state atau bentuk gas gaseous state. Bahan detektor yang digunakan adalah material Tin oksida SnO 2 . Sensor ini tidak mahal, kecil, sudah tersedia luas dan memiliki sensitifitas tinggi. Mekanisme utama untuk reaksi gas dengan metal oksida terjadi pada temperatur tinggi yaitu 200 C – 600 C. Mikrosensor kimia yaitu sensor yang dibuat dalam bentuk miniatur untuk penggantian alat penginderaan yang mahal, menunjukkan penciptan teknologi analitik yang memiliki kemampuan dan mengkuantifiaksi zat kimia dalam waktu real termasuk penyediaan analisis online dari perubahan tingkat atau kadar zat.

2.10.1 Prinsip Kerja Sensor Gas Semikonduktor

Sensor Gas Semikonduktor terdiri dari elemen sensor yang dilengkapi bahan pemanas, bahan elemen sensor yang terbuat dari oksida metal seperti : SnO 2 , WO 3 , ZnO,RuO 2 , dll, sesuai gas yang disensor dan bahan pemanas yang berfungsi untuk memanaskan elemen. Struktur sensor ini dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 2.2. Struktur sensor gas semikonduktor Universitas Sumatera Utara 10 Prinsip Kerja sensor semikonduktor, ketika bahan detektor seperti kristal SnO 2 dipanaskan pada temperatur tertentu, oksigen akan diserap pada permukaan kristal dan oksigen di udara akan terionisasi dan terikat pada SnO 2 dalam bentuk ion-ion negatif. Kemudian elektron donor pada permukaan kristal SnO 2 akan ditransfer ke oksigen penyerap, sehingga dihasilkan listrik . Didalam sensor, arus listrik mengalir melewati daerah sambungan grain boundary dari kristal SnO 2 . Pada daerah sambungan penyerapan oksigen mencegah muatan untuk bergerak bebas. Jika konsentrasi gas menurun, proses deoksidasi akan terjadi, kerapatan permukaan dan muatan negatif oksigen akan berkurang dan mengakibatkan menurunnya ketinggian penghalang dari daerah sambungan, misalnya terdapat adanya gas CO 2 yang terdeteksi. Ilustrasi gambar ketika terjadi penyerapan gas O 2 oleh sensor, dapat dilihat pada gambar berikut ini : Gambar 2.3. Pembentukan tegangan barrier saat tanpa gas pereduksi Persamaan reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut: ½ O 2 + SnO 2 x  O - ad SnO 2x CO 2 + O - ad SnO 2x  CO 2 O + SnO 2x = elektron bebas Dengan menurunnya penghalang maka resistansi sensor juga akan turut menurun. Skema reaksi antara gas CO 2 dan oksigen penyerapan pada permukaan SnO 2 sebagai berikut : Universitas Sumatera Utara 11 Gambar 2.4 Penurunan tegangan barrier saat adanya gas pereduksi  Elektron Daerah Sambungan eVs didalam gas pereduksi Gas Pereduksi CO 2 Untuk mengukur karakteristik sensitivitas dari gas sensing, semua data diuji pada kondisi standar. Hubungan antara tahanan dalam sensor dengan konsentrasi gas pereduksi dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : Rs = A C - α dengan α = RsRo R s = Resistansi Keluaran sensor dari berbagai konsentrasi gas. R = Resistansi sensor dalam udara bersih A = Konstanta C = Konsentrasi gas pereduksi α = Kemiringan dari kurva Rs rasio resistansi sensor R s R

2.10.2 Sensor Kimia Sensor kimia adalah alat yang mampu menangkap fenomena berupa zat

kimia baik gas maupun cairan untuk kemudian diubah menjadi sinyal elektrik. Sensor kimia terutama digunakan untuk mengukur konsentrasi senyawa khusus dalam lingkungan gas dan cair, dimana sensor secara khusus merubah informasi kimia ke dalam sinyal listrik. Ada peningkatan permintaan untuk melakukan Universitas Sumatera Utara pengukuran analitik terhadap zat tertentu dengan cepat, halus dan dalam beberapa kasus dilakukan secara terus menerus. Karena sifat-sifat fisika dari gas dan cairan itu berhubungan erat dengan konsentrasi senyawa kimia, sensor untuk penentuan sifat fisika, seperti viskositas dan kerapatan terus mengalami peningkatan. Sensor kimia diajukan untuk berbagai kondisi lingkungan – terutama dalam pengolahan makanan atau sistem pembuangan dimana konsentrasi berbagai senyawa dinyatakan pada sensor. Masalah penting dalam sensor kimia adalah mendapatkan beberapa tingkat selektivitas yang ideal dan tertinggi. Rata-rata selektivitas ideal, respon terhadap senyawa spesifik dan juga respon nol terhadap senyawa lain.

2.10.2.1 Perkembangan Sensor Kimia

Sensor Kimia eletrolit padat yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia, merupakan prinsip sensor yang paling tua yang telah berkembang. Pengembangan yang cukup pesat tentang membran sensor dari elektrolit padat telah terjadi sejak tahun 1930 an. Sensor elektrolit padat adalah sensor yang menggunakan lempengan sel elektrolit yang disekat dengan dua elektroda dan biasanya ditambahkan dengan pengatur temperatur. Sensor komersial jenis ini yang sangat populer adalah sensor oksigen yang menggunakan lempengan Yttria-doped zirconia dan biasanya digunakan pada temperatur tinggi untuk mengontrol aliran zat buang pada suatu mesin. Pengembangan berikutnya juga terus terjadi pada sensor jenis ini yang pada decade belakangan dikenal dengan sebuat NASICON sensor. Dengan usianya yang relatif lebih tua dibandingkan dengam moteode sensor lainnya, elektrolit padat merupakan sensor kimia yang paling banyak diproduksi dalam dunia sensor komersial dibandingkan dengan jenis sensor lainnya. 1. Sensor Kimia Optik, Metode sensor ini adalah dengan berdasarkan pada teknologi optik dimana penyerapan suatu gas atau cairan kimia tertentu pada suatu bahan akan mengakibatkan perubahan pada fenomena optik seperti daya pantul ataupun daya absorpsi suatu cahaya. Meskipun metode ini juga menjanjikan sistem Universitas Sumatera Utara 13 sensor yang akurat, pengembangan yang relatif lebih sulit disamping instrumen yang lebih mahal membuat sensor optik pada kenyataannya tidak terlalu banyak dilirik oleh para peneliti. 2. Sensor kimia model sensitif berat. Sensor tipe ini bekerja dengan berdasarkan bahan sensor yang mampu menghasilkan gelombang akustik sehingga saat suatu zat kimia melewatinya bahan ini mampu mengkonfersi informasi kimia dari zat tersebut menjadi informasi fisik yaitu dalam bentuk berat meskipun sangat kecil perubahannya. 3. Sensor Kimia Semikonduktor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida. Teknologi yang memanfaatkan keunggulan sifat semikonduktor suatu bahan merupakan teknologi yang cukup menjanjikan bagi masa depan mengingat harganya yang murah, bentuknya yang lebih kecil, serta lebih tahan lama. Tidak mengherankan jika dunia sensor masa depan diprekdisikan akan didominasi oleh jenis sensor tipe metal oksida ini. Penelitian tentang pengembangan sensor yang ada saat ini pun banyak dialakukan seputar semikonduktor sensor ini. Teknologi semikonduktor memiliki peran yang siginifikan dalam teknologi sensor mengingat kemampuan konduktifitas dari semikonduktor yang dapat berubah ubah. Sensor jenis semikonduktor ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1953 setelah seorang peneliti Amerika yaitu John Bardeen dan Walter H Brattain menemukan perubahan konduktifitas suatu bahan semikonduktor setelah terjadi penyerapan gas kimia pada bahan semikonduktor tersebut. Pada perkembangan berikutnya dari sensor semikonduktor ini, sentuhan teknologi nano yang pada kenyataannya mampu menghasilkan bahan semikonduktor yang lebih baik membuat daya tarik lebih besar bagi para peneliti sensor semikonduktor.

2.10.2.2 Sifat Sensor Kimia

Empat sifat sensor kimia yang harus dipenuhi agar berkualitas baik yaitu : Universitas Sumatera Utara 1. Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun jumlah zat tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. Sebagai gambaran sebuah riset dengan menggunakan material nano porous terhadap gas O 2 sudah mampu mendeteksi gas NO 2 hanya dengan jumlah 300 ppb part per billion, artinya sejumlah 300 partikel NO 2 yang ada dalam 1 milyar partikel udara sudah bisa membuat sensor ini mendeteksi keberadaannya . 2. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan sensitifitas mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya akan bercampur dengan zat lain yang ada disekelilingnya. 3. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu recoveri maka semakin baik sensor tersebut. Beberapa gas berbahaya bahkan dapat sangat cepat bereaksi dengan tubuh manusia yang dapat berakibat sangat fatal seperti gas CO 2 atau NO 2 yang dalam hitungan dibawah 5 menit dapat mengakibatkan kematian. Karenanya kemampuan mendeteksi gas seperti ini harulah lebih cepat dari kemampuan gas tersebut beraksi dengan tubuh manusia. 4. Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas, serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan. Keempat sifat sensor ini merupakan sifat yang senantiasa diidentifikasi oleh para peneliti untuk mendapatkan sensor yang berkualitas baik. 2.10.2.3Dasar Teoritis Sensor Kimia Struktur Kristal dari semikonduktor tipe-n seperti SnO 2 mengandung elektron berlebihan dan saat sensor kontak dengan di udara, oksigen diserap secara kimia pada permukaan dengan reaksi berikut : Universitas Sumatera Utara O 2 + 2e 2O - ad Berikut gambar pelat tipis sensor gas : reaksi dipermukaan dengan oksigen, gas oksigen menyerap elektron dari dari SnO 2 memiliki kelebihan elektron. Reaksi ini mengarah pada konduktivitas listrik yang diukur sebagai resistensi listrik yang tinggi. Setelah kontak dengan gas , maka reaksi permukaan diperlihatkan dalam persamaan : Gas + O - ad GasO + e dalam hal ini, gas menyerap oksigen secara kimia dan teroksidasi. Gas teroksidasi dapat bertindak sebagai zat pereduksi yang dirasakan dengan tipe sensor , melalui reaksi diatas mengarah pada oksidasi dan reduksi yang melibatkan tranfer elektron. Reaksi Gas + O - ad GasO + e, apabila konsentrasi gas meningkat maka “O - ad ” yang diadsorbsi semakin banyak. Elektron yang lepas dari permukaan lapisan SnO 2 meningkat mengakibatkan peningkatan konduktivitas listrik pada lapisan SnO 2 dan pengurangan resistensi listrik. Dalam hal ini, gas dapat dianggap sebagai donor elektron. Karena jumlah elektron yang dimiliki setiap gas tidak sama maka pembacaan sensor kimia secara spesifik untuk setiap gas yang akan disensing dengan konsentrasi tertentu. SiO 2 SnO 2 RuO 2 Elek. Au Gas Elek. Au Elek. Au Elek. Au Gambar 2.5. Pelat Tipis 15 Universitas Sumatera Utara 16

2.11. SENSOR TGS 4160

Taguci Gas Sensor TGS 4160 adalah Fujia logika menghasilkan model solid-state elektrokimia untuk sensor gas karbon dioksida CO 2 . TGS 4160 memiliki karakteristik ukuran kecil, umur panjang, selektivitas yang baik, stabilitas tinggi, tahan terhadap kelembapan tinggi dan temperatur rendah. TGS 4160 dapat digunakan dalam sistem ventilasi otomatis atau pemantauan jangka panjang dari aplikasi gas CO 2 www.8085 project.info. Sensor gas CO 2 tipe semikonduktor TGS 4160 , sensor yang bekerja secara elektrokimia, saat terkena material di lingkungan gas CO 2 , maka akan memiliki reaksi elektrokimia sesuai reaksi berikut : Reaksi katodik : 4Li + 2 CO 2 + O 2 +4 e 2Li 2 CO 3 Reaksi Anodik : 4Na + O 2 +4 e 2Na 2 O Reaksi Redoks : Li 2 CO 3 +2 Na Na 2 O +2 Li + CO 2 Sebagai hasil reaksi elektrokimia, persamaan menurut Neste Nernst, proses ini akan menghasilkan potensial berikut EMF : EMF = Ec-RF 2F ln P.CO 2 Dimana: PCO 2 adalah tekanan parsial CO 2 ; Ec adalah konstan; R adalah konstanta gas; T adalah suhu K; F adalah konstanta Faraday. Dilihat dari rumus di atas, dengan memantau tegangan yang dihasilkan antara dua elektroda yakni nilai potensial dari EMF, nilai konsentrasi CO 2 dapat diukur. Untuk menjaga sensitifitas dari sensor ,temperatur perlu diperhatikan, sehingga pemanasan tegangan harus stabil, ruang lingkup harus 5,0 ± 0.2VDC. Untuk menjamin pengukuran konsentrasi gas CO 2 yang akurat sekaligus untuk memastikan stabilitas tegangan pemanasan dan perubahan suhu lingkungan. Universitas Sumatera Utara 17 Gambar 2.6 : Sensor TGS 4160 Berikut ini dapat dilihat gambar karakteristik sensitivitas dari emisi gas buang kenderaan bermotor berbahan bakar bensin diperoleh untuk TGS 4160 lebih sensitif terhadap gas CO 2 : Gambar 2.7 Karakteristik Sensitifitas sensor dari Karakteristik Sensitivitas Konsentrasi Gas ppm beberapa bahan sensing dengan TGS 4160 Universitas Sumatera Utara 18

2.12 MIKROKONTROLER AT MEGA - 8535.