Membran Komposit Polivinil Alkohol-Zeolit Berporogen Pluronik Untuk Pervaporasi Etanol
MEMBRAN KOMPOSIT POLIVINIL ALKOHOL-ZEOLIT
BERPOROGEN PLURONIK UNTUK PERVAPORASI
ETANOL
FANNY YULIANDA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKIRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Komposit
Polivinil Alkohol-Zeolit Berporogen Pluronik untuk Pervaporasi Etanol adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal
atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain
telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2016
Fanny Yulianda
NIM G44110094
ABSTRAK
FANNY YULIANDA. Membran Komposit Polivinil Alkohol-Zeolit Berporogen
Pluronik untuk Pervaporasi Etanol. Dibimbing oleh BETTY MARITA
SOEBRATA dan SRI MULIJANI.
Membran komposit polivinil alkohol (PVA)-zeolit dibentuk dengan
menambahkan pluronik sebagai porogen untuk aplikasi pervaporasi etanol. Zeolit
yang digunakan adalah zeolit alam yang berasal dari Cikalong, Tasikmalaya.
Membran disiapkan melalui proses fase inversi. Komposisi pembuatan membran
komposit PVA-zeolit adalah 2.0 g PVA:0.1 g zeolit:0.3 g pluronik. Zeolit yang
digunakan memiliki nilai kapasitas tukar kation 183.41 mg ek/100 g hasil aktivasi
menggunakan NaOH 3 M. Keberhasilan kinerja membran ditentukan oleh
peningkatan konsentrasi dan faktor separasi yang dievaluasi menggunakan
kromatografi gas. Konsentrasi etanol yang didapat dari hasil pervaporasi meningkat
dari konsentrasi 70% menjadi 73.66% dan faktor separasi memiliki nilai 1.20.
Analisis morfologi pada penampang melintang membran menggunakan mikroskopi
elektron payaran menunjukkan membran yang terbentuk adalah membran
asimetris.
Kata kunci: membran, pervaporasi, polivinil alkohol, zeolit
ABSTRACT
FANNY YULIANDA. Polyvinyl Alcohol-Zeolite Membrane Composite with
Pluronic Addition for Ethanol Pervaporation. Supervised by BETTY MARITA
SOEBRATA and SRI MULIJANI.
Polyvinyl alcohol (PVA)-zeolite composite membrane was formed by adding
pluronic as porogen for ethanol pervaporation. The zeolite used was natural zeolite
obtained from Cikalong, Tasikmalaya. The membrane was prepared by phase
inversion process. The composition of the fabricated PVA-zeolite composite
membrane was 2.0 g PVA:0.1 g zeolite:0.3 g pluronic. The zeolite used had cation
exchange capacity of 183.41 meq/100 g resulted from activation using NaOH 3 M.
High ethanol concentration and good separation become a critical factor for the
membrane performance. The ethanol concentration obtained from the
pervaporation increase from 70% to 73.66% and the separation factor was 1.20.
Morphology analysis on the membrane cross section using scanning electron
microscopy showed that the membrane formed was asymmetric.
Key words: membrane, pervaporation, polyvinyl alcohol, zeolite
MEMBRAN KOMPOSIT POLIVINIL ALKOHOL-ZEOLIT
BERPOROGEN PLURONIK UNTUK PERVAPORASI
ETANOL
FANNY YULIANDA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PRAKATA
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah subhanahu wa ta’ala yang telah
memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat
diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan
April 2015 ini ialah membran, dengan judul Membran Komposit Polivinil AlkoholZeolit Berporogen Pluronik untuk Pervaporasi Etanol.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Betty Marita Soebrata, SSi, MSi selaku
dosen pembimbing I dan Dr Sri Mulijani, MS selaku dosen pembimbing II. Ucapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh staf Laboratorium kimia
(Bapak Ismail, Ibu Ai, Bapak Sawal, Bapak Wawan, dan Bapak Eko) yang telah
banyak memberikan saran dan bantuan kepada penulis selama penelitian. Selain itu
terima kasih penulis sampaikan kepada keluarga Kimia Fisik, dan keluarga besar
Kimia angkatan 48 yang telah memberikan semangat, masukan, dan dukungan
kepada penulis.
Ucapan terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Ibu, Ayah, kakak,
dan adikku tercinta atas doa, dukungan, dan kasih sayang yang telah diberikan.
Semoga karya tulis ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Fanny Yulianda
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
METODE
2
Alat dan Bahan
2
Lingkup Penelitian
2
Preparasi zeolit
3
Aktivasi zeolit alam
3
Penentuan kapasitas tukar kation
3
Pembuatan membran komposit
4
Pervaporasi etanol
4
Penentuan konsentrasi etanol menggunakan kromatografi gas
4
Analisis morfologi membran
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Ciri zeolit alam
4
Membran komposit PVA-zeolit
7
Morfologi membran komposit PVA-zeolit
7
Pervaporasi etanol
8
SIMPULAN DAN SARAN
9
Simpulan
9
Saran
9
DAFTAR PUSTAKA
10
RIWAYAT HIDUP
23
DAFTAR TABEL
1 Data perbandingan nilai 2θ zeolit Cikalong terhadap data mordenit
2 Hasil penentuan nilai KTK zeolit sebelum dan setelah aktivasi
3 Hasil analisis peningkatan konsentrasi etanol
6
6
8
DAFTAR GAMBAR
1 Zeolit sebelum aktivasi (a) dan zeolit setelah aktivasi (b)
5
2 Struktur kimia polimer PVA (a) dan struktur alumina silikat pada zeolit (b)
7
3 Morfologi penampang lintang membran komposit PVA-zeolit perbesaran 1000 8
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Diagram alir penelitian
Difraktogram Zeolit Cikalong dan standar mordenit (JCPDS 29-1257)
Data difraktogram zeolit Cikalong
Data difraktogram standar mordenit (JCPDS 29-1257)
Penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK)
Rangkaian pervaporator
Penentuan peningkatan konsentrasi etanol
Penentuan nilai faktor separasi
15
16
17
18
19
20
21
22
PENDAHULUAN
Etanol merupakan salah satu bahan kimia penting karena memiliki manfaat
sangat luas antara lain sebagai pelarut, bahan bakar cair, bahan desinfektan, dan
bahan baku industri. Dalam pemanfaatannya seringkali dibutuhkan etanol dengan
kemurnian dan konsentrasi tinggi. Untuk memperoleh etanol dengan konsentrasi
tinggi, biasanya digunakan proses distilasi (Nasrun 2005), namun distilasi hanya
dapat memisahkan zat yang memiliki perbedaan titik didih yang besar (Wahyuni
2012). Kelemahan proses ini dapat digantikan dengan proses yang memanfaatkan
membran.
Membran merupakan suatu lapisan tipis antara dua fase fluida yang bersifat
sebagai penghalang terhadap suatu spesi tertentu yang dapat memisahkan zat
dengan ukuran berbeda dan membatasi transpor dari berbagai spesi berdasarkan
sifat fisik dan kimianya. Proses pemisahan dengan membran dapat terjadi karena
adanya perbedaan ukuran pori, bentuk, dan struktur kimianya (Pabby et al. 2009).
Membran tersebut dinamakan membran semipermeabel yang artinya dapat
menahan spesi tertentu dan dapat melewatkan spesi lainnya. Efisiensi membran
ditentukan oleh permeabilitas dan faktor separasinya. Permeabilitas merupakan
ukuran kecepatan dari suatu spesi untuk melewati membran dan faktor separasi
adalah ukuran kemampuan membran untuk memisahkan suatu senyawa dari
campurannya. Sifat ini dipengaruhi oleh jumlah dan ukuran pori, tekanan yang
diberikan, serta ketebalan membran. Permeabilitas juga dinyatakan sebagai suatu
besaran fluks yang didefinisikan sebagai jumlah volume permeat yang melewati
satu satuan luas membran dalam satuan waktu tertentu dengan adanya gaya
penggerak berupa tekanan (Pratomo 2003). Perkembangan penelitian tentang
teknologi membran saat ini diarahkan pada pemilihan bahan dasar untuk
menghasilkan produk membran yang memenuhi kriteria, yaitu membran dengan
kualitas yang tinggi (Arahman 2012).
Salah satu teknologi membran yang dapat digunakan sebagai alternatif untuk
mendapatkan etanol dengan konsentrasi yang tinggi adalah proses membran dengan
pemisahan secara pervaporasi. Pervaporasi merupakan proses pemisahan
menggunakan membran dengan memanfaatkan perbedaan tekanan. Umpan yang
akan dipisahkan dikontakkan dengan permukaan membran dan permeat yang
terpisahkan diambil (Zhang dan Drioli 1995). Keunggulan pervaporasi
dibandingkan distilasi antara lain dapat memisahkan campuran azeotrop, tidak
membutuhkan zat aditif, dan energi yang diperlukan relatif rendah (Shao dan Huang
2007).
Membran dapat dibuat dari beberapa polimer. Pada pervaporasi etanol-air,
membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif (Permata 2009).
Salah satu polimer yang bersifat hidrofilik adalah polivinil alkohol (PVA). PVA
merupakan suatu polimer sintetik yang larut dalam air yang diproduksi dari reaksi
hidrolisis polivinil asetat (PVAc). PVA memiliki bentuk film yang sangat bagus,
bersifat emulsifier dan mudah terdegradasi. PVA yang terbentuk dari total hidrolisis
PVAc mempunyai titik leleh 210-230 °C, sedangkan PVA yang terbentuk dari
hidrolisis sebagian titik lelehnya 150-190 °C (Darsono et al. 2000).
Pembuatan membran PVA juga memerlukan matriks untuk meningkatkan
ketahanan dan kinerja membran tersebut. Zeolit merupakan salah satu matriks
2
berupa keramik yang dapat digunakan. Zeolit adalah hasil pengkristalan alumino
silikat dan kristal yang terbentuk memiliki pori-pori yang seragam. Zeolit terdiri
atas SiO4 dan AlO4 tetrahedral dan tiap tetrahedral tersusun oleh 4 anion oksigen
yang menyebar mengelilingi suatu ion silikon dan ion aluminium. Atom oksigen
memiliki muatan -2 dan atom silikon memiliki muatan +4 yang akan berikatan
membentuk silika tetrahedral yang tidak bermuatan, sedangkan atom aluminium
akan membentuk alumina tetrahedral dengan mengikat sisa muatan -1 dari tiap
atom oksigen sehingga zeolit mempunyai muatan negatif di permukaannya. Muatan
negatif ini akan dinetralisasi oleh kation seperti kation alkali dan alkali tanah
sehingga kehadiran kation ini membuat zeolit bersifat polar (Suraputra 2011).
Zeolit juga mempunyai sifat tahan panas sehingga dapat digunakan untuk
meningkatkan kestabilan suatu polimer seperti PVA saat zeolit ditambahkan karena
PVA mempunyai kestabilan yang rendah pada suhu tinggi (Ling et al. 2008).
Kinerja membran komposit PVA-zeolit dapat lebih diefektifkan dengan
adanya pori agar umpan yang dialirkan dapat dengan mudah melewati membran.
Bahan pembentuk membran yang dapat digunakan adalah Pluronik. Pluronik
adalah polimer dengan jenis kopolimer blok yang mengandung kopolimer
polioksietilena-polipropilena. Gugus oksietilena sebagai gugus hidrofilik dan gugus
propilena sebagai gugus hidrofobik. Pluronik berbentuk padat, partikel kasar, dan
berwarna putih. Pluronik akan bertindak sebagai pembentuk pori pada membran
dengan penambahan harus di atas nilai konsentrasi misel kritis (KMK) (Pranawati
2011). Penelitian ini bertujuan membuat membran komposit PVA-zeolit dan
mengetahui peningkatan konsentrasi etanol hasil pemisahan menggunakan
membran komposit PVA-zeolit secara pervaporasi.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan selama proses penelitian antara lain peralatan gelas,
oven, tanur, pengaduk magnet, sentrifusa (HERMLET Z206A), difraksi sinar-X
(MAXIME X-7000 Shimadzu), spektrometer serapan atom (AA-6800 Shimadzu),
mikroskopi elektron payaran (EVO MA10 ZEISS), kromatografi gas (AGILENT
6890N), dan pervaporator. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini
adalah zeolit alam asal Cikalong-Tasikmalaya, polivinil alkohol (BM 72000),
etanol (PA) 99,9%, etanol 70%, etanol 80%, CaCl2, NH4Cl, AgNO3, dan pluronik
F-127 (Aldrich).
Lingkup Penelitian
Metode penelitian yang akan dilakukan terdiri atas beberapa tahap yang
meliputi preparasi zeolit, aktivasi zeolit, karakterisasi zeolit (analisis XRD),
pembuatan membran komposit polivinil alkohol dengan zeolit, pengujian kinerja
membran yang meliputi pervaporasi etanol dan pencirian morfologi membran
menggunakan SEM (Lampiran 1).
3
Preparasi zeolit
Sampel zeolit alam asal Cikalong ditimbang sebanyak 500 g lalu digerus
menggunakan mortar dan dipisahkan dengan pengayak ukuran 400 mesh. Zeolit
dipindahkan ke dalam botol sampel dan dilakukan pencirian. Pencirian zeolit
meliputi penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK) dan analisis menggunakan
difraksi sinar-X (XRD) untuk identifikasi mineral yang terkandung dalam zeolit
berdasarkan hasil puncak-puncak difraktogram.
Aktivasi zeolit alam
Cara I adalah menimbang zeolit alam sebanyak 50 gram dan dicuci dengan
akuades hingga pH netral, disaring, dan dikeringkan pada suhu 105 °C. Zeolit yang
telah dikeringkan kemudian diaktivasi asam dengan menambahkan 50 gram zeolit
ke dalam 250 mL HCl 1.0 M, 1.5 M, dan 3.0 M lalu diaduk selama 1 jam. Zeolit
disaring dan dicuci dengan akuades hingga pH netral. Larutan diuji kandungan
klorin dengan AgNO3 dan zeolit dicuci kembali dengan akuades sampai tidak
mengandung klorin. Cara II adalah zeolit alam ditimbang sebanyak 50 gram dan
dicuci dengan akuades hingga pH netral, disaring, dan dikeringkan pada suhu 105
°C. Zeolit yang telah dikeringkan kemudian diaktivasi asam dengan menambahkan
50 gram zeolit ke dalam 250 mL NaOH 0.5 M, 1.5 M, dan 3.0 M lalu diaduk selama
1 jam. Zeolit disaring dan dicuci dengan akuades hingga pH netral. Setelah pH
netral dan bebas klorin, kedua zeolit dikeringkan dalam tanur bersuhu 300°C
selama 3 jam. Contoh zeolit yang telah mendapat perlakuan selanjutnya ditentukan
nilai kapasitas tukar kationnya.
Penentuan kapasitas tukar kation (Arif 2011)
Penentuan KTK dilakukan dengan menggunakan metode indeks kalsium.
Sebanyak 0.1 gram serbuk contoh zeolit ditimbang dan dimasukkan ke dalam
tabung kemudian ditambahkan CaCl2 0.5 M sebanyak 10 ml dan dijenuhkan selama
24 jam. Penjenuhan dilakukan dengan pengocok timbal-balik (reciprocal shaker).
Setelah 24 jam, sisa larutan dipisahkan dengan cara tabung diputar pada sentrifusa
dengan kecepatan 1317 rcf selama 10-15 menit. Supernatan dibuang dan pelet
selanjutnya dicuci dengan etanol 80% sebanyak 10 ml. Pencucian dengan alkohol
diulang sebanyak 5 kali. Pada pencucian terakhir, bilasan etanol diuji kandungan
kloridanya menggunakan AgNO3. Uji ini harus negatif, bila masih positif maka
pencucian dengan etanol 80% harus dilanjutkan lagi hingga bebas klorida.
Pelet yang sudah bebas klorida selanjutnya diekstraksi untuk mengambil
kalsium yang terjerap pada contoh zeolit. Ekstraksi dilakukan menggunakan NH4Cl
1 M sebanyak 10 ml selama 1 jam. Proses ekstraksi diulang sebanyak 5 kali.
Pemisahan pelet dan supernatan (ekstrak) dari masing-masing proses ekstraksi
dilakukan dengan sentrifusa pada kecepatan 1317 rcf selama 10-15 menit. Ekstrak
yang telah terkumpul selanjutnya ditera dengan NH4Cl 1 M sampai volume 100 ml.
Pengukuran kalsium dilakukan dengan spektrometer serapan atom memanfaatkan
bahan bakar udara-asetilena dengan metode analisis menggunakan kurva kalibrasi
standar eksternal.
4
Pembuatan membran komposit
Membran komposit dibuat dengan rasio polivinil alkohol 2.0 g : zeolit 0.1 g :
pluronik 0.3 g. Sebanyak 2.0 g polivinil alkohol kristal dilarutkan dalam 15 mL air
deionisasi dan dilakukan pengadukan menggunakan pengaduk magnet dengan
pemanasan selama 1 jam sampai larut. Setelah itu ditambahkan 0.1 g zeolit dan 0.3
g pluronik dan dilanjutkan pengadukan menggunakan pengaduk magnet selama 1
jam hingga terbentuk larutan membran yang homogen. Larutan membran
dituangkan ke atas pelat kaca yang telah diberi selotip pada bagian sisinya dengan
ketebalan tertentu lalu dicetak. Membran yang terbentuk didiamkan selama 24 jam
dan dilepaskan dari pelat kaca. Membran yang telah terbentuk dilakukan uji
selanjutnya seperti pervaporasi etanol dan analisis morfologi.
Pervaporasi etanol
Sampel membran dipotong dengan ukuran ± 2.5 x 3.0 cm, sehingga sesuai
dengan dimensi kompartemen pemisah yang berada pada alat pervaporasi. Modul
tersebut dihubungkan dengan selang pengalir umpan. Larutan umpan yang
digunakan adalah etanol 70%. Larutan umpan dilewatkan pada pervaporator yang
terlebih dahulu mengalami proses pemanasan di suhu 70 °C hingga senyawa etanol
yang titik didihnya lebih rendah akan menguap terlebih dahulu dibanding air. Uap
yang menetes pada membran kemudian ditampung sebagai hasil permeat.
Penentuan konsentrasi etanol menggunakan kromatografi gas
Sebanyak 1 μL larutan standar etanol dan larutan permeat hasil penyaringan
membran disuntikkan ke dalam GC untuk mengetahui tingkat konsentrasinya
dengan kondisi alat: suhu detektor 200°C, suhu injektor 200°C, laju aliran 1
ml/menit, gas pembawa He dan N, dan detektor ionisasi nyala.
Analisis morfologi membran
Sampel diletakkan pada plat alumunium kemudian dilapisi dengan pelapis
emas setebal 48 nm. Sampel kemudian diamati menggunakan SEM dengan
tegangan 15 kV dan perbesaran 1000. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui
morfologi dan ukuran pori dari membran.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Ciri zeolit alam
Zeolit alam asal Cikalong yang belum melalui proses aktivasi memiliki warna
kehijauan (Gambar 1a) dan berubah menjadi kekuningan (Gambar 1b) setelah
melalui proses aktivasi dan pengeringan dalam tanur suhu 300°C selama 3 jam.
Perubahan warna ini terjadi karena banyaknya unsur pengotor yang hilang saat
proses aktivasi dan pemanasan. Proses aktivasi zeolit diperlukan untuk
meningkatkan nilai kapasitas tukar kation serta meningkatkan luas pori dan luas
5
permukaan zeolit (Kurniasari et al. 2011). Meningkatnya luas pori pada zeolit
akibat adanya penguapan air yang terperangkap di pori-pori saat proses pemanasan
(Ahmadi 2009, Emelda et al. 2013).
Gambar 1 Zeolit sebelum aktivasi (a) dan zeolit setelah aktivasi (b)
Karakterisasi zeolit alam juga dilakukan menggunakan teknik difraksi sinarX (XRD) untuk mengetahui berbagai mineral yang terkandung di dalam zeolit (Las
dan Zamroni 2002). Menurut ahli mineralogi sekitar 40 jenis zeolit diketahui tipe
strukturnya. Tipe struktur zeolit diberi nama tiga huruf cetak berdasarkan IUPAC,
misalnya tipe struktur MOR berasal dari mordenit. Rumus umum zeolit dapat
ditulis sebagai: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)ymH2O], M adalah kation yang dapat
dipertukarkan; x,y,m adalah bilangan tertentu; n adalah muatan ion logam alkali atau
alkali tanah. Kation biasanya dapat dipertukarkan dan molekul air dalam struktur
mudah diusir dengan cara dipanaskan. Mordenit mempunyai rumus kimia:
M8/n(Si40Al8O96)22H2O (Suminta 2006).
Pola difraksi sampel zeolit dibandingkan dengan nilai puncak 2θ pada data
standar Joint Committee Powder Diffraction Standard (JCPDS). Difraktogram
zeolit alam Cikalong (Lampiran 2) menghasilkan beberapa puncak 2θ dengan
intensitas yang berbeda sehingga saat dibandingkan dengan pola difraksi standar
menunjukkan intensitas yang mendekati pola difraksi puncak 2θ mordenit
(Lampiran 3). Data perbandingan nilai puncak 2θ pada difraktogram zeolit alam
Cikalong terhadap mordenit terdapat pada Tabel 1.
Difraktogram zeolit alam Cikalong menghasilkan pola difraksi dengan lima
nilai puncak 2θ yang mendekati nilai puncak 2θ mordenit (JCPDS 29-1257), yaitu
13.51, 22.31, 25.68, 26.29, dan 27.75. Nilai puncak 2θ tersebut memiliki intensitas
yang sebanding dengan intensitas mordenit, namun tidak memiliki nilai intensitas
yang sama besar (Lampiran 4). Berdasarkan pola difraksi yang terukur, zeolit
Cikalong memiliki kandungan terbesar jenis mordenit. Terbentuknya puncak 2θ
lain dikarenakan zeolit alam asal Cikalong pada umumnya merupakan zeolit yang
mengandung 52% mordenit, 27% klinoptilolit dan lainnya terdapat komponen
pengotor (Sani et al. 2009).
6
Tabel 1 Data perbandingan nilai 2θ zeolit Cikalong terhadap data mordenit dari
(JCPDS 29-1257)
2θ
13.51
22.31
25.68
26.29
27.75
Zeolit Cikalong
Intensitas
23
58
103
47
54
Mordenit (JCPDS 29-1257)
2θ
Intensitas
13.45
40.4
22.20
46.1
25.63
75.7
26.25
43.5
27.67
46.1
Kapasitas tukar kation (KTK)
Kapasitas tukar kation (KTK) adalah ukuran kemampuan zeolit dalam
mempertukarkan ion. Muatan positif pada zeolit saling bertukar dengan kation yang
ada di larutan. Semakin besar nilai KTK menunjukkan semakin baik zeolit yang
digunakan sebagai bahan atau media pertukaran ion (Arif 2011). Tabel 2
menunjukkan nilai KTK sebelum dan setelah aktivasi. Nilai KTK zeolit alam
Cikalong sebelum aktivasi sebesar 92.52 mg ek/100 g dan mengalami peningkatan
nilai KTK setelah aktivasi asam dan basa.
Proses aktivasi dilakukan untuk menghilangkan pengotor di permukaan pori
dan menata kembali letak atom yang dapat dipertukarkan (Emelda et al. 2013).
Aktivasi dengan larutan asam menyebabkan terjadinya proses pelarutan aluminium
yang semakin kuat dengan bertambahnya konsentrasi asam yang digunakan. Hal ini
terlihat dari nilai KTK hasil aktivasi menggunakan asam, nilai tertinggi diperoleh
dari aktivasi menggunakan HCl 1.0 M sebesar 131.14 mg ek/100 g. Kenaikan
konsentrasi asam akan menghasilkan pelarutan aluminium yang semakin besar
sehingga menurunkan nilai KTK dan menyebabkan kerusakan pada struktur
permukaan zeolit (Subariyah et al. 2013, Arif 2011).
Aktivasi dengan larutan basa memberikan pengaruh yang sebaliknya dari
aktivasi asam. Perlakuan basa akan meningkatkan nilai KTK karena permukaan
zeolit akan berubah menjadi semakin negatif dengan adanya pembentukan senyawa
silikat pada permukaan zeolit tersebut. Permukaan zeolit akan semakin negatif
dengan meningkatnya konsentrasi sehingga semakin meningkatkan nilai KTK
(Tabel 2) (Arif 2011). Nilai KTK tertinggi terdapat pada konsentrasi NaOH 3.0 M
sebesar 183.41 mg ek/100 g. Berdasarkan nilai KTK yang diperoleh, zeolit dengan
aktivasi menggunakan HCl 1.0 M dan NaOH 3.0 M dapat ditambahkan ke dalam
campuran membran PVA dan berfungsi sebagai penukar kation yang baik.
Tabel 2 Hasil penentuan nilai KTK zeolit sebelum dan setelah aktivasi
Sampel
Tanpa Aktivasi
HCl 1.0 M
HCl 1.5 M
HCl 3.0 M
NaOH 0.5M
NaOH 1.5 M
NaOH 3.0 M
KTK (mg ek/100 g)
92.52
131.14
130.27
123.23
144.91
157.09
183.41
7
Membran komposit PVA-zeolit
Membran PVA merupakan membran yang memiliki sifat hidrofilik karena
adanya gugus OH yang berinteraksi dengan molekul air melalui ikatan hidrogen.
Gugus hidroksil yang terdapat pada rantai polimer menyebabkan membran PVA
bersifat polar sehingga mudah menarik molekul polar seperti air ke dalam
membran. Akibatnya membran PVA mempunyai sifat mengembang yang dapat
mempengaruhi kinerja membran (Noezar et al. 2008). Untuk itu perlu dilakukan
modifikasi membran dengan penambahan matriks seperti zeolit untuk memperbaiki
karakteristik membran PVA, yaitu mengurangi sifat mengembang dan menambah
ketahanan termal (Ling et al. 2008). Zeolit yang digunakan berukuran < 400 mesh
agar membentuk campuran membran yang lebih homogen dan pori yang lebih
seragam. Gambar 2 menunjukkan struktur PVA dan alumina silikat pada zeolit.
Gambar 2 Struktur kimia polimer PVA (a) dan struktur kimia alumina silikat pada
zeolit (b)
Membran komposit PVA-zeolit yang terbentuk memiliki sifat hidrofilik yang
dapat menarik molekul air ke permukaan membran tempat proses pervaporasi
berlangsung. Zeolit yang berikatan hidrogen dengan PVA akan mengabsorpsi
molekul polar yang terdapat dalam larutan umpan dan melewatkan molekul yang
kurang polar menjadi permeat. Permeat akan berdifusi melalui membran dan
menguap dengan bantuan vakum (Ani 2007). Secara alami membran PVA tidak
memiliki pori pada permukaannya. Oleh karena itu perlu ditambahkan zat yang
dapat membentuk pori, yaitu pluronik (Sari 2011). Penambahan zeolit juga dapat
membentuk pori, namun rasio penambahan yang sedikit membuat pori yang
terbentuk juga sedikit sehingga diperlukan zat tambahan untuk membentuk lebih
banyak pori. Penambahan zeolit yang sedikit disebabkan oleh rendahnya tingkat
kelarutan zeolit di dalam pelarut air.
Morfologi membran komposit PVA-zeolit
Analisis morfologi pada membran dapat dilakukan dengan mikroskop
elektron payaran yang membutuhkan elektron untuk menghantarkan arus.
Membran PVA merupakan membran dengan bahan polimer organik yang tidak
dapat menghantarkan arus listrik sehingga untuk menganalisis morfologinya
dibutuhkan perlakuan coating atau pelapisan permukaan membran dengan emas
(Au) dan paladium (Pd) (Mulder 1996). Morfologi yang dapat ditentukan adalah
ukuran pori dan luas penampang lintang. Hasil analisis morfologi pada penampang
melintang membran dapat dilihat pada Gambar 4 yang menunjukkan ukuran pori
yang asimetris berkisar antara 1.25-9.16 µm. Berdasarkan ukuran pori tersebut
membran ini tergolong membran mikrofiltrasi (Akbar 2010, Baker 2004, Novianti
2013).
8
Gambar 3 Morfologi penampang lintang membran komposit PVA-zeolit
perbesaran 1000
Ukuran pori yang didapat menunjukkan bahwa larutan umpan yang
dilewatkan pada membran, yaitu etanol dapat menembus membran menjadi
permeat. Hal ini dapat dibuktikan dengan ukuran pori etanol sebesar 0.44 nm yang
lebih kecil dibandingkan ukuran pori membran. Selain itu juga dapat dibuktikan
dengan sifat membran yang hidrofilik cenderung menyerap air sehingga
meloloskan etanol saat larutan umpan dilewatkan.
Pervaporasi etanol
Pervaporasi dilakukan dengan memanfaatkan tekanan dan titik didih dari
larutan umpan, selain itu juga didasarkan pada sifat hidrofilisitas membran terhadap
larutan yang akan dipisahkan. Membran PVA yang bersifat hidrofilik akan menarik
molekul air yang terdapat dalam larutan umpan secara difusi ke permukaan
membran dan melewatkan larutan lainnya sebagai permeat (Kujawski 2000).
Larutan umpan yang digunakan adalah etanol 70% yang dilewatkan pada membran
melalui rangkaian alat pervaporator sederhana (Lampiran 6). Larutan etanol yang
akan dilewatkan pada membran memiliki kepolaran yang lebih rendah dari air
sehingga berdifusi melewati membran tersebut. Adanya pori yang dibentuk oleh
porogen pluronik memudahkan etanol melewati membran dan mempengaruhi
kemampuan membran dalam memisahkan etanol dari air (Sari 2011).
Larutan etanol 70% dialirkan ke membran dengan adanya tekanan yang
sebelumnya telah mengalami pemanasan terlebih dahulu pada suhu 70oC secara
konstan. Pemanasan ini bertujuan untuk menguapkan larutan yang titik didihnya
lebih rendah daripada air, yaitu etanol agar terpisah dari komponen air. Besarnya
pemisahan dan peningkatan konsentrasi etanol dari larutan umpan dapat dihitung
menggunakan kromatografi gas (Sari 2011).
Larutan
umpan
Etanol 70%
Tabel 3 Hasil analisis peningkatan konsentrasi etanol
Konsentrasi etanol (%)
Peningkatan
konsentrasi
etanol (%)
awal
akhir
70
73.66
3.66
Tabel 3 menunjukkan hasil peningkatan konsentrasi etanol. Berdasarkan hasil
analisis diketahui bahwa terjadi peningkatan konsentrasi pada larutan umpan etanol
9
70% menjadi 73.66%. Peningkatan nilai konsentrasi tersebut sebesar 3.66%
(Lampiran 7). Peningkatan konsentrasi etanol mengarah pada laju permeasi.
Meningkatnya konsentrasi etanol disebabkan larutan umpan dengan mudahnya
dapat melewati membran sehingga laju permeasi juga meningkat. Selain itu tekanan
dan suhu juga dapat menjadi faktor penentu pemisahan ini. Tekanan yang terlalu
tinggi mengakibatkan perbedaan volatilitas sehingga konsentrasi etanol di permeat
meningkat akibat laju permeasi yang meningkat. Peningkatan suhu pada larutan
umpan membuat laju permeasi meningkat sehingga banyak etanol yang dapat
melewati membran dan terjadi peningkatan konsentrasi etanol (Novalina 2012,
Wahyuni 2012). Nilai faktor separasi dapat dihitung dari peningkatan konsentrasi
etanol dan didapat nilai sebesar 1.20 (Lampiran 8). Nilai faktor separasi >1
menandakan bahwa satu senyawa keluar lebih cepat dan menunjukkan terjadinya
pemisahan. Senyawa yang keluar lebih dulu tersebut adalah etanol. Semakin besar
nilai faktor separasi maka pemisahan semakin baik (Harvey 2000).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membran komposit PVA-zeolit dibuat dengan komposisi yang telah
ditentukan. Membran komposit PVA-zeolit memiliki ukuran pori asimetris berkisar
antara 1.25-9.16 µm dan tergolong membran mikrofiltrasi. Penambahan zeolit
untuk menambah ketahanan termal dan penambahan pluronik untuk membentuk
pori. Membran komposit PVA-zeolit tergolong membran hidrofilik yang cenderung
lebih menyerap air dan melewatkan etanol saat pervaporasi. Konsentrasi etanol
yang didapat meningkat sebesar 3.66% dan nilai faktor separasi yang didapat
sebesar 1.20 yang menunjukkan bahwa terjadinya pemisahan larutan etanol dengan
air.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut terhadap polimer yang akan digunakan
untuk membuat membran pervaporasi sehingga bisa lebih efektif dalam
penggunaannya. Perlu dilakukan penambahan komposisi zeolit yang lebih besar
agar daya adsorpsi terhadap air makin meningkat akibat luas kontak antara air dan
zeolit yang makin besar sehingga konsentrasi etanol yang melewati membran
semakin meningkat. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut terhadap morfologi
membran komposit PVA-zeolit untuk melihat interaksi yang terjadi pada PVA dan
zeolit.
10
DAFTAR PUSTAKA
Ahmadi KGS. 2009. Kinerja zeolit alam teraktivasi pada penjernihan minyak bekas
penggorengan keripik tempe. Jurnal Teknologi Pertanian 10(2): 136-143.
Akbar MA. 2010. Pembuatan Membran Mikrofilter Zeolit Alam Dengan
Penambahan Semen Portland Putih [Skripsi]. Jakarta (ID): Universitas
Islam Negeri Syarif Hidayatullah.
Ani RA. 2007. Teknologi pervaporasi untuk dehidrasi etanol menggunakan
membran zeolit NaA [Tesis]. Bandung (ID): Institut Tenologi Bandung.
Arahman N. 2012. Konsep dasar proses pembuatan membrane berpori dengan
metode non solvent induced phase separation. Jurnal Rekayasa Kimia dan
Lingkungan 9(2): 68-73.
Arif Z. 2011. Pencirian dan modifikasi zeolit alam sebagai bahan media pendeteksi
studi kasus: kromium heksavalen [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian
Bogor.
Baker RW. 2004. Membrane Technology and Applications. Edisi ke-2. California
(US): John Wiley & Sons Ltd.
Darsono, Danu S, Las T. 2000. Sifat mekanik komposit campuran zeolit-PVA yang
diradiasi sinar γ Co-60. [prosiding]. Serpong (ID): BATAN.
Emelda L, Putri SM, Ginting SB. 2013. Pemanfaatan zeolit alam teraktivasi untuk
adsorpsi logam krom (Cr3+). Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan 9(4):
166-172.
Harvey D. 2000. Modern Analytical Chemistry. Edisi ke-1. United States of
America (US): The McGraw-Hill Companies Inc.
Kujawski W. 2000. Application of pervaporation and vapor permeation in
environmental protection. Polish Journal of Environmental Studies 9(1):
13-26.
Kurniasari L, Djaeni M, Purbasari A. 2011. Aktivasi zeolit alam sebagai adsorben
pada alat pengering bersuhu rendah. Reaktor 13(3): 178-184.
Las T, Zamroni H. 2002. Penggunaan zeolit dalam bidang industri dan lingkungan.
J Zeolit Indo. 1(2001): 23-26.
Ling LK, Nawawi MGM, Sadikin AN. 2008. Pervaporation of ethanol-water
mixture using PVA zeolite-clay membranes. Jurnal Teknologi 49:167-177.
Mulder M. 1996. Basic and Principles of Membrane and Technology. London
(UK): Kluwer.
Nasrun. 2005. Studi pemakaian zeolit untuk meningkatkan performasi membran
[Prosiding]. Kuala (MLY): Universitas Syiah Kuala.
Noezar I, Praptowidodo VS, Agustin SP, Dewita R. 2008. Membran PVA-chitosan
crosslinked untuk pemisahan campuran etanol-air secara pervaporasi.
Jurnal Teknik Kimia Indonesia 7(1): 724-730.
Novalina CH. 2012. Studi kinerja pemisahan etanol-air menggunakan proses
pervaporasi dengan membran thin film composite (TFC) komersial.
[Skripsi]. Depok (ID): Universitas Indonesia.
Novianti HY. 2013. Pengaruh variasi konsentrat zat aditif monosodium glutamate
(MSG) terhadap karakter membran cellulose acetate (CA) [Skripsi]. Jember
(ID): Universitas Jember.
11
Pabby AK, Rizvi SSH, Sastre AM. 2009. Handbook of Membrane Separations
Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological. New York (US):
CRC Press Taylor & Francis Group.
Permata AA. 2009. Aplikasi membran CA/zeolit untuk pemisahan campuran
alkohol-air [Tesis]. Bandung (ID): Institut Teknologi Bandung.
Pranawati RD. 2011. Membran polistirena dengan penambahan pluronik untuk
pervaporasi etanol. [Sripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Pratomo H. 2003. Pembuatan dan karakterisasi membran komposit polisulfon
selulosa asetat untuk proses ultrafiltrasi. Jurnal Pendidikan Matematika dan
Sains 3(8): 168-173.
Sani A, Rostika A, Rakhmawaty D. 2009. Pembuatan fotokatalis TiO2-zeolit alam
asal Tasikmalaya untuk fotodegradasi methylene blue. Jurnal Zeolit
Indonesia 8(1): 6-14.
Sari DM. 2011. Membran pervaporasi polistirena dengan variasi penambahan
konsentrasi pluronik [Skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Shao P, Huang RYM. 2007. Polymeric membrane pervaporation. Journal of
Membrane Science 287(2): 162-179.
Subariyah I, Zakaria A, Purwamargapratala Y. 2013. Karakterisasi zeolit alam
Lampung teraktivasi asam klorida dan termodifikasi asam fosfat. Jurnal
Teknologi Pengolahan Limbah 16: 17-24.
Suminta S. 2006. Karakterisasi zeolit alam dengan metode difraksi sinar-X. Jurnal
Zeolit Indonesia 5(2): 52-68.
Suraputra R. 2011. Adsorpsi gas karbon monoksida (CO) dan penjernihan asap
kebakaran menggunakan zeolit alam lampung termodifikasi TiO2 [Skripsi].
Depok (ID): Universitas Indonesia.
Wahyuni I. 2012. Studi pemisahan campuran azeotrop etanol-air dan isopropil
alkohol-air melalui proses pervaporasi dengan membran thin film composite
komersial. [Tesis]. Depok (ID): Universitas Indonesia.
Zhang S, Drioli E. 1995. Pervaporation membranes. Separation and Technology
30(1): 1-31.
12
13
LAMPIRAN
14
15
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Zeolit Alam
Aktivasi Asam
dan Basa
Zeolit Alam Teraktivasi
Pencirian Zeolit
XRD dan KTK
Pembuatan Membran
Komposit PVA-ZeolitPluronik
Membran
Uji Kinerja Membran
Pervaporasi dan GC
Analisis Morfologi
SEM
16
Lampiran 2 Difraktogram Zeolit Cikalong dan difraktogram mordenit (JCPDS 291257)
Difraktogram zeolit Cikalong
Difraktogram mordenit
17
Lampiran 3 Data difraktogram zeolit Cikalong
2θ
Intensitas
8.5915
3
9.2507
3
9.8329
15
10.0846
4
13.1099
6
13.5068
23
13.8873
8
14.4657
4
14.6917
5
15.1040
5
15.3734
12
18.2981
4
19.1970
7
19.6415
29
20.0161
5
21.4129
5
21.9916
16
22.3092
58
22.8298
6
23.2440
6
2θ
Intensitas
23.7181
9
24.1324
3
24.4268
3
25.1856
8
25.6799
103
26.2858
47
26.5634
10
26.9179
4
27.7468
54
28.1013
11
28.8404
4
29.0351
3
29.9490
5
30.1388
4
30.5134
5
30.9096
25
31.1577
7
31.9835
7
32.7461
5
33.1108
6
2θ
Intensitas
33.3756
3
34.7976
4
35.6936
11
36.9726
6
38.6115
5
39.3810
3
39.6908
3
40.2104
3
40.5502
3
40.8401
4
41.6996
3
41.9894
3
42.8289
3
44.1682
6
44.3481
4
44.6330
4
44.9578
8
45.2627
3
46.5321
7
46.7670
4
2θ
Intensitas
48.4262
10
48.8960
3
50.3754
5
50.9652
7
51.7649
3
54.6039
3
55.2387
5
55.8135
4
56.7931
4
57.6429
3
57.8228
3
58.9125
3
59.2724
3
59.8122
5
60.1621
3
60.6870
5
61.0618
3
62.0815
3
62.9213
3
64.3759
5
18
Lampiran 4 Data difraktogram mordenit (JCPDS 29-1257)
hkl
110
020
200
220
111
130
021
310
040
221
131
311
400
330
240
041
420
150
331
241
002
421
112
510
151
022
202
060
350
222
132
511
530
260
312
061
441
351
042
2θ
6.51
8.61
9.77
13.04
13.45
13.83
14.59
15.30
17.28
17.59
18.19
19.34
19.61
19.61
19.88
20.95
21.45
22.20
22.92
23.16
23.64
24.53
24.54
24.96
25.19
25.20
25.63
26.04
26.25
27.09
27.49
27.67
27.87
27.87
28.28
28.66
28.85
28.85
29.43
Irel
100.0
13.1
56.4
0.3
40.4
29.1
13.3
9.5
0.6
2.3
4.4
3.2
1.4
22.7
0.6
1.4
5.7
46.1
1.0
16.9
6.9
4.5
0.3
2.3
0.3
4.3
75.7
5.0
43.5
4.7
12.6
46.1
28.8
0.1
4.0
2.7
3.3
0.5
0.2
hkl
531
261
620
402
332
242
152
550
621
171
370
512
710
080
551
442
352
280
113
641
532
262
023
711
081
730
602
223
133
731
622
570
800
043
480
820
750
243
661
2θ
30.34
30.34
30.88
30.89
30.89
31.08
32.65
32.98
33.15
33.15
33.98
34.65
34.95
34.96
35.12
35.61
35.61
36.39
36.41
36.54
36.86
36.86
36.87
37.00
37.01
37.15
38.22
38.24
38.53
39.10
39.25
39.54
39.82
39.99
40.40
40.82
41.24
41.27
41.67
Irel
0.3
5.5
2.0
12.9
8.8
0.2
3.2
0.6
2.8
6.6
1.6
0.6
0.2
5.4
0.5
0.6
15.5
1.3
1.2
5.3
1.2
1.8
0.2
0.4
0.5
0.1
0.1
0.4
0.7
0.2
0.4
1.1
0.1
0.1
2.2
0.4
0.3
2.2
1.4
hkl
372
423
642
390
082
282
0 10 0
391
513
732
063
443
910
841
533
263
680
572
911
2 10 1
930
590
482
623
173
752
004
771
4 10 0
591
114
1 11 0
392
463
553
204
861
2θ
41.81
42.10
42.22
42.36
42.64
43.85
44.11
44.11
44.13
44.51
44.79
44.92
45.28
45.41
45.95
45.95
46.44
46.58
46.95
46.96
47.07
47.08
47.34
47.97
47.98
48.08
48.36
48.45
48.70
48.70
48.85
49.07
49.07
49.33
49.45
49.46
49.79
Irel
1.8
0.5
0.2
0.3
0.5
0.5
5.3
0.8
0.6
3.3
0.3
4.9
0.5
2.9
0.8
0.7
7.5
0.6
1.8
0.2
0.9
0.2
5.2
0.6
1.1
0.7
9.4
0.5
0.1
2.5
1.2
0.5
0.5
0.4
0.1
0.3
0.1
19
Lampiran 5 Penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK)
Konsentrasi Ca2+ (mg/L)
18.5040
26.2284
26.0541
24.6456
28.9826
31.4184
36.6814
Sampel Zeolit
Tanpa Aktivasi
HCl 1.0 M
HCl 1.5 M
HCl 3.0 M
NaOH 0.5M
NaOH 1.5 M
NaOH 3.0 M
Contoh perhitungan:
ppm = mg/L
mg Ca = ppm x Llarutan
mg Ca = ppm x 100/1000
T
g
=
=
pp
=
pp
=
=
T
g
g a
E a
x
E a
g/
ge
8.
x
g
g sa pe
/
x
E a
x
x
x
x
ge
g/
x
g
g sa pe
g
g sa pe
g
g sa pe
x
= 92.52 mg ek
g
g sa pe
KTK = 92.52 mg ek/100 g
Keterangan:
KTK = Kapasitas tukar kation (mg ek/100 g)
KTK (mg ek/100 g)
92.52
131.14
130.27
123.23
144.91
157.09
183.41
20
Lampiran 6 Rangkaian pervaporator
Keterangan:
A = penampung cairan umpan
B = pompa
C = reaktor membran
D = penampung permeat
21
Lampiran 7 Penentuan peningkatan konsentrasi etanol
Kromatogram etanol hasil pervaporasi
Larutan umpan
Etanol 70%
Konsentrasi etanol (%)
awal
akhir
70
73.66
Peningkatan
konsentrasi etanol (%)
3.66
Contoh perhitungan:
Konsentrasi etanol hasil pervaporasi = [etanol akhir] x faktor pengenceran
= 7.366% x 10 = 73.66%
Persentase peningkatan konsentrasi etanol = [etanol akhir]-[etanol awal]
= 73.66% - 70%
= 3.66%
22
Lampiran 8 Penentuan nilai faktor separasi
Parameter uji
[air] (%)
[etanol] (%)
Faktor separasi
Contoh perhitungan faktor separasi:
�=
�=
� �/ H O
EtOH/ H O
. / .
= .
/
Keterangan:
P = Permeat
F = Feed/umpan
Etanol
umpan
30
70
permeat
26.34
73.66
1.20
23
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Merangin, 08 Januari 1993 dari ayah Drs M. Yanis Lajid dan
ibu Dra Yurnawilis Rasyid. Penulis merupakan putri kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2011 penulis lulus dari MAN 2 Model Pekanbaru dan pada tahun yang sama
penulis diterima sebagai mahasiswa Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor melalui Seleksi Beasiswa Utusan
Daerah (BUD).
Selama perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia
Lingkungan (S1) pada tahun ajaran 2014-2015 dan anggota divisi Kominfo Imasika
IPB tahun 2012. Penulis juga mengikuti kegiatan praktik lapangan di PT Aspex
Kumbong dengan judul laporan Pengaruh Konsentrasi dan Jumlah Surfaktan
terhadap Kualitas Kertas Daur Ulang dengan Proses Deinking.
BERPOROGEN PLURONIK UNTUK PERVAPORASI
ETANOL
FANNY YULIANDA
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKIRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Komposit
Polivinil Alkohol-Zeolit Berporogen Pluronik untuk Pervaporasi Etanol adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam
bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal
atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain
telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2016
Fanny Yulianda
NIM G44110094
ABSTRAK
FANNY YULIANDA. Membran Komposit Polivinil Alkohol-Zeolit Berporogen
Pluronik untuk Pervaporasi Etanol. Dibimbing oleh BETTY MARITA
SOEBRATA dan SRI MULIJANI.
Membran komposit polivinil alkohol (PVA)-zeolit dibentuk dengan
menambahkan pluronik sebagai porogen untuk aplikasi pervaporasi etanol. Zeolit
yang digunakan adalah zeolit alam yang berasal dari Cikalong, Tasikmalaya.
Membran disiapkan melalui proses fase inversi. Komposisi pembuatan membran
komposit PVA-zeolit adalah 2.0 g PVA:0.1 g zeolit:0.3 g pluronik. Zeolit yang
digunakan memiliki nilai kapasitas tukar kation 183.41 mg ek/100 g hasil aktivasi
menggunakan NaOH 3 M. Keberhasilan kinerja membran ditentukan oleh
peningkatan konsentrasi dan faktor separasi yang dievaluasi menggunakan
kromatografi gas. Konsentrasi etanol yang didapat dari hasil pervaporasi meningkat
dari konsentrasi 70% menjadi 73.66% dan faktor separasi memiliki nilai 1.20.
Analisis morfologi pada penampang melintang membran menggunakan mikroskopi
elektron payaran menunjukkan membran yang terbentuk adalah membran
asimetris.
Kata kunci: membran, pervaporasi, polivinil alkohol, zeolit
ABSTRACT
FANNY YULIANDA. Polyvinyl Alcohol-Zeolite Membrane Composite with
Pluronic Addition for Ethanol Pervaporation. Supervised by BETTY MARITA
SOEBRATA and SRI MULIJANI.
Polyvinyl alcohol (PVA)-zeolite composite membrane was formed by adding
pluronic as porogen for ethanol pervaporation. The zeolite used was natural zeolite
obtained from Cikalong, Tasikmalaya. The membrane was prepared by phase
inversion process. The composition of the fabricated PVA-zeolite composite
membrane was 2.0 g PVA:0.1 g zeolite:0.3 g pluronic. The zeolite used had cation
exchange capacity of 183.41 meq/100 g resulted from activation using NaOH 3 M.
High ethanol concentration and good separation become a critical factor for the
membrane performance. The ethanol concentration obtained from the
pervaporation increase from 70% to 73.66% and the separation factor was 1.20.
Morphology analysis on the membrane cross section using scanning electron
microscopy showed that the membrane formed was asymmetric.
Key words: membrane, pervaporation, polyvinyl alcohol, zeolite
MEMBRAN KOMPOSIT POLIVINIL ALKOHOL-ZEOLIT
BERPOROGEN PLURONIK UNTUK PERVAPORASI
ETANOL
FANNY YULIANDA
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PRAKATA
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat Allah subhanahu wa ta’ala yang telah
memberikan limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat
diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan
April 2015 ini ialah membran, dengan judul Membran Komposit Polivinil AlkoholZeolit Berporogen Pluronik untuk Pervaporasi Etanol.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Betty Marita Soebrata, SSi, MSi selaku
dosen pembimbing I dan Dr Sri Mulijani, MS selaku dosen pembimbing II. Ucapan
terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh staf Laboratorium kimia
(Bapak Ismail, Ibu Ai, Bapak Sawal, Bapak Wawan, dan Bapak Eko) yang telah
banyak memberikan saran dan bantuan kepada penulis selama penelitian. Selain itu
terima kasih penulis sampaikan kepada keluarga Kimia Fisik, dan keluarga besar
Kimia angkatan 48 yang telah memberikan semangat, masukan, dan dukungan
kepada penulis.
Ucapan terima kasih tak terhingga penulis ucapkan kepada Ibu, Ayah, kakak,
dan adikku tercinta atas doa, dukungan, dan kasih sayang yang telah diberikan.
Semoga karya tulis ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Fanny Yulianda
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
METODE
2
Alat dan Bahan
2
Lingkup Penelitian
2
Preparasi zeolit
3
Aktivasi zeolit alam
3
Penentuan kapasitas tukar kation
3
Pembuatan membran komposit
4
Pervaporasi etanol
4
Penentuan konsentrasi etanol menggunakan kromatografi gas
4
Analisis morfologi membran
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4
Ciri zeolit alam
4
Membran komposit PVA-zeolit
7
Morfologi membran komposit PVA-zeolit
7
Pervaporasi etanol
8
SIMPULAN DAN SARAN
9
Simpulan
9
Saran
9
DAFTAR PUSTAKA
10
RIWAYAT HIDUP
23
DAFTAR TABEL
1 Data perbandingan nilai 2θ zeolit Cikalong terhadap data mordenit
2 Hasil penentuan nilai KTK zeolit sebelum dan setelah aktivasi
3 Hasil analisis peningkatan konsentrasi etanol
6
6
8
DAFTAR GAMBAR
1 Zeolit sebelum aktivasi (a) dan zeolit setelah aktivasi (b)
5
2 Struktur kimia polimer PVA (a) dan struktur alumina silikat pada zeolit (b)
7
3 Morfologi penampang lintang membran komposit PVA-zeolit perbesaran 1000 8
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
7
8
Diagram alir penelitian
Difraktogram Zeolit Cikalong dan standar mordenit (JCPDS 29-1257)
Data difraktogram zeolit Cikalong
Data difraktogram standar mordenit (JCPDS 29-1257)
Penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK)
Rangkaian pervaporator
Penentuan peningkatan konsentrasi etanol
Penentuan nilai faktor separasi
15
16
17
18
19
20
21
22
PENDAHULUAN
Etanol merupakan salah satu bahan kimia penting karena memiliki manfaat
sangat luas antara lain sebagai pelarut, bahan bakar cair, bahan desinfektan, dan
bahan baku industri. Dalam pemanfaatannya seringkali dibutuhkan etanol dengan
kemurnian dan konsentrasi tinggi. Untuk memperoleh etanol dengan konsentrasi
tinggi, biasanya digunakan proses distilasi (Nasrun 2005), namun distilasi hanya
dapat memisahkan zat yang memiliki perbedaan titik didih yang besar (Wahyuni
2012). Kelemahan proses ini dapat digantikan dengan proses yang memanfaatkan
membran.
Membran merupakan suatu lapisan tipis antara dua fase fluida yang bersifat
sebagai penghalang terhadap suatu spesi tertentu yang dapat memisahkan zat
dengan ukuran berbeda dan membatasi transpor dari berbagai spesi berdasarkan
sifat fisik dan kimianya. Proses pemisahan dengan membran dapat terjadi karena
adanya perbedaan ukuran pori, bentuk, dan struktur kimianya (Pabby et al. 2009).
Membran tersebut dinamakan membran semipermeabel yang artinya dapat
menahan spesi tertentu dan dapat melewatkan spesi lainnya. Efisiensi membran
ditentukan oleh permeabilitas dan faktor separasinya. Permeabilitas merupakan
ukuran kecepatan dari suatu spesi untuk melewati membran dan faktor separasi
adalah ukuran kemampuan membran untuk memisahkan suatu senyawa dari
campurannya. Sifat ini dipengaruhi oleh jumlah dan ukuran pori, tekanan yang
diberikan, serta ketebalan membran. Permeabilitas juga dinyatakan sebagai suatu
besaran fluks yang didefinisikan sebagai jumlah volume permeat yang melewati
satu satuan luas membran dalam satuan waktu tertentu dengan adanya gaya
penggerak berupa tekanan (Pratomo 2003). Perkembangan penelitian tentang
teknologi membran saat ini diarahkan pada pemilihan bahan dasar untuk
menghasilkan produk membran yang memenuhi kriteria, yaitu membran dengan
kualitas yang tinggi (Arahman 2012).
Salah satu teknologi membran yang dapat digunakan sebagai alternatif untuk
mendapatkan etanol dengan konsentrasi yang tinggi adalah proses membran dengan
pemisahan secara pervaporasi. Pervaporasi merupakan proses pemisahan
menggunakan membran dengan memanfaatkan perbedaan tekanan. Umpan yang
akan dipisahkan dikontakkan dengan permukaan membran dan permeat yang
terpisahkan diambil (Zhang dan Drioli 1995). Keunggulan pervaporasi
dibandingkan distilasi antara lain dapat memisahkan campuran azeotrop, tidak
membutuhkan zat aditif, dan energi yang diperlukan relatif rendah (Shao dan Huang
2007).
Membran dapat dibuat dari beberapa polimer. Pada pervaporasi etanol-air,
membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif (Permata 2009).
Salah satu polimer yang bersifat hidrofilik adalah polivinil alkohol (PVA). PVA
merupakan suatu polimer sintetik yang larut dalam air yang diproduksi dari reaksi
hidrolisis polivinil asetat (PVAc). PVA memiliki bentuk film yang sangat bagus,
bersifat emulsifier dan mudah terdegradasi. PVA yang terbentuk dari total hidrolisis
PVAc mempunyai titik leleh 210-230 °C, sedangkan PVA yang terbentuk dari
hidrolisis sebagian titik lelehnya 150-190 °C (Darsono et al. 2000).
Pembuatan membran PVA juga memerlukan matriks untuk meningkatkan
ketahanan dan kinerja membran tersebut. Zeolit merupakan salah satu matriks
2
berupa keramik yang dapat digunakan. Zeolit adalah hasil pengkristalan alumino
silikat dan kristal yang terbentuk memiliki pori-pori yang seragam. Zeolit terdiri
atas SiO4 dan AlO4 tetrahedral dan tiap tetrahedral tersusun oleh 4 anion oksigen
yang menyebar mengelilingi suatu ion silikon dan ion aluminium. Atom oksigen
memiliki muatan -2 dan atom silikon memiliki muatan +4 yang akan berikatan
membentuk silika tetrahedral yang tidak bermuatan, sedangkan atom aluminium
akan membentuk alumina tetrahedral dengan mengikat sisa muatan -1 dari tiap
atom oksigen sehingga zeolit mempunyai muatan negatif di permukaannya. Muatan
negatif ini akan dinetralisasi oleh kation seperti kation alkali dan alkali tanah
sehingga kehadiran kation ini membuat zeolit bersifat polar (Suraputra 2011).
Zeolit juga mempunyai sifat tahan panas sehingga dapat digunakan untuk
meningkatkan kestabilan suatu polimer seperti PVA saat zeolit ditambahkan karena
PVA mempunyai kestabilan yang rendah pada suhu tinggi (Ling et al. 2008).
Kinerja membran komposit PVA-zeolit dapat lebih diefektifkan dengan
adanya pori agar umpan yang dialirkan dapat dengan mudah melewati membran.
Bahan pembentuk membran yang dapat digunakan adalah Pluronik. Pluronik
adalah polimer dengan jenis kopolimer blok yang mengandung kopolimer
polioksietilena-polipropilena. Gugus oksietilena sebagai gugus hidrofilik dan gugus
propilena sebagai gugus hidrofobik. Pluronik berbentuk padat, partikel kasar, dan
berwarna putih. Pluronik akan bertindak sebagai pembentuk pori pada membran
dengan penambahan harus di atas nilai konsentrasi misel kritis (KMK) (Pranawati
2011). Penelitian ini bertujuan membuat membran komposit PVA-zeolit dan
mengetahui peningkatan konsentrasi etanol hasil pemisahan menggunakan
membran komposit PVA-zeolit secara pervaporasi.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan selama proses penelitian antara lain peralatan gelas,
oven, tanur, pengaduk magnet, sentrifusa (HERMLET Z206A), difraksi sinar-X
(MAXIME X-7000 Shimadzu), spektrometer serapan atom (AA-6800 Shimadzu),
mikroskopi elektron payaran (EVO MA10 ZEISS), kromatografi gas (AGILENT
6890N), dan pervaporator. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini
adalah zeolit alam asal Cikalong-Tasikmalaya, polivinil alkohol (BM 72000),
etanol (PA) 99,9%, etanol 70%, etanol 80%, CaCl2, NH4Cl, AgNO3, dan pluronik
F-127 (Aldrich).
Lingkup Penelitian
Metode penelitian yang akan dilakukan terdiri atas beberapa tahap yang
meliputi preparasi zeolit, aktivasi zeolit, karakterisasi zeolit (analisis XRD),
pembuatan membran komposit polivinil alkohol dengan zeolit, pengujian kinerja
membran yang meliputi pervaporasi etanol dan pencirian morfologi membran
menggunakan SEM (Lampiran 1).
3
Preparasi zeolit
Sampel zeolit alam asal Cikalong ditimbang sebanyak 500 g lalu digerus
menggunakan mortar dan dipisahkan dengan pengayak ukuran 400 mesh. Zeolit
dipindahkan ke dalam botol sampel dan dilakukan pencirian. Pencirian zeolit
meliputi penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK) dan analisis menggunakan
difraksi sinar-X (XRD) untuk identifikasi mineral yang terkandung dalam zeolit
berdasarkan hasil puncak-puncak difraktogram.
Aktivasi zeolit alam
Cara I adalah menimbang zeolit alam sebanyak 50 gram dan dicuci dengan
akuades hingga pH netral, disaring, dan dikeringkan pada suhu 105 °C. Zeolit yang
telah dikeringkan kemudian diaktivasi asam dengan menambahkan 50 gram zeolit
ke dalam 250 mL HCl 1.0 M, 1.5 M, dan 3.0 M lalu diaduk selama 1 jam. Zeolit
disaring dan dicuci dengan akuades hingga pH netral. Larutan diuji kandungan
klorin dengan AgNO3 dan zeolit dicuci kembali dengan akuades sampai tidak
mengandung klorin. Cara II adalah zeolit alam ditimbang sebanyak 50 gram dan
dicuci dengan akuades hingga pH netral, disaring, dan dikeringkan pada suhu 105
°C. Zeolit yang telah dikeringkan kemudian diaktivasi asam dengan menambahkan
50 gram zeolit ke dalam 250 mL NaOH 0.5 M, 1.5 M, dan 3.0 M lalu diaduk selama
1 jam. Zeolit disaring dan dicuci dengan akuades hingga pH netral. Setelah pH
netral dan bebas klorin, kedua zeolit dikeringkan dalam tanur bersuhu 300°C
selama 3 jam. Contoh zeolit yang telah mendapat perlakuan selanjutnya ditentukan
nilai kapasitas tukar kationnya.
Penentuan kapasitas tukar kation (Arif 2011)
Penentuan KTK dilakukan dengan menggunakan metode indeks kalsium.
Sebanyak 0.1 gram serbuk contoh zeolit ditimbang dan dimasukkan ke dalam
tabung kemudian ditambahkan CaCl2 0.5 M sebanyak 10 ml dan dijenuhkan selama
24 jam. Penjenuhan dilakukan dengan pengocok timbal-balik (reciprocal shaker).
Setelah 24 jam, sisa larutan dipisahkan dengan cara tabung diputar pada sentrifusa
dengan kecepatan 1317 rcf selama 10-15 menit. Supernatan dibuang dan pelet
selanjutnya dicuci dengan etanol 80% sebanyak 10 ml. Pencucian dengan alkohol
diulang sebanyak 5 kali. Pada pencucian terakhir, bilasan etanol diuji kandungan
kloridanya menggunakan AgNO3. Uji ini harus negatif, bila masih positif maka
pencucian dengan etanol 80% harus dilanjutkan lagi hingga bebas klorida.
Pelet yang sudah bebas klorida selanjutnya diekstraksi untuk mengambil
kalsium yang terjerap pada contoh zeolit. Ekstraksi dilakukan menggunakan NH4Cl
1 M sebanyak 10 ml selama 1 jam. Proses ekstraksi diulang sebanyak 5 kali.
Pemisahan pelet dan supernatan (ekstrak) dari masing-masing proses ekstraksi
dilakukan dengan sentrifusa pada kecepatan 1317 rcf selama 10-15 menit. Ekstrak
yang telah terkumpul selanjutnya ditera dengan NH4Cl 1 M sampai volume 100 ml.
Pengukuran kalsium dilakukan dengan spektrometer serapan atom memanfaatkan
bahan bakar udara-asetilena dengan metode analisis menggunakan kurva kalibrasi
standar eksternal.
4
Pembuatan membran komposit
Membran komposit dibuat dengan rasio polivinil alkohol 2.0 g : zeolit 0.1 g :
pluronik 0.3 g. Sebanyak 2.0 g polivinil alkohol kristal dilarutkan dalam 15 mL air
deionisasi dan dilakukan pengadukan menggunakan pengaduk magnet dengan
pemanasan selama 1 jam sampai larut. Setelah itu ditambahkan 0.1 g zeolit dan 0.3
g pluronik dan dilanjutkan pengadukan menggunakan pengaduk magnet selama 1
jam hingga terbentuk larutan membran yang homogen. Larutan membran
dituangkan ke atas pelat kaca yang telah diberi selotip pada bagian sisinya dengan
ketebalan tertentu lalu dicetak. Membran yang terbentuk didiamkan selama 24 jam
dan dilepaskan dari pelat kaca. Membran yang telah terbentuk dilakukan uji
selanjutnya seperti pervaporasi etanol dan analisis morfologi.
Pervaporasi etanol
Sampel membran dipotong dengan ukuran ± 2.5 x 3.0 cm, sehingga sesuai
dengan dimensi kompartemen pemisah yang berada pada alat pervaporasi. Modul
tersebut dihubungkan dengan selang pengalir umpan. Larutan umpan yang
digunakan adalah etanol 70%. Larutan umpan dilewatkan pada pervaporator yang
terlebih dahulu mengalami proses pemanasan di suhu 70 °C hingga senyawa etanol
yang titik didihnya lebih rendah akan menguap terlebih dahulu dibanding air. Uap
yang menetes pada membran kemudian ditampung sebagai hasil permeat.
Penentuan konsentrasi etanol menggunakan kromatografi gas
Sebanyak 1 μL larutan standar etanol dan larutan permeat hasil penyaringan
membran disuntikkan ke dalam GC untuk mengetahui tingkat konsentrasinya
dengan kondisi alat: suhu detektor 200°C, suhu injektor 200°C, laju aliran 1
ml/menit, gas pembawa He dan N, dan detektor ionisasi nyala.
Analisis morfologi membran
Sampel diletakkan pada plat alumunium kemudian dilapisi dengan pelapis
emas setebal 48 nm. Sampel kemudian diamati menggunakan SEM dengan
tegangan 15 kV dan perbesaran 1000. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui
morfologi dan ukuran pori dari membran.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Ciri zeolit alam
Zeolit alam asal Cikalong yang belum melalui proses aktivasi memiliki warna
kehijauan (Gambar 1a) dan berubah menjadi kekuningan (Gambar 1b) setelah
melalui proses aktivasi dan pengeringan dalam tanur suhu 300°C selama 3 jam.
Perubahan warna ini terjadi karena banyaknya unsur pengotor yang hilang saat
proses aktivasi dan pemanasan. Proses aktivasi zeolit diperlukan untuk
meningkatkan nilai kapasitas tukar kation serta meningkatkan luas pori dan luas
5
permukaan zeolit (Kurniasari et al. 2011). Meningkatnya luas pori pada zeolit
akibat adanya penguapan air yang terperangkap di pori-pori saat proses pemanasan
(Ahmadi 2009, Emelda et al. 2013).
Gambar 1 Zeolit sebelum aktivasi (a) dan zeolit setelah aktivasi (b)
Karakterisasi zeolit alam juga dilakukan menggunakan teknik difraksi sinarX (XRD) untuk mengetahui berbagai mineral yang terkandung di dalam zeolit (Las
dan Zamroni 2002). Menurut ahli mineralogi sekitar 40 jenis zeolit diketahui tipe
strukturnya. Tipe struktur zeolit diberi nama tiga huruf cetak berdasarkan IUPAC,
misalnya tipe struktur MOR berasal dari mordenit. Rumus umum zeolit dapat
ditulis sebagai: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)ymH2O], M adalah kation yang dapat
dipertukarkan; x,y,m adalah bilangan tertentu; n adalah muatan ion logam alkali atau
alkali tanah. Kation biasanya dapat dipertukarkan dan molekul air dalam struktur
mudah diusir dengan cara dipanaskan. Mordenit mempunyai rumus kimia:
M8/n(Si40Al8O96)22H2O (Suminta 2006).
Pola difraksi sampel zeolit dibandingkan dengan nilai puncak 2θ pada data
standar Joint Committee Powder Diffraction Standard (JCPDS). Difraktogram
zeolit alam Cikalong (Lampiran 2) menghasilkan beberapa puncak 2θ dengan
intensitas yang berbeda sehingga saat dibandingkan dengan pola difraksi standar
menunjukkan intensitas yang mendekati pola difraksi puncak 2θ mordenit
(Lampiran 3). Data perbandingan nilai puncak 2θ pada difraktogram zeolit alam
Cikalong terhadap mordenit terdapat pada Tabel 1.
Difraktogram zeolit alam Cikalong menghasilkan pola difraksi dengan lima
nilai puncak 2θ yang mendekati nilai puncak 2θ mordenit (JCPDS 29-1257), yaitu
13.51, 22.31, 25.68, 26.29, dan 27.75. Nilai puncak 2θ tersebut memiliki intensitas
yang sebanding dengan intensitas mordenit, namun tidak memiliki nilai intensitas
yang sama besar (Lampiran 4). Berdasarkan pola difraksi yang terukur, zeolit
Cikalong memiliki kandungan terbesar jenis mordenit. Terbentuknya puncak 2θ
lain dikarenakan zeolit alam asal Cikalong pada umumnya merupakan zeolit yang
mengandung 52% mordenit, 27% klinoptilolit dan lainnya terdapat komponen
pengotor (Sani et al. 2009).
6
Tabel 1 Data perbandingan nilai 2θ zeolit Cikalong terhadap data mordenit dari
(JCPDS 29-1257)
2θ
13.51
22.31
25.68
26.29
27.75
Zeolit Cikalong
Intensitas
23
58
103
47
54
Mordenit (JCPDS 29-1257)
2θ
Intensitas
13.45
40.4
22.20
46.1
25.63
75.7
26.25
43.5
27.67
46.1
Kapasitas tukar kation (KTK)
Kapasitas tukar kation (KTK) adalah ukuran kemampuan zeolit dalam
mempertukarkan ion. Muatan positif pada zeolit saling bertukar dengan kation yang
ada di larutan. Semakin besar nilai KTK menunjukkan semakin baik zeolit yang
digunakan sebagai bahan atau media pertukaran ion (Arif 2011). Tabel 2
menunjukkan nilai KTK sebelum dan setelah aktivasi. Nilai KTK zeolit alam
Cikalong sebelum aktivasi sebesar 92.52 mg ek/100 g dan mengalami peningkatan
nilai KTK setelah aktivasi asam dan basa.
Proses aktivasi dilakukan untuk menghilangkan pengotor di permukaan pori
dan menata kembali letak atom yang dapat dipertukarkan (Emelda et al. 2013).
Aktivasi dengan larutan asam menyebabkan terjadinya proses pelarutan aluminium
yang semakin kuat dengan bertambahnya konsentrasi asam yang digunakan. Hal ini
terlihat dari nilai KTK hasil aktivasi menggunakan asam, nilai tertinggi diperoleh
dari aktivasi menggunakan HCl 1.0 M sebesar 131.14 mg ek/100 g. Kenaikan
konsentrasi asam akan menghasilkan pelarutan aluminium yang semakin besar
sehingga menurunkan nilai KTK dan menyebabkan kerusakan pada struktur
permukaan zeolit (Subariyah et al. 2013, Arif 2011).
Aktivasi dengan larutan basa memberikan pengaruh yang sebaliknya dari
aktivasi asam. Perlakuan basa akan meningkatkan nilai KTK karena permukaan
zeolit akan berubah menjadi semakin negatif dengan adanya pembentukan senyawa
silikat pada permukaan zeolit tersebut. Permukaan zeolit akan semakin negatif
dengan meningkatnya konsentrasi sehingga semakin meningkatkan nilai KTK
(Tabel 2) (Arif 2011). Nilai KTK tertinggi terdapat pada konsentrasi NaOH 3.0 M
sebesar 183.41 mg ek/100 g. Berdasarkan nilai KTK yang diperoleh, zeolit dengan
aktivasi menggunakan HCl 1.0 M dan NaOH 3.0 M dapat ditambahkan ke dalam
campuran membran PVA dan berfungsi sebagai penukar kation yang baik.
Tabel 2 Hasil penentuan nilai KTK zeolit sebelum dan setelah aktivasi
Sampel
Tanpa Aktivasi
HCl 1.0 M
HCl 1.5 M
HCl 3.0 M
NaOH 0.5M
NaOH 1.5 M
NaOH 3.0 M
KTK (mg ek/100 g)
92.52
131.14
130.27
123.23
144.91
157.09
183.41
7
Membran komposit PVA-zeolit
Membran PVA merupakan membran yang memiliki sifat hidrofilik karena
adanya gugus OH yang berinteraksi dengan molekul air melalui ikatan hidrogen.
Gugus hidroksil yang terdapat pada rantai polimer menyebabkan membran PVA
bersifat polar sehingga mudah menarik molekul polar seperti air ke dalam
membran. Akibatnya membran PVA mempunyai sifat mengembang yang dapat
mempengaruhi kinerja membran (Noezar et al. 2008). Untuk itu perlu dilakukan
modifikasi membran dengan penambahan matriks seperti zeolit untuk memperbaiki
karakteristik membran PVA, yaitu mengurangi sifat mengembang dan menambah
ketahanan termal (Ling et al. 2008). Zeolit yang digunakan berukuran < 400 mesh
agar membentuk campuran membran yang lebih homogen dan pori yang lebih
seragam. Gambar 2 menunjukkan struktur PVA dan alumina silikat pada zeolit.
Gambar 2 Struktur kimia polimer PVA (a) dan struktur kimia alumina silikat pada
zeolit (b)
Membran komposit PVA-zeolit yang terbentuk memiliki sifat hidrofilik yang
dapat menarik molekul air ke permukaan membran tempat proses pervaporasi
berlangsung. Zeolit yang berikatan hidrogen dengan PVA akan mengabsorpsi
molekul polar yang terdapat dalam larutan umpan dan melewatkan molekul yang
kurang polar menjadi permeat. Permeat akan berdifusi melalui membran dan
menguap dengan bantuan vakum (Ani 2007). Secara alami membran PVA tidak
memiliki pori pada permukaannya. Oleh karena itu perlu ditambahkan zat yang
dapat membentuk pori, yaitu pluronik (Sari 2011). Penambahan zeolit juga dapat
membentuk pori, namun rasio penambahan yang sedikit membuat pori yang
terbentuk juga sedikit sehingga diperlukan zat tambahan untuk membentuk lebih
banyak pori. Penambahan zeolit yang sedikit disebabkan oleh rendahnya tingkat
kelarutan zeolit di dalam pelarut air.
Morfologi membran komposit PVA-zeolit
Analisis morfologi pada membran dapat dilakukan dengan mikroskop
elektron payaran yang membutuhkan elektron untuk menghantarkan arus.
Membran PVA merupakan membran dengan bahan polimer organik yang tidak
dapat menghantarkan arus listrik sehingga untuk menganalisis morfologinya
dibutuhkan perlakuan coating atau pelapisan permukaan membran dengan emas
(Au) dan paladium (Pd) (Mulder 1996). Morfologi yang dapat ditentukan adalah
ukuran pori dan luas penampang lintang. Hasil analisis morfologi pada penampang
melintang membran dapat dilihat pada Gambar 4 yang menunjukkan ukuran pori
yang asimetris berkisar antara 1.25-9.16 µm. Berdasarkan ukuran pori tersebut
membran ini tergolong membran mikrofiltrasi (Akbar 2010, Baker 2004, Novianti
2013).
8
Gambar 3 Morfologi penampang lintang membran komposit PVA-zeolit
perbesaran 1000
Ukuran pori yang didapat menunjukkan bahwa larutan umpan yang
dilewatkan pada membran, yaitu etanol dapat menembus membran menjadi
permeat. Hal ini dapat dibuktikan dengan ukuran pori etanol sebesar 0.44 nm yang
lebih kecil dibandingkan ukuran pori membran. Selain itu juga dapat dibuktikan
dengan sifat membran yang hidrofilik cenderung menyerap air sehingga
meloloskan etanol saat larutan umpan dilewatkan.
Pervaporasi etanol
Pervaporasi dilakukan dengan memanfaatkan tekanan dan titik didih dari
larutan umpan, selain itu juga didasarkan pada sifat hidrofilisitas membran terhadap
larutan yang akan dipisahkan. Membran PVA yang bersifat hidrofilik akan menarik
molekul air yang terdapat dalam larutan umpan secara difusi ke permukaan
membran dan melewatkan larutan lainnya sebagai permeat (Kujawski 2000).
Larutan umpan yang digunakan adalah etanol 70% yang dilewatkan pada membran
melalui rangkaian alat pervaporator sederhana (Lampiran 6). Larutan etanol yang
akan dilewatkan pada membran memiliki kepolaran yang lebih rendah dari air
sehingga berdifusi melewati membran tersebut. Adanya pori yang dibentuk oleh
porogen pluronik memudahkan etanol melewati membran dan mempengaruhi
kemampuan membran dalam memisahkan etanol dari air (Sari 2011).
Larutan etanol 70% dialirkan ke membran dengan adanya tekanan yang
sebelumnya telah mengalami pemanasan terlebih dahulu pada suhu 70oC secara
konstan. Pemanasan ini bertujuan untuk menguapkan larutan yang titik didihnya
lebih rendah daripada air, yaitu etanol agar terpisah dari komponen air. Besarnya
pemisahan dan peningkatan konsentrasi etanol dari larutan umpan dapat dihitung
menggunakan kromatografi gas (Sari 2011).
Larutan
umpan
Etanol 70%
Tabel 3 Hasil analisis peningkatan konsentrasi etanol
Konsentrasi etanol (%)
Peningkatan
konsentrasi
etanol (%)
awal
akhir
70
73.66
3.66
Tabel 3 menunjukkan hasil peningkatan konsentrasi etanol. Berdasarkan hasil
analisis diketahui bahwa terjadi peningkatan konsentrasi pada larutan umpan etanol
9
70% menjadi 73.66%. Peningkatan nilai konsentrasi tersebut sebesar 3.66%
(Lampiran 7). Peningkatan konsentrasi etanol mengarah pada laju permeasi.
Meningkatnya konsentrasi etanol disebabkan larutan umpan dengan mudahnya
dapat melewati membran sehingga laju permeasi juga meningkat. Selain itu tekanan
dan suhu juga dapat menjadi faktor penentu pemisahan ini. Tekanan yang terlalu
tinggi mengakibatkan perbedaan volatilitas sehingga konsentrasi etanol di permeat
meningkat akibat laju permeasi yang meningkat. Peningkatan suhu pada larutan
umpan membuat laju permeasi meningkat sehingga banyak etanol yang dapat
melewati membran dan terjadi peningkatan konsentrasi etanol (Novalina 2012,
Wahyuni 2012). Nilai faktor separasi dapat dihitung dari peningkatan konsentrasi
etanol dan didapat nilai sebesar 1.20 (Lampiran 8). Nilai faktor separasi >1
menandakan bahwa satu senyawa keluar lebih cepat dan menunjukkan terjadinya
pemisahan. Senyawa yang keluar lebih dulu tersebut adalah etanol. Semakin besar
nilai faktor separasi maka pemisahan semakin baik (Harvey 2000).
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membran komposit PVA-zeolit dibuat dengan komposisi yang telah
ditentukan. Membran komposit PVA-zeolit memiliki ukuran pori asimetris berkisar
antara 1.25-9.16 µm dan tergolong membran mikrofiltrasi. Penambahan zeolit
untuk menambah ketahanan termal dan penambahan pluronik untuk membentuk
pori. Membran komposit PVA-zeolit tergolong membran hidrofilik yang cenderung
lebih menyerap air dan melewatkan etanol saat pervaporasi. Konsentrasi etanol
yang didapat meningkat sebesar 3.66% dan nilai faktor separasi yang didapat
sebesar 1.20 yang menunjukkan bahwa terjadinya pemisahan larutan etanol dengan
air.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut terhadap polimer yang akan digunakan
untuk membuat membran pervaporasi sehingga bisa lebih efektif dalam
penggunaannya. Perlu dilakukan penambahan komposisi zeolit yang lebih besar
agar daya adsorpsi terhadap air makin meningkat akibat luas kontak antara air dan
zeolit yang makin besar sehingga konsentrasi etanol yang melewati membran
semakin meningkat. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut terhadap morfologi
membran komposit PVA-zeolit untuk melihat interaksi yang terjadi pada PVA dan
zeolit.
10
DAFTAR PUSTAKA
Ahmadi KGS. 2009. Kinerja zeolit alam teraktivasi pada penjernihan minyak bekas
penggorengan keripik tempe. Jurnal Teknologi Pertanian 10(2): 136-143.
Akbar MA. 2010. Pembuatan Membran Mikrofilter Zeolit Alam Dengan
Penambahan Semen Portland Putih [Skripsi]. Jakarta (ID): Universitas
Islam Negeri Syarif Hidayatullah.
Ani RA. 2007. Teknologi pervaporasi untuk dehidrasi etanol menggunakan
membran zeolit NaA [Tesis]. Bandung (ID): Institut Tenologi Bandung.
Arahman N. 2012. Konsep dasar proses pembuatan membrane berpori dengan
metode non solvent induced phase separation. Jurnal Rekayasa Kimia dan
Lingkungan 9(2): 68-73.
Arif Z. 2011. Pencirian dan modifikasi zeolit alam sebagai bahan media pendeteksi
studi kasus: kromium heksavalen [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian
Bogor.
Baker RW. 2004. Membrane Technology and Applications. Edisi ke-2. California
(US): John Wiley & Sons Ltd.
Darsono, Danu S, Las T. 2000. Sifat mekanik komposit campuran zeolit-PVA yang
diradiasi sinar γ Co-60. [prosiding]. Serpong (ID): BATAN.
Emelda L, Putri SM, Ginting SB. 2013. Pemanfaatan zeolit alam teraktivasi untuk
adsorpsi logam krom (Cr3+). Jurnal Rekayasa Kimia dan Lingkungan 9(4):
166-172.
Harvey D. 2000. Modern Analytical Chemistry. Edisi ke-1. United States of
America (US): The McGraw-Hill Companies Inc.
Kujawski W. 2000. Application of pervaporation and vapor permeation in
environmental protection. Polish Journal of Environmental Studies 9(1):
13-26.
Kurniasari L, Djaeni M, Purbasari A. 2011. Aktivasi zeolit alam sebagai adsorben
pada alat pengering bersuhu rendah. Reaktor 13(3): 178-184.
Las T, Zamroni H. 2002. Penggunaan zeolit dalam bidang industri dan lingkungan.
J Zeolit Indo. 1(2001): 23-26.
Ling LK, Nawawi MGM, Sadikin AN. 2008. Pervaporation of ethanol-water
mixture using PVA zeolite-clay membranes. Jurnal Teknologi 49:167-177.
Mulder M. 1996. Basic and Principles of Membrane and Technology. London
(UK): Kluwer.
Nasrun. 2005. Studi pemakaian zeolit untuk meningkatkan performasi membran
[Prosiding]. Kuala (MLY): Universitas Syiah Kuala.
Noezar I, Praptowidodo VS, Agustin SP, Dewita R. 2008. Membran PVA-chitosan
crosslinked untuk pemisahan campuran etanol-air secara pervaporasi.
Jurnal Teknik Kimia Indonesia 7(1): 724-730.
Novalina CH. 2012. Studi kinerja pemisahan etanol-air menggunakan proses
pervaporasi dengan membran thin film composite (TFC) komersial.
[Skripsi]. Depok (ID): Universitas Indonesia.
Novianti HY. 2013. Pengaruh variasi konsentrat zat aditif monosodium glutamate
(MSG) terhadap karakter membran cellulose acetate (CA) [Skripsi]. Jember
(ID): Universitas Jember.
11
Pabby AK, Rizvi SSH, Sastre AM. 2009. Handbook of Membrane Separations
Chemical, Pharmaceutical, Food, and Biotechnological. New York (US):
CRC Press Taylor & Francis Group.
Permata AA. 2009. Aplikasi membran CA/zeolit untuk pemisahan campuran
alkohol-air [Tesis]. Bandung (ID): Institut Teknologi Bandung.
Pranawati RD. 2011. Membran polistirena dengan penambahan pluronik untuk
pervaporasi etanol. [Sripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Pratomo H. 2003. Pembuatan dan karakterisasi membran komposit polisulfon
selulosa asetat untuk proses ultrafiltrasi. Jurnal Pendidikan Matematika dan
Sains 3(8): 168-173.
Sani A, Rostika A, Rakhmawaty D. 2009. Pembuatan fotokatalis TiO2-zeolit alam
asal Tasikmalaya untuk fotodegradasi methylene blue. Jurnal Zeolit
Indonesia 8(1): 6-14.
Sari DM. 2011. Membran pervaporasi polistirena dengan variasi penambahan
konsentrasi pluronik [Skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Shao P, Huang RYM. 2007. Polymeric membrane pervaporation. Journal of
Membrane Science 287(2): 162-179.
Subariyah I, Zakaria A, Purwamargapratala Y. 2013. Karakterisasi zeolit alam
Lampung teraktivasi asam klorida dan termodifikasi asam fosfat. Jurnal
Teknologi Pengolahan Limbah 16: 17-24.
Suminta S. 2006. Karakterisasi zeolit alam dengan metode difraksi sinar-X. Jurnal
Zeolit Indonesia 5(2): 52-68.
Suraputra R. 2011. Adsorpsi gas karbon monoksida (CO) dan penjernihan asap
kebakaran menggunakan zeolit alam lampung termodifikasi TiO2 [Skripsi].
Depok (ID): Universitas Indonesia.
Wahyuni I. 2012. Studi pemisahan campuran azeotrop etanol-air dan isopropil
alkohol-air melalui proses pervaporasi dengan membran thin film composite
komersial. [Tesis]. Depok (ID): Universitas Indonesia.
Zhang S, Drioli E. 1995. Pervaporation membranes. Separation and Technology
30(1): 1-31.
12
13
LAMPIRAN
14
15
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Zeolit Alam
Aktivasi Asam
dan Basa
Zeolit Alam Teraktivasi
Pencirian Zeolit
XRD dan KTK
Pembuatan Membran
Komposit PVA-ZeolitPluronik
Membran
Uji Kinerja Membran
Pervaporasi dan GC
Analisis Morfologi
SEM
16
Lampiran 2 Difraktogram Zeolit Cikalong dan difraktogram mordenit (JCPDS 291257)
Difraktogram zeolit Cikalong
Difraktogram mordenit
17
Lampiran 3 Data difraktogram zeolit Cikalong
2θ
Intensitas
8.5915
3
9.2507
3
9.8329
15
10.0846
4
13.1099
6
13.5068
23
13.8873
8
14.4657
4
14.6917
5
15.1040
5
15.3734
12
18.2981
4
19.1970
7
19.6415
29
20.0161
5
21.4129
5
21.9916
16
22.3092
58
22.8298
6
23.2440
6
2θ
Intensitas
23.7181
9
24.1324
3
24.4268
3
25.1856
8
25.6799
103
26.2858
47
26.5634
10
26.9179
4
27.7468
54
28.1013
11
28.8404
4
29.0351
3
29.9490
5
30.1388
4
30.5134
5
30.9096
25
31.1577
7
31.9835
7
32.7461
5
33.1108
6
2θ
Intensitas
33.3756
3
34.7976
4
35.6936
11
36.9726
6
38.6115
5
39.3810
3
39.6908
3
40.2104
3
40.5502
3
40.8401
4
41.6996
3
41.9894
3
42.8289
3
44.1682
6
44.3481
4
44.6330
4
44.9578
8
45.2627
3
46.5321
7
46.7670
4
2θ
Intensitas
48.4262
10
48.8960
3
50.3754
5
50.9652
7
51.7649
3
54.6039
3
55.2387
5
55.8135
4
56.7931
4
57.6429
3
57.8228
3
58.9125
3
59.2724
3
59.8122
5
60.1621
3
60.6870
5
61.0618
3
62.0815
3
62.9213
3
64.3759
5
18
Lampiran 4 Data difraktogram mordenit (JCPDS 29-1257)
hkl
110
020
200
220
111
130
021
310
040
221
131
311
400
330
240
041
420
150
331
241
002
421
112
510
151
022
202
060
350
222
132
511
530
260
312
061
441
351
042
2θ
6.51
8.61
9.77
13.04
13.45
13.83
14.59
15.30
17.28
17.59
18.19
19.34
19.61
19.61
19.88
20.95
21.45
22.20
22.92
23.16
23.64
24.53
24.54
24.96
25.19
25.20
25.63
26.04
26.25
27.09
27.49
27.67
27.87
27.87
28.28
28.66
28.85
28.85
29.43
Irel
100.0
13.1
56.4
0.3
40.4
29.1
13.3
9.5
0.6
2.3
4.4
3.2
1.4
22.7
0.6
1.4
5.7
46.1
1.0
16.9
6.9
4.5
0.3
2.3
0.3
4.3
75.7
5.0
43.5
4.7
12.6
46.1
28.8
0.1
4.0
2.7
3.3
0.5
0.2
hkl
531
261
620
402
332
242
152
550
621
171
370
512
710
080
551
442
352
280
113
641
532
262
023
711
081
730
602
223
133
731
622
570
800
043
480
820
750
243
661
2θ
30.34
30.34
30.88
30.89
30.89
31.08
32.65
32.98
33.15
33.15
33.98
34.65
34.95
34.96
35.12
35.61
35.61
36.39
36.41
36.54
36.86
36.86
36.87
37.00
37.01
37.15
38.22
38.24
38.53
39.10
39.25
39.54
39.82
39.99
40.40
40.82
41.24
41.27
41.67
Irel
0.3
5.5
2.0
12.9
8.8
0.2
3.2
0.6
2.8
6.6
1.6
0.6
0.2
5.4
0.5
0.6
15.5
1.3
1.2
5.3
1.2
1.8
0.2
0.4
0.5
0.1
0.1
0.4
0.7
0.2
0.4
1.1
0.1
0.1
2.2
0.4
0.3
2.2
1.4
hkl
372
423
642
390
082
282
0 10 0
391
513
732
063
443
910
841
533
263
680
572
911
2 10 1
930
590
482
623
173
752
004
771
4 10 0
591
114
1 11 0
392
463
553
204
861
2θ
41.81
42.10
42.22
42.36
42.64
43.85
44.11
44.11
44.13
44.51
44.79
44.92
45.28
45.41
45.95
45.95
46.44
46.58
46.95
46.96
47.07
47.08
47.34
47.97
47.98
48.08
48.36
48.45
48.70
48.70
48.85
49.07
49.07
49.33
49.45
49.46
49.79
Irel
1.8
0.5
0.2
0.3
0.5
0.5
5.3
0.8
0.6
3.3
0.3
4.9
0.5
2.9
0.8
0.7
7.5
0.6
1.8
0.2
0.9
0.2
5.2
0.6
1.1
0.7
9.4
0.5
0.1
2.5
1.2
0.5
0.5
0.4
0.1
0.3
0.1
19
Lampiran 5 Penentuan nilai kapasitas tukar kation (KTK)
Konsentrasi Ca2+ (mg/L)
18.5040
26.2284
26.0541
24.6456
28.9826
31.4184
36.6814
Sampel Zeolit
Tanpa Aktivasi
HCl 1.0 M
HCl 1.5 M
HCl 3.0 M
NaOH 0.5M
NaOH 1.5 M
NaOH 3.0 M
Contoh perhitungan:
ppm = mg/L
mg Ca = ppm x Llarutan
mg Ca = ppm x 100/1000
T
g
=
=
pp
=
pp
=
=
T
g
g a
E a
x
E a
g/
ge
8.
x
g
g sa pe
/
x
E a
x
x
x
x
ge
g/
x
g
g sa pe
g
g sa pe
g
g sa pe
x
= 92.52 mg ek
g
g sa pe
KTK = 92.52 mg ek/100 g
Keterangan:
KTK = Kapasitas tukar kation (mg ek/100 g)
KTK (mg ek/100 g)
92.52
131.14
130.27
123.23
144.91
157.09
183.41
20
Lampiran 6 Rangkaian pervaporator
Keterangan:
A = penampung cairan umpan
B = pompa
C = reaktor membran
D = penampung permeat
21
Lampiran 7 Penentuan peningkatan konsentrasi etanol
Kromatogram etanol hasil pervaporasi
Larutan umpan
Etanol 70%
Konsentrasi etanol (%)
awal
akhir
70
73.66
Peningkatan
konsentrasi etanol (%)
3.66
Contoh perhitungan:
Konsentrasi etanol hasil pervaporasi = [etanol akhir] x faktor pengenceran
= 7.366% x 10 = 73.66%
Persentase peningkatan konsentrasi etanol = [etanol akhir]-[etanol awal]
= 73.66% - 70%
= 3.66%
22
Lampiran 8 Penentuan nilai faktor separasi
Parameter uji
[air] (%)
[etanol] (%)
Faktor separasi
Contoh perhitungan faktor separasi:
�=
�=
� �/ H O
EtOH/ H O
. / .
= .
/
Keterangan:
P = Permeat
F = Feed/umpan
Etanol
umpan
30
70
permeat
26.34
73.66
1.20
23
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Merangin, 08 Januari 1993 dari ayah Drs M. Yanis Lajid dan
ibu Dra Yurnawilis Rasyid. Penulis merupakan putri kedua dari empat bersaudara.
Tahun 2011 penulis lulus dari MAN 2 Model Pekanbaru dan pada tahun yang sama
penulis diterima sebagai mahasiswa Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan
Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor melalui Seleksi Beasiswa Utusan
Daerah (BUD).
Selama perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia
Lingkungan (S1) pada tahun ajaran 2014-2015 dan anggota divisi Kominfo Imasika
IPB tahun 2012. Penulis juga mengikuti kegiatan praktik lapangan di PT Aspex
Kumbong dengan judul laporan Pengaruh Konsentrasi dan Jumlah Surfaktan
terhadap Kualitas Kertas Daur Ulang dengan Proses Deinking.