Synthesis and Characterization of Polysulfone Membrane Doped Activated Carbon for Water Filtration

SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN POLISULFON
DIDADAH KARBON AKTIF UNTUK FILTRASI AIR

RANI CHAHYANI

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012

 

 

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini menyatakan bahwa tesis Sintesis dan Karakterisasi Membran
Polisulfon didadah Karbon Aktif untuk Filtrasi Air adalah karya saya dengan
arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun yang tidak diterbitkan dari penulis lain, telah disebutkan

dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.

Bogor, Februari 2012

Rani Chahyani
NIM G751090081

 

 

ABSTRACT
RANI CHAHYANI. Synthesis and Characterization of Polysulfone Membrane
Doped Activated Carbon for Water Filtration. Under direction of KIAGUS
DAHLAN and GUSTAN PARI.
Synthesis and characterization of polysulfone membrane doped activated carbon,
which was made from raw material coconut shell and sengon wood, has been
performed. Carbonization process was performed at a temperature of 500oC for 4
hours, followed by KOH immersion and steam activation, at a temperature of
850oC for 80 and 110 minutes. Structural characterization of activated

carbon/charcoal was determined by scanning electron microscope (SEM) and
X-Ray Diffractometer (XRD), and the electrical conductivity was measured using
LCRmeter. All of activated carbon have fulfilled the Indonesian National
Standard 06-3730-1995, for technical activated charcoal quality, except for the
benzene adsorption and some of the iodine adsorption. Activated charcoal without
KOH immersion and with steam activation time of 110 minutes of each raw
material, were selected as the doping material for membrane, based on their
optimum adsorption. Polysulfone membrane doped activated carbon was prepared
by phase inversion method. Membrane characterization was determined by flux
test with cross-flow method, the degree of swelling, mechanical strong with force
sensor, morphological analysis by SEM, and crystallite structure analysis by
XRD. Doping of polysulfone membrane with activated carbon, afford to change
the characteristic and ability of membrane in water filtration. Membrane with the
highest flux was obtained on the membrane doped with activated carbon sengon
concentration of 2%. The resulting water flux values was 624.99 L/m2h. This
correlates with its degree of swelling, that has the lowest value of 52.17%.
Keywords: polysulfone membrane, activated carbon, coconut shell, sengon wood,
water filtration

 

 

RINGKASAN
RANI CHAHYANI. Sintesis dan Karakterisasi Membran Polisulfon didadah
Karbon Aktif untuk Filtrasi Air. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan
GUSTAN PARI.
Pertambahan jumlah penduduk dunia dan pesatnya perkembangan industri,
meningkatkan jumlah kebutuhan air bersih. Kebutuhan ini meningkat tajam tanpa
didukung kenaikan jumlah sumber air yang memadai. Pencemaran air oleh limbah
industri dan masyarakat, juga semakin menambah masalah kekurangan air bersih.
Dengan demikian, dibutuhkan teknologi dalam memanfaatkan ketersediaan
jumlah air yang sangat terbatas, khususnya dalam memperbaiki mutu air tercemar,
agar dapat digunakan kembali dalam memenuhi kebutuhan air bersih. Dari
berbagai teknik pemurnian air, membran filtrasi dan adsorpsi karbon merupakan
metode yang efektif dan umum digunakan dalam pembersihan air.
Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis membran dari paduan karbon
aktif dan polimer polisulfon. Karbon aktif yang digunakan sebagai bahan dadah
pada membran dibuat dari dua bahan baku berbeda, yakni tempurung kelapa dan
kayu sengon. Karbon aktif dan membran yang dihasilkan kemudian diuji dan

dikarakterisasi, guna mengetahui efektifitas pendadahan terhadap kinerja
membran, serta mengetahui sifat dan potensi membran sebagai media filtrasi air.
Tempurung kelapa dan kayu sengon dikarbonisasi pada retort pirolisis
dengan pemanas listrik, pada suhu 500oC selama 4 jam, lalu didinginkan ± 24
jam. Sebelum proses pengaktifan arang pada retort aktivasi, arang dibagi menjadi
dua perlakuan, yakni tanpa perendaman dan dengan perendaman dalam larutan
kalium hidroksida (KOH) teknis, konsentrasi 10% (b/b). Arang direndam selama
24 jam, lalu ditiriskan hingga kering pada suhu ruang. Perendaman ini adalah
proses aktivasi kimia. Masing-masing jenis arang selanjutnya diaktivasi dalam
retort aktivasi pada suhu 850oC, dengan memberikan aliran uap air selama 80 dan
110 menit (proses aktivasi fisika).
Sifat arang dan arang aktif dianalisis berdasarkan SNI 06-3730-1995
tentang arang aktif teknis, meliputi penetapan rendemen, kadar air, kadar abu,
kadar zat terbang, kadar karbon terikat, serta daya serap terhadap iodium,
benzena, dan kloroform. Karakteristik yang diamati adalah morfologi permukaan
dengan Scanning Electron Microscope (SEM), struktur kristal dengan X-Ray
Diffractometer (XRD), serta nilai konduktivitas listrik dengan LCRmeter. Arang
aktif dari tiap bahan baku tempurung kelapa dan kayu sengon, diseleksi
berdasarkan daya serap optimumnya, untuk selanjutnya diaplikasikan sebagai
bahan dadah membran.

Kadar karbon terikat arang aktif lebih tinggi dari arangnya, dan
menunjukkan tingkat kemurnian karbon lebih baik. Ini terjadi karena senyawa
selain karbon telah banyak yang hilang akibat proses aktivasi. Kadar karbon
terbesar didapatkan pada arang aktif tempurung kelapa tanpa perendaman KOH
dengan lama aktivasi 80 menit, yakni 84.75%. Hasil pengujian daya serap arang
aktif terhadap benzena, kloroform, dan iod menunjukkan nilai optimum pada
arang aktif tanpa perendaman KOH, baik untuk tempurung kelapa ataupun
sengon. Nilai optimum ini terlihat jelas pada daya serap iod, dengan nilai

 

973.52 mg/g pada arang aktif tempurung kelapa dan 799.90 mg/g pada arang aktif
sengon. Nilai ini telah memenuhi SNI arang aktif teknis Tahun 1995, yang
mempersyaratkan nilai daya serap iod di atas 750 mg/g. Oleh karena itu, arang
aktif tempurung kelapa dan sengon yang diaktivasi tanpa perendaman KOH dan
lama steam 110 menit, dipilih sebagai bahan dadah membran, karena memiliki
nilai daya serap iod tertinggi.
Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa nilai derajat kristalinitas bahan
baku tempurung kelapa dan kayu sengon berbeda dengan arangnya. Perbedaan ini
terjadi karena adanya pergeseran intensitas pada sudut difraksi θ002 dan

terbentuknya sudut difraksi baru θ100 akibat pemanasan bahan baku menjadi
arang. Setelah proses karbonisasi, terjadi dekomposisi bahan dan persentasi
kandungan karbon meningkat. Pemanasan yang lebih lama pada proses aktivasi,
cenderung mengubah struktur arang aktif menjadi lebih kristalin, sedangkan
perendaman dengan KOH mempengaruhi struktur kristalin arang aktif menjadi
lebih amorf dibanding tanpa perendaman.
Nilai konduktivitas arang aktif pada penelitian ini berkisar antara 0.108
hingga 13.337 S/m, sehingga tergolong bahan semikonduktor. Sedangkan arang
tempurung kelapa dan sengon masing-masing memiliki konduktivitas rata-rata
5.5 x 10-3 dan 6.16 x 10-5 S/m. Nilai konduktivitas arang aktif meningkat dengan
bertambahnya frekuensi, namun mulai turun pada frekuensi di atas 100 000 Hz.
Jatuhnya nilai konduktivitas disebabkan oleh adanya fenomena efek kulit, yang
terjadi ketika penghantar diberi arus bolak-balik dengan frekuensi sangat tinggi.
Hasil foto SEM pada permukaan tempurung kelapa dan kayu sengon yang
belum dikarbonisasi tidak menunjukkan adanya pori, karena permukaannya masih
tertutup oleh senyawa hidrokarbon. Setelah proses karbonisasi, pori mulai
terbentuk pada arang dan jumlahnya makin besar setelah tahap aktivasi. Proses
aktivasi mampu membuka pori arang aktif lebih banyak, sehingga daya serapnya
jauh meningkat dari arangnya. Berdasarkan diameter pori yang terbentuk, arang
aktif yang diperoleh tergolong dalam struktur makropori (>0.025 m). 

Setelah pembuatan dan karakterisasi arang aktif, tahapan berikutnya
adalah sintesis membran dengan dadah arang aktif. Teknik sintesis membran yang
digunakan adalah metode inversi fasa. Larutan cetak dibuat dengan komposisi
polimer polisulfon 1.2 gram, karbon aktif dengan variasi massa 0, 2, dan 6 wt%
terhadap massa total larutan, dan sisanya adalah massa pelarut DMAc, dengan
total massa keseluruhan 10 gram. Air destilasi digunakan sebagai koagulan (non
pelarut). Karakterisasi membran dilakukan melalui pengukuran derajat pengikatan
air, uji fluks dengan metode cross-flow, uji kuat mekanik dengan sensor gaya,
pengukuran konduktansi listrik dengan LCRmeter, serta analisis morfologi dan
struktur membran dengan SEM dan XRD.
Membran polisulfon yang didadah arang aktif sengon 2%, memberikan
nilai fluks air tertinggi dengan rata-rata fluks 0.174 L/m2s atau 624.99 L/m2h.
Nilai ini meningkat dari fluks membran polisulfon tanpa dadah (polisulfon
murni), dengan nilai rata-rata fluks 0.112 L/m2s atau 401.64 L/m2h. Pendadahan
membran dengan arang aktif tempurung kelapa, tidak memberikan pengaruh yang
signifikan terhadap fluks air, bahkan menurun pada konsentrasi dadah 6%. Hal ini
dapat disebabkan oleh tingginya konsentrasi arang aktif yang digunakan, sehingga
membran mulai jenuh. Nilai pengikatan air menurun dengan adanya pendadahan.
Nilai terendah diperoleh pada membran polisulfon yang didadah arang aktif

 

sengon 2%, yakni sebesar 52.17%. Derajat pengikatan air yang rendah berkorelasi
dengan nilai fluksnya yang tinggi, karena membran ini lebih mudah meloloskan
air yang melaluinya.
Hasil uji kuat mekanik menunjukkan membran polisulfon dengan dadah
arang aktif tempurung kelapa 2%, memiliki ketahanan tertinggi, baik terhadap
gaya tekan maupun gaya tarik. Ketahanan mekanik membran dengan dadah
sengon cenderung lebih rendah. Hal ini diduga terjadi akibat pengaruh sifat bahan
baku, di mana tempurung kelapa memiliki berat jenis lebih tinggi dari sengon.
Pengukuran konduktansi membran menunjukkan tingkat kemampuan
membran dalam melewatkan ion, yang dipengaruhi oleh porositas membran. Dari
perubahan nilai konduktansi membran akibat variasi suhu operasi, dapat diperoleh
nilai jari-jari rerata membran. Porositas membran meningkat dengan adanya
pendadahan, di mana porositas terbesar diperoleh pada membran dengan dadah
arang aktif tempurung kelapa 2%, dengan nilai radius pori rata-rata 0.609 nm.
Dari hasil foto SEM, terlihat struktur penampang atas (lapisan penyangga),
bawah (lapisan aktif), dan samping dari membran polisulfon murni identik dengan
membran yang didadah arang aktif tempurung kelapa 2%. Hal ini sesuai dengan
hasil karakterisasi lain dari kedua jenis membran ini, yang juga tidak jauh

berbeda. Membran yang didadah arang aktif sengon menunjukkan adanya pori
dan fraktur pada penampang atasnya. Hal inilah yang mempengaruhi tingginya
nilai fluks membran, dan berkurangnya kekuatan mekanik membran dengan
dadah sengon. Sedangkan analisis struktur dengan XRD menunjukkan perubahan
struktur kristalit pada membran akibat pendadahan. Membran polisulfon yang
cenderung amorf berubah menjadi semi-kristalin pada pendadahan sengon 2% dan
menjadi lebih amorf ketika didadah arang aktif tempurung kelapa 2%.
Seluruh hasil karakterisasi menunjukkan bahwa pendadahan membran
polisulfon dengan arang aktif mampu mengubah karakteristik dan kemampuan
membran dalam filtrasi air. Membran polisulfon dengan dadah karbon aktif
sengon konsentrasi 2%, dapat diaplikasikan sebagai membran filtrasi untuk
pembersihan air, namun diperlukan pengembangan dan penelitian lebih lanjut
terhadap selektifitas dan pemilihan jenis filtrat yang sesuai dengan karakteristik
membran.
Kata kunci: membran polisulfon, karbon aktif, tempurung kelapa, kayu sengon,
filtrasi air

 

 

© Hak Cipta milik IPB, Tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
1.

2.

 
 
 

 

Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa
mencantumkan atau menyebutkan sumber.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan
karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu
masalah.
b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atas seluruh karya

tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.

 

SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN POLISULFON
DIDADAH KARBON AKTIF UNTUK FILTRASI AIR

RANI CHAHYANI

Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012

 

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Dr. Ir. Irmansyah, M.Si

 

Judul Tesis

:

Nama
NIM
Program Studi

:
:
:

Sintesis dan Karakterisasi Membran Polisulfon didadah
Karbon Aktif untuk Filtrasi Air
Rani Chahyani
G751090081
Biofisika

Disetujui
Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Kiagus Dahlan, M.Sc
Ketua 

Prof(R). Dr. Gustan Pari, MS, APU
Anggota 

Diketahui

Ketua Program Studi Biofisika

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si

Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr

Tanggal Ujian: 8 Februari 2012

 

Februari 201

Tanggal Lulus:

 

Kupersembahkan karya ini kepada ...

Ayah dan Ibuku tercinta.
Terima kasih untuk cinta kasih, pengorbanan,
dan doa tulus kalian, yang telah mengantarku
sukses meraih pendidikan tinggi ini.

 

 

PRAKATA

Alhamdulillah, puji dan syukur hanyalah kepada Allah SWT., yang telah
melimpahkan rahmat, karunia, dan hidayah-Nya, sehingga penelitian yang
berjudul ”Sintesis dan Karakterisasi Membran Polisulfon didadah Karbon Aktif
untuk Filtrasi Air” ini dapat terlaksana dengan baik. Dalam proses penelitian
hingga terangkumnya tesis ini, cukup banyak hambatan yang dijumpai, sehingga
disadari karya ini tidak dapat tersusun tanpa adanya bantuan dari berbagai pihak.
Terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Kiagus Dahlan, M.Sc dan Bapak
Prof(R). Dr. Gustan Pari, MS, APU, yang telah memberi bimbingan dan ilmu
yang sangat berharga kepada penulis, juga kepada Bapak Dr. Ir. Irmansyah, M.Si,
atas kesediannya menjadi penguji luar komisi dalam Ujian Sidang Tesis penulis.
Teristimewa penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua tercinta,
ayahanda Drs. Ansaruddin Hamiru dan ibunda Siti Maaziah, atas limpahan kasih
sayang, doa, pengorbanan, serta dukungan moril dan materi yang penulis terima.
Penghargaan dan terima kasih kepada Departemen Pendidikan Nasional
atas program Beasiswa Unggulan, serta kepada Bapak Dr. Ida Usman, M.Si,
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si, Dr. Irzaman, M.Si, & Kepala SMA Muhammadyah
Kendari, atas segala bantuan sehingga penulis dapat melanjutkan pendidikan di
Program Studi Biofisika IPB.
Terima kasih kepada para dosen dalam lingkup departemen Fisika dan
Biofisika IPB, atas ilmu berharga yang telah penulis peroleh; seluruh sahabat di
Biofisika angkatan 2009, atas kebersamaan, semangat, dan kenangan indah
selama menempuh pendidikan bersama; rekanku Zahroul Athiyah, SP dan adikadik tim membran, untuk segala bantuan selama penelitian; kawan-kawan
Biofisika 2008 dan 2010, serta adik-adik Fisika 42, 43, dan 44, atas dukungan dan
kebersamaannya. Kepada para peneliti dan staf di Puslitbang Keteknikan
Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan, terima kasih telah berbagi ilmu yang
bermanfaat, bantuan, dan waktu untuk diskusi dengan penulis selama penelitian.
Kepada kakak-kakakku tercinta; Muflihuddin A, SP, Fachrul A, SP, Zainul
Fachmi A, SP, Riwayati, dan Irawati, SP, beserta seluruh keluarga besarku, terima
kasih atas doa, dukungan, dan kasih sayang kalian. Terima kasih untuk sahabatku
Sitti Yani, S.Si, M.Si, keluargaku di Pondok Edulweis’88 (Nurmin Amin, S.Hut,
Al Azhar, S.Pi, M.Si, Lita Masitha, S.Pi, Sri Yuniati, SP, Wa Ode Piliana, S.Pi,
Lukmanul Hakim, Fatimah, dan Balqis Athifah), serta para sahabat seperantauan
di Pondok Al-Lulu, atas kebersamaan, keceriaan, dan semangat dari kalian.
Kepada semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, terima kasih
atas bantuan, dukungan, serta doanya.
Disadari bahwa kodrat kita sebagai manusia biasa, kesempurnaan hanyalah
milik Allah SWT., sehingga dalam pelaksanaan penelitian maupun penyusunan
tesis ini masih terdapat banyak kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan
kritik dan saran, guna perbaikan di masa yang akan datang. Semoga tesis ini dapat
memberikan faedah bagi semua pihak.
Bogor, Februari 2012
Rani Chahyani

 

 

RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kota Kendari, Sulawesi Tenggara, pada tanggal
14 April 1986, sebagai putri bungsu dari empat bersaudara, dari pasangan Bapak
Drs. Ansaruddin Hamiru dan Ibu Siti Maaziah.
Tahun 2004, penulis lulus dari SMA Negeri 1 Kendari, dan pada tahun
yang sama diterima sebagai mahasiswa Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Haluoleo Kendari. Penulis menyelesaikan
studi strata satu (S1) pada Maret 2009, dan melanjutkan studi strata dua (S2) pada
Agustus 2009. Penulis masuk pada program Studi Biofisika Sekolah Pascasarjana
IPB, dengan bantuan dana dari Kementerian Pendidikan Nasional, melalui
program Beasiswa Unggulan.
Penulis bekerja sebagai guru privat dan staf pengajar pada beberapa
bimbingan belajar di Kota Bogor. Selama menempuh pendidikan, penulis telah
mengikuti berbagai seminar nasional dan internasional. Penulis pernah menjadi
pemakalah pada Seminar Nasional Sains IPB di Tahun 2010 dan 2011, serta pada
Seminar Nasional Sains, Teknik, dan Teknologi 2012 di Universitas Brawijaya
Malang, dengan menampilkan sebagian hasil dari penelitian tesis ini. Penulis juga
aktif mengikuti kegiatan pada Himpunan Mahasiswa Muslim Pascasarjana
(HIMMPASS) IPB.

 

 

DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxiii

DAFTAR GAMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xxv

DAFTAR TABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxvii
DAFTAR LAMPIRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I.

xxix

PENDAHULUAN
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5

Latar Belakang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rumusan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tujuan Penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hipotesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Manfaat Penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1
2
3
3
3

II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Sejarah Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Sifat dan Karakterisasi Membran . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Konduktansi Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Teknik Pembuatan Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Sifat dan Struktur Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Pembuatan Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Proses Adsorpsi Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Aplikasi Terintegrasi Membran dan Arang Aktif. . . . . . . . . . .
2.4 Polisulfon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5
5
6
9
11
12
12
14
16
17
18

III. METODE PENELITIAN
3.1
3.2
3.3
3.4

Waktu dan Tempat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bahan dan Alat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagram Alir Penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Metode Penelitian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Pembuatan Arang dan Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Penetapan Mutu Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Karakterisasi Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 Sintesis Membran dengan Dadah Arang Aktif . . . . . .
3.4.5 Karakterisasi Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 Rancangan Percobaan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21
21
22
24
24
24
26
28
30
34

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Sifat Arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Daya Serap Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Analisis Pola Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xxiii
 

35
37
37
39

4.1.4
4.1.5

Konduktivitas Listrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Morfologi Arang Aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42
46

4.2. Membran Polisulfon didadah Karbon Aktif . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Sintesis Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Fluks Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Derajat Pengikatan Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Kuat Mekanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Konduktansi dan Porositas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.6 Morfologi Membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.7 Analisis Struktur Kristalin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48
48
49
52
54
54
56
58

V. SIMPULAN DAN SARAN
5.1 Simpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Saran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61
61

DAFTAR PUSTAKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

LAMPIRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

xxiv
 

DAFTAR GAMBAR
Halaman
1

Proses pemisahan oleh membran sintesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2

Jenis membran berdasarkan prinsip pemisahan . . . . . . . . . . . . . . .

7

3

Skematik dari proses filtrasi dengan teknologi membran . . . . . . . .

8

4

Diagram fasa pada pembentukan membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

5

Struktur heksagonal grafit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

6

Tahapan proses aktivasi karbon selama perlakuan pemanasan . . . .

15

7

Struktur Polisulfon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

8

Proses pembuatan dan karakterisasi arang dan arang aktif . . . . . . .

22

9

Proses sintesis dan karakterisasi membran polisulfon . . . . . . . . . . .

23

10

Skema struktur kristalit arang dan arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

11

Pengukuran konduktivitas listrik arang dan arang aktif . . . . . . . . . .

28

12

Proses pencetakan membran dengan metode inversi fasa . . . . . . . .

29

13

Pengujian fluks membran dengan metode cross flow. . . . . . . . . . . .

30

14

Skema pengukuran konduktansi membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

15

Pengukuran kuat mekanik membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

16

Difraktogram XRD tempurung kelapa beserta arang dan
Arang aktifnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

17

Konduktivitas arang dan arang Aktif pada berbagai frekuensi . . . .

43

18

Grafik hubungan antara frekuensi terhadap konduktivitas arang . .

43

19

Perbandingan nilai konduktivitas arang dan arang . . . . . . . . . . . . .

45

20

Foto SEM permukaan tempurung kelapa, kayu sengon, beserta
arang dan arang aktifnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

21

Perbedaan warna akibat perbendangan tingkat kandungan karbon .

49

22

Grafik fluks membran terhadap waktu operasi . . . . . . . . . . . . . . . .

50

23

Derajat pengikatan air tiap membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

24

Perbandingan kuat mekanik tiap membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

25

Grafik hubungan temperatur dan konduktansi membran . . . . . . . . .

55

26

Foto SEM morfologi membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

27

Difraktogram membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

xxv
 

 

DAFTAR TABEL
Halaman
1

Perkembangan teknik proses membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2

Proses membran dan aplikasinya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3

Variasi perlakuan aktivasi arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4

Perbandingan fraksi massa polisulfon, karbon aktif, dan DMAc . . .

27

5

Analisis sifat arang dan arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

6

Daya serap arang dan arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

7

Struktur temprung kelapa, kayu sengon, beserta arang dan
arang aktifnya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

8

Jari-jari pori membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

9

Kristalinitas membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

xxvii
 

 

DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1

Sidik ragam sifat arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

2

Uji Beda Nyata Terkecil sifat arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

3

Data pengukuran konduktansi dan ketebalan sampel arang aktif . . .

72

4

Data kalkulasi konduktivitas arang aktif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

5

Data fluks air membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

6

Data derajat pengikatan air membran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

7

Data pengukuran kuat tekan dan tarik membran . . . . . . . . . . . . . . . .

82

8

Kurva hubungan konduktansi membran terhadap suhu . . . . . . . . . .

83

9

Difraktogram XRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

 

xxix

1
 

I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air bersih merupakan kebutuhan esensial bagi manusia untuk menopang
kelangsungan hidupnya. Namun seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk
dunia dan pesatnya perkembangan industri, jumlah kebutuhan air bersih
meningkat tajam tanpa didukung kenaikan jumlah sumber air yang memadai.
Pencemaran air oleh limbah industri dan masyarakat, juga semakin menambah
masalah kekurangan air bersih.
Saat ini, akses air bersih menjadi hal yang sulit di berbagai wilayah di
dunia. Berdasarkan data World Health Organization (WHO), 1.2 miliar penduduk
dunia kekurangan akses untuk memperoleh kecukupan air bersih, dan 2.6 miliar
penduduk tidak mendapatkan sanitasi yang memadai. Buruknya sanitasi ditambah
dengan kualitas air yang tidak sehat, menyebabkan berbagai penyakit dan
kematian di dunia (Pruss-Ustun 2008, diacu dalam Kasher 2009).
Jumlah air segar hanya mencapai 2.8% dari seluruh jumlah air di bumi,
dan dari seluruh jumlah tersebut, hanya 0.6 % yang dapat dimanfaatkan, sisanya
tidak dapat dijangkau karena berada di wilayah kutub bumi dalam bentuk es dan
gletser (Kasher 2009). Oleh karena itu, dibutuhkan teknologi dalam memanfaatkan ketersediaan jumlah air yang sangat terbatas ini, khususnya dalam
memperbaiki mutu air yang telah tercemar, agar dapat digunakan kembali dalam
memenuhi kebutuhan air bersih. Menurut Tansel (2008), teknologi pembersihan
air minum yang berkembang saat ini pada umumnya menggunakan proses filtrasi
(media penyaringan, sistem membran), proses disinfeksi, pertukaran ion, dan
proses adsorpsi karbon. Sedangkan untuk pembersihan air limbah, cenderung
menggunakan proses biologis dan teknik pembersihan tingkat lanjut seperti
adsorpsi.
Adsorpsi digunakan secara luas sebagai metode fisis yang efektif dalam
proses separasi, untuk membersihkan atau mengurangi konsentrasi polutan terlarut
(organik dan non organik) di dalam bahan tercemar. Arang aktif yang telah
dikenal baik sebagai adsorben, dapat digunakan secara efisien untuk
menghilangkan berbagai jenis polutan dari udara, tanah, dan juga cairan. Arang

2
 

aktif memiliki sejumlah besar pori yang sangat halus (mikropori), sehingga
memiliki permukaan dalam yang luas, dan menjadi dasar sifat adsorpsinya yang
sangat baik (Ansari dan Mohammad-Khah 2009).
Sistem membran juga semakin penting dalam aplikasi pembersihan air.
Membran merupakan penghalang yang selektif terhadap aliran molekul dan ion
dalam cairan atau gas antara dua fasa di kedua sisinya, fasa pertama adalah umpan
(masukan) dan fasa kedua merupakan hasil penyarigan (Mulder 1996).
Dibandingkan dengan treatmen konvensional, proses pemurnian air dengan
membran menawarkan beberapa keunggulan, seperti memerlukan lebih sedikit
bahan kimia, air yang dihasilkan berkualitas baik, sedikit produksi endapan,
proses yang rapi, serta kemudahan otomatisasi (Xia et al. 2008).
Melihat keunggulan membran sebagai media filtrasi dan karbon aktif
sebagai adsorban, serta kinerja mereka yang sudah dikenal baik dalam proses
pembersihan air, maka kedua teknologi ini memiliki peluang untuk digabungkan
menjadi satu kesatuan teknik pemurnian air. Dalam penelitian ini, membran
dibuat dari bahan dasar polimer polisulfon, dengan karbon aktif sebagai bahan
dadah. Membran kemudian diuji dan dikarakterisasi, untuk mengetahui
kemampuan dan efektifitasnya dalam melakukan pembersihan air.
1.2 Rumusan Masalah
Proses pembersihan air dengan membran filtrasi dan adsorpsi arang aktif
telah sering dilakukan, dan telah terbukti menjadi metode yang efektif dalam
membersihkan zat polutan yang terkandung dalam cairan ataupun gas. Selama ini
kedua metode ini biasa diaplikasikan tersendiri dalam proses pembersihan air,
namun sering pula dipadukan dalam satu susunan sistem pembersihan air, baik
sebagai pratreatmen ataupun pascatreatmen bagi satu sama lainnya. Namun
demikian, teknik yang menggabungkan kedua metode ini menjadi satu produk
filter masih jarang dilakukan dan masih tergolong teknik baru.
Pada penelitian ini penulis mencoba menggabungkan teknologi membran
dan adsopsi sebagai satu kesatuan produk. Membran polimer yang dikenal baik
sebagai media filtrasi dan karbon aktif yang sangat baik sebagai adsorben,
dipadukan untuk memperoleh membran polimer-karbon aktif. Permasalahan yang

3
 

timbul adalah bagaimana membuat karbon aktif yang baik untuk dijadikan bahan
dadah pada membran, serta bagaimana menentukan komposisi yang tepat dalam
memadukan polimer polisulfon dan karbon aktif untuk pembuatan membran.
Permasalahan selanjutnya adalah bagaimana efek dari pendadahan membran
polimer dengan karbon aktif pada karakteristik membran, dan bagaimana kinerja
membran yang dihasilkan dalam proses filtrasi air.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Memproduksi dan mengkarakterisasi karbon aktif dari bahan baku berbeda,
sebagai bahan dadah membran.
2. Mensintesis dan mengkarakterisasi membran polisulfon dengan pendadah
karbon aktif.
3. Mengetahui efektifitas penambahan karbon aktif sebagai bahan dadah pada
membran.
4. Mengetahui kinerja membran polisulfon-arang aktif sebagai media filtrasi air.
1.4 Hipotesis
1. Variasi proses aktivasi akan memberi pengaruh pada karakteristik karbon aktif
yang dihasilkan.
2. Pendadahan membran dengan arang aktif pada konsentrasi tertentu, akan
mempengaruhi karakteristik membran dan kinerjanya dalam filtrasi air.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat menjadi teknologi alternatif dalam
proses pemurnian air yang lebih baik, khusunya dalam bidang membran filtrasi
dan adsorpsi arang aktif, serta dapat menjadi rujukan bagi penelitian selanjutnya,
yang berkaitan dengan bidang ini. Dengan penelitian dan pengembangan
teknologi lebih lanjut, hasil riset ini diharapkan dapat diaplikasikan langsung pada
masyarakat dan bidang industri, guna mengatasi masalah kekurangan air bersih.

4
 

5
 

II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Membran

2.1.1 Sejarah Membran
Sejarah membran diawali tahun 1748 saat Abbe Nolet, seorang fisikawan
Perancis menemukan gejala osmosis pada membran kantung kemih babi.
Dilanjutkan oleh Tzambe, kimiawan asal Jerman pada 1867 dengan serentetan
percobaan membran sintesis. Sepanjang abad ke-19 hingga awal abad ke-20,
membran tidak digunakan untuk industri ataupun tujuan komersil, tapi hanya
sebagai peralatan laboratorium untuk mengembangkan teori fisika dan kimia.
Terobosan teknologi membran dimulai pada tahun 1960-an melalui
pengembangan membran berpori asimetris oleh Loeb dan Sourirajan (UCLA).
Membran pun mulai berkembang dengan sangat pesat sejak tahun 1970-an.
Material membran jenis baru mulai digunakan, dimensi modul dan sistem
membran semakin besar dengan kinerja yang makin piawai, tekanan operasi
membran semakin kecil, dan peningkatan kontrol mutu telah dipadukan dengan
sistem komputer (Hartomo dan Widiatmoko 1994; Nunes dan Peinemann 2001;
Baker 2004).
Tabel 1 berikut menampilkan beberapa perkembangan proses membran
dan aplikasinya. Dari tahun 1920 hingga 1950, proses membran masih digunakan
dalam skala kecil, dan pada tahun 1950-an mulai diaplikasikan pada skala
industri.
Tabel 1 Perkembangan teknik proses membran (Mulder 1996).
Proses membran

Negara

Tahun

Aplikasi

Mikrofiltrasi
Ultrafiltrasi
Hemodialisis
Elektrodialisis
Hiperfiltrasi
Ultrafiltrasi
Separasi gas
Membran distilasi
Pervaporasi

Jerman
Jerman
Belanda
USA
USA
USA
USA
Jerman
Jerman/Belanda

1920
1930
1950
1955
1960
1960
1979
1981
1982

Laboratorium (filter bakteri)
Laboratorium
Ginjal tiruan
Desalinasi
Desalinasi air laut
Pemisahan makromolekul
Perolehan kembali hidrogen
Konsentrasi larutan encer
Dehidrasi pelarut organik

6
 

2.1.2 Sifat dan Karakteristik Membran
Membran didefinisikan sebagai sebuah struktur yang memiliki dimensi
lateral jauh lebih besar dari ketebalannya, dan sejumlah perpindahan massa dapat
terjadi melalui membran di bawah berbagai variasi gaya penggerak (Pellegrino
2000). Membran dapat melewatkan molekul atau partikel dari fasa satu ke fasa
lain karena beberapa faktor, seperti gradien temperatur, gradien konsentrasi,
gradien tekanan, dan gradien energi (Baker 2004).
Membran dapat dianggap sebagai penghalang yang permeabel dan
selektif antara dua fase. Fase pertama biasanya dianggap sebagai umpan (feed),
sementara fase kedua adalah hasil pemisahan (permeate). Pemisahan tercapai
karena membran memiliki kemampuan untuk mengangkut salah satu komponen
campuran umpan lebih mudah daripada komponen lainnya. Membran dapat
berukuran tebal ataupun tipis, strukturnya bisa homogen ataupun heterogen
(komposit), dan proses perpindahan material melewati membran dapat terjadi
melalui proses transpor aktif dan pasif. Transpor pasif dapat digerakkan oleh
perbedaan tekanan, konsentrasi, atau perbedaan temperatur di antara kedua sisi
membran (Mulder 1996). Proses pemisahan melalui membran dapat diilustrasikan
seperti pada Gambar 1.

Gambar 1 Proses pemisahan oleh membran sintesis (Chelme-Ayala et al. 2009)

Secara umum, membran dibedakan atas membran alami dan sintesis.
Membran alami adalah membran sel biologi pada makhluk hidup, sedangkan
membran sintesis adalah membran buatan, yang terbagi atas membran organik
(polimer atau cairan) dan anorganik (terbuat dari metal, gelas, keramik, dll.)
(Mulder 1996). Berdasarkan strukturnya, membran dibedakan menjadi membran

7
 

simetrik dan asimetrik. Membran simetrik adalah membran dengan ukuran pori
yang sama dari permukaan atas membran hingga permukaan bawahnya.
Sedangkan membran asimetrik adalah membran yang memiliki ukuran pori
berbeda antara permukaan atas dan bawahnya (Scott 1995).
Berdasarkan prinsip pemisahannya, membran dapat dibagi menjadi 3 jenis,
sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2 (Mulder 1996).

Gambar 2 Jenis membran berdasarkan prinsip pemisahan

a. Membran berpori
Membran berpori melakukan pemisahan berdasarkan perbedaan ukuran
partikel. Membran jenis ini digunakan dalam ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi..
Selektivitas terutama ditentukan oleh ukuran pori terhadap ukuran partikel
yang akan dipisahkan, di mana material membran tidak memberikan pengaruh
yang begitu besar pada pemisahan tersebut. Selektivitas yang tinggi dapat
diperoleh jika ukuran partikel terlarut relatif lebih besar dari pori membran.
b. Membran non pori
Membran ini mampu memisahkan molekul yang berukuran hampir sama.
Proses pemisahan terjadi melalui perbedaan daya larut dan/atau difusifitas. Ini
berarti bahwa sifat intrinsik material menentukan tingkat selektifitas dan
permeabilitas. Membran ini digunakan dalam pervaporasi dan pemisahan gas.
c. Membran cair
Dengan membran jenis ini, proses transpor tidak dipengaruhi oleh membran
atau material membran, tapi oleh molekul pembawa (carrier) yang sangat
spesifik. Pembawa yang mengandung cairan berada di dalam pori membran.
Permeselektivitas komponen terutama bergantung pada kekhususan molekul

8
 

pembawa. Komponen yang dipisahkan dapat berupa gas atau cairan, ionik atau
non ionik. Pada beberapa tingkatan, fungsinya mendekati membran sel.
Berdasarkan gradien tekanan sebagai daya dorong dan permeabilitasnya,
membran dibedakan menjadi (Nunes dan Painemann 2001; Baker 2004):
a. Mikrofiltrasi (MF). Membran jenis ini beroperasi pada tekanan berkisar 0,1-2
bar dan batasan permeabilitasnya lebih besar dari 50 L/m2.jam.bar.
b. Ultrafiltrasi (UF). Membran jenis ini beroperasi pada tekanan antara 1-5 bar
dan batasan permeabilitasnya adalah 10-50 L/m2.jam.bar.
c. Nanofiltrasi. Membran jenis ini beroperasi pada tekanan antara 5-20 bar dan
batasan permeabilitasnya mencapai 1,4-12 L//m2.jam.bar
d. Reverse osmosis (RO). Membran jenis ini beroperasi pada tekanan antara
10-100 bar dan batasan permeabilitasnya mencapai 0,005-1,4 L/m2.jam.bar
Jangkauan operasi membran, aplikasi, dan tujuan kontaminan yang
disaring oleh membran ditampilkan pada Gambar 3 dan Tabel 2.

Gambar 3 Skematik dari proses filtrasi dengan teknologi membran (Pellegrino 2000)

9
 
Tabel 2 Proses membran dan aplikasinya (Chelme-Ayala et al. 2009)
Membran

Target kontaminan utama

Sumber air

Aplikasi

Mikrofiltrasi

Kekeruhan, protozoa, dan
penghilangan bakteri

Air
permukaan

Ultrafiltrasi

Kekeruhan, senyawa organik, Air tanah
iron-manganese
Kesadahan, padatan terlarut, Air tanah
senyawa organik
Padatan terlarut,
Air tanah
radionuklida, reklamasi air

Sewer, aplikasi lahan
(irigasi, perkolasi,
kolam pengendapan)
Aplikasi lahan, sewer

Nanofiltrasi
Osmosis balik

Sumur dalam, sewer
Surface discharge,
sewer

2.1.3 Konduktansi Membran
Salah satu sifat listrik yang dimiliki oleh membran adalah konduktansi.
Konduktansi merupakan ukuran yang menggambarkan kemampuan suatu bahan
untuk membawa arus listrik. Sifat ini muncul karena adanya interaksi antara ion
dengan membran. Konduktansi sangat penting dalam proses pemisahan pada
membran karena dapat menentukan geometri dan dimensi pori. Besarnya
konduktansi membran (G) dapat diperoleh dengan pendekatan persamaan:
G = n Gp

(1)

dengan n adalah jumlah pori membran, dan Gp adalah konduktansi tiap pori
(asumsi pori-pori identik). Terdapat beberapa hal yang mempengaruhi nilai Gp, di
antaranya faktor geometri pori, konsentrasi pori, dan mobilitas ionnya. Dengan
asumsi bahwa ion di dalam suatu medium dielektrik akan mengalami interaksi
elektrostatik dengan membran.
Sebuah ion dengan radius d dan muatan zq (di mana z adalah bilangan
valensi ion dan q adalah muatan ion), dalam suatu medium yang luasnya tak
berhingga dengan konstanta dielektrik ε, akan memiliki energi diri U yang
besarnya adalah:
U = z2 q2 / 8 π εo εm d

(2)

Nilai energi diri ion akan berubah bagi ion yang mediumnya memiliki
konstanta dielektrik tak seragam. Energi diri ion tersebut pun akan berubah
tergantung kepada di mana ion tersebut berada. Oleha karena itu nilai ini sangat

10
 

bergantung pada konstanta dielektrik (ε). Nilai U akan naik secara teratur sesuai
dengan banyaknya ion yang melewati suatu daerah dengan konstanta dielektrik ε
lebih rendah. Konstanta dielektrik membran lebih kecil (biasanya εm = 3)
dibanding konstanta dielektrik pelarut (air, εs = 78.5).
Ion yang melewati membran dapat menyebabkan adanya perubahan energi
diri sebesar ΔU, sebagai akibat interaksi medan listrik dengan konstanta dielektrik
membran (εm), yang tergantung pada seberapa dekatnya ion pada membran.
Perubahan energi diri ΔU dapat ditentukan melalui :
ΔU = z2 q2 α / 4 π εo εm b

(3)

Dengan z adalah bilangan valensi ion, q adalah muatan ion, α merupakan nilai
yang bergantung pada konstanta geometri dan dielektrik, εo adalah konstanta
resapan, dan b adalah jari-jari pori membran.
Peningkatan energi diri ΔU akan mempengaruhi konsentrasi ionik yang
ada di dalam membran. Secara energetika, kenaikan energi diri kurang baik untuk
ion yang berada dalam pori-pori membran yang rapat, dengan konstanta dielektrik
rendah. Jika C adalah konsentrasi ion di pusat membran, Co adalah konsentrasi ion
pada jarak yang jauh dari membran, G adalah konduktansi di pusat membran,
Go adalah konduktansi yang berjarak jauh dari membran, dengan konstanta
Boltzman k dan suhu T, maka koefisien partisi γ dapat dihitung dengan
menggunakan statistik Boltzman:
γ = C / Co = G / Go = exp (-ΔU / k T)

(4)

Pada elektrolit dengan konsentrasi kation P dan anion N, serta valensi zp dan zn,
dan dengan co adalah kekuatan ionik larutan, maka:
zp P = z n N = co

(5)

Untuk membran dengan ukuran pori lebih besar dari panjang Debye dan
dengan medan listrik konstan, maka besarnya nilai konduktansi untuk tiap pori Gp
terhadap ion yang mengalir adalah:

Gp =
dengan :

q 2 C 0 ( z p γ p D p + z n γ n Dn ) π b 2
kT L

(

)

γ p = exp − z p 2 q 2 α 4 π ε 0 ε m b R T  

(6)

(7) 

11
 

(

)

γ n = exp − z n 2 q 2 α 4 π ε 0 ε m b R T  

(8)

Di mana b adalah jari-jari pori membran, L adalah ketebalan membran, K adalah
konstanta Boltzman (1.38662 x 10-23 J/K), T merupakan suhu dalam Kelvin, dan
R adalah konstanta molar gas (8.314 J/mol K).
Dari persamaan (6) dapat diamati bahwa ada kebergantungan dari Gp
terhadap temperatur, dan menunjukkan hubungan yang linear. Pada suhu yang
tinggi, nilai G akan semakin besar, ini berarti pula bahwa pergerakan ion juga
lebih besar. Di samping itu, koefisien partisi γ juga akan membesar, dengan
demikian energi diri ΔU akibat interaksi medan magnet juga meningkat. Dengan
menganggap konduktansi untuk tiap pori (Gp) adalah sama, maka jumlah pori n
dapat diketahui melalui persamaan (1), dan mekanisme transpor pun dapat
diketahui (Smith et al. 1992).
2.1.4 Teknik Pembuatan Membran

Terdapat beberapa jenis pembuatan membran seperti sintering, stretching,
track-etching, template leaching, coating, dan phase inversion (inverse fasa).
Teknik inversi fasa adalah teknik yang umum digunakan untuk membran
berbahan polimer. Inversi fasa adalah proses di mana polimer dibentuk dari
keadaan cair menjadi padat dengan cara terkontrol (Mulder 1996).
Mekanisme pembuatan membran dengan teknik inversi fasa dapat
dijelaskan melalui diagram terner seperti terlihat pada Gambar 4. Seluruh sistem
pada diagram dibagi menjadi dua daerah penting, yaitu daerah fasa tunggal dan
fasa ganda. Sistem tersebut terdiri atas tiga komponen utama yang berperan dalam
pembuatan membran yaitu polimer, pelarut, dan non pelarut. Pada daerah fasa
tunggal, ketiga komponen larut membentuk larutan serba sama. Titik A
menunjukkan larutan cetak membran yang mengandung polimer dan pelarut. Pada
saat proses koagulasi di dalam non pelarut, pelarut akan berdifusi ke non pelarut.
Dalam proses ini, fasa tunggal masih terbentuk hingga di titik B. Di saat yang
bersamaan, di titik B juga mulai muncul daerah fasa ganda. Proses koagulasi yang
lebih lama akan mengakibatkan semua pelarut berdifusi ke non pelarut dan
berakhir pada titik C, di mana titik ini adalah komposisi membran keseluruhan.

12
 
POLIMER 
Fasa Tunggal 
D 
C 
A
B

PELARUT

Fasa Ganda 

NON PELARUT

Gambar 4 Diagram fasa pada pembentukan membran (Londsdale 1985)

Pada titik B, campuran 3-komponen melewati rongga pengendapan.
Penukaran lebih lanjut pelarut oleh non pelarut mengakibatkan pergeseran ke arah
fase di mana bagian polimer dominan. Pada titik C proses penguapan pelarut
berakhir, dan semua pelarut telah digantikan oleh non pelarut; ada dua fase yang
saling berdekatan, yaitu fase padat (polimer) yang membentuk struktur membran
dan fase cair yang mengisi volume pori. Proses penguapan pelarut terjadi sesaat
sebelum proses koagulasi. Penguapan menyebabkan lapisan atas membran
kekurangan pelarut. Oleh karena itu, komposisi lapisan atas membran kaya akan
polimer sebagaimana ditunjukkan pada titik D dalam diagram.
Proses pembuatan membran sesungguhnya tidak sederhana seperti yang
tergambar pada diagram terner. Penjelasan tersebut adalah pendekatan proses
kesetimbangan, sedangkan pembuatan membran sebenarnya bukan merupakan
proses kesetimbangan. Namun demikian, pendekatan diagram fasa sangat berguna
dalam pembuatan membran asimetrik (Londsdale 1985; Romli et al. 2006).
2.2 Arang Aktif
2.2.1 Sifat dan Struktur Arang Aktif

Arang adalah suatu bahan padat berpori, merupakan hasil pembakaran
dari bahan yang mengandung unsur karbon. Sebagian besar dari pori-porinya
masih tertutup dengan hidrokarbon, ter, dan senyawa organik lain. Komponen
arang terdiri dari karbon terikat, abu, air, nitrogen, dan sulfur (Djatmiko et al.
1985). Arang aktif adalah arang yang konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari

13
 

ikatan dengan unsur lain, serta porinya dibersihkan dari senyawa atau kotoran
lain, sehingga permukaan dan pusat aktif menjadi luas, serta kemampuan
adsorpsinya terhadap cairan dan gas meningkat (Sudradjat dan Soleh 1994).
Secara fisik arang aktif berbentuk padatan, berwarna hitam, tidak berbau,
tidak berasa, bersifat higroskopis, tidak larut dalam air, basa, asam dan pelarut
organik, serta tidak rusak karena perubahan pH maupun suhu. Susunan atom
karbon dalam arang aktif mirip dengan susunan atom karbon dalam grafit, yang
terdiri dari pelat-pelat datar di mana atom karbonnya tersusun dan terikat secara
kovalen di dalam suatu kisi heksagonal secara paralel (Gambar 5). Struktur arang
aktif berbeda dengan struktur grafit karena pelat-pelat karbon heksagonal dalam
arang aktif tidak terorientasi sempurna tegak lurus terhadap sumbunya. Besar
kecilnya ukuran pori dari kristalit arang aktif selain bergantung pada suhu
karbonasi, juga bergantung pada bahan baku yang digunakan. Ukuran porinya
dapat berkisar antara 10 – 250 Å (Pari 2004).

Gambar 5 Struktur heksagonal grafit (Marsh dan Rodriguez-Reinoso 2006)

Bonelli (2001) serta Daud dan Ali (2004) menyatakan bahwa struktur,
penyebaran, dan ukuran pori arang aktif lebih dipengaruhi oleh sifat dasar bahan
baku (lignin, selulosa dan holoselulosa). Arang aktif tempurung kelapa menunjukkan distribusi pori halus (mikropori) lebih banyak dibanding arang aktif kayu.
Karbon aktif dengan struktur mesopori dapat digunakan untuk pemurnian
air minum, perlakuan limbah cair, penghilangan warna pada makanan dan bahan
kimia. Sedangkan pada struktur mikropori digunakan untuk mendaur ulang zat
cair, pengendali emisi gas pada minyak gas, saringan pada rokok dan pengendali
emisi gas pada industri. Penggunaan karbon sebagai penyerap juga dipengaruhi

14
 

oleh luas permukaan, penyebaran pori dan sifat kimia permukaan arang aktif
(Benaddi et al. 2000).
2.2.2 Pembuatan Arang Aktif

Setiap material yang mengandung karbon (hewan, tumbuhan, atau bahan
mineral) dengan konsentrasi karbon yang tinggi, dapat dibuat menjadi arang aktif.
Bahan baku yang paling sering digunakan adalah kayu, arang kayu, kulit kacangkacangan, batu bara, dan tulang. Polimer sintetik seperti PVC juga dapat
digunakan untuk membuat arang aktif (Ansari dan Mohammad-Khah 2009).
Di Indonesia sendiri, penelitian tentang arang aktif telah banyak dilakukan, dan
umumnya menggunakan bahan baku dari biomassa, seperti tempurung kelapa dan
kayu bakau (Hartoyo et al. 1990), tempurung biji-bijian (Hudaya dan Hartoyo
1990), berbagai jenis kayu (Pari 1996; Pari 2004), serta berbagai macam biomassa
hutan, seperti kayu mani, bambu mayan, dan tempurung kemiri (Komarayati et al.
1998; Hendra dan Darmawan 2007).
Perubahan komponen kimia kayu dalam proses karbonisasi terjadi pada
suhu 100 - 1000 oC, di mana perubahan terbesar terjadi pada suhu 200 - 500 oC.
Reaksi pada proses karbonisasi adalah eksoterm, yaitu jumlah panas yang
dikeluarkan lebih besar dari yang diperlukan. Reaksi eksoterm ini terlihat nyata
pada suhu 300 - 400 oC, di mana suhu melonjak dengan cepat, meskipun jumlah
panas yang diberikan tetap. Umumnya pembuatan arang dilakukan pada suhu di
atas 500 oC. Garis besar proses karbonisasi kayu dibagi menjadi 4 tahap, yaitu:
-

Pada suhu 100 - 120 oC terjadi penguapan air, dan sampai suhu 270 oC mulai
terjadi penguraian selulosa. Destilat mengandung asam organik dan sedikit
metanol. Asam cuka terbentuk pada suhu 200-270 oC.

-

Pada suhu 270 - 310 oC reaksi eksotermik berlangsung, di mana terjadi peruraian selulosa secara intensif menjadi larutan pirolignat, gas kayu, dan sedikit
ter. Asam pirilignat merupakan asam organik dengan titik didih rendah seperti
asam cuka dan metanol, sedangkan gas kayu terdiri dari CO dan CO2.

-

Pada suhu 310 - 500 oC, terjadi peruraian lignin, dihasilkan lebih banyak ter,
sedangkan larutan pirolignat menurun. Gas CO2 menurun sedang gas CO,
CH4, dan H2 meningkat.

15
 

-

Pada suhu 500 - 1000 oC, diperoleh gas kayu yang tidak dapat diembunkan,
terutama terdiri dari gas hidrogen. Tahap ini merupakan proses pemurnian
arang atau peningkatan kadar karbon

(Djatmiko et al. 1985; Sudradjat dan Soleh 1994).
Pada dasarnya ada dua cara membuat arang aktif, yaitu melalui aktivasi
fisik dan kimia. Aktivasi fisik dilakukan dalam dua tahap, pertama karbonisasi
dan kedua aktivasi pada suhu tinggi. Pada aktivasi kimia, bahan diimpregnasi
terlebih dahulu dengan bahan pengaktif lalu dikarbonisasi. Tahap karbonisasi dan
aktivasi dilakukan secara berlanjut (Haya