1. Sifat zeolit sebagai penyerap
2. Sifat polyethylene glycol sebagai pengikat
3. Sifat kombinasi berupa penyerapan yang dapat dibaca secara
digital Keuntungan dari matrix polimer komposit ini dihasilkan karena
polyethylene glycol merupakan jenis polimer terkonjugasi yang memiliki kekuatan yang tinggi dalam ikatan intramolekuler. Sehingga, keuntungan
lainnya berupa bisa diaplikasikan sebagai material yang mampu menahan suhu dan tekanan tertentu. Sehingga dapat digunakan sebagai komposit
polimer konduktif.
2.3.2 Karakteristik resistivitas listrik komposit
Arus listrik I dengan satuan ampere, A didefenisikan sebagai banyaknya jumlah arus dalam coulomb, C yang mengalir melalui luas penampang per
satuan waktu. Maksudnya arus adalah jumlah muatan bukan besar muatan. Dengan demikian, arah arus adalah sama dengan aliran muatan positif dan
berlawanan dengan arah aliran muatan negatif. Maka, dengan jumlah arus yang melewati luas permukaan disebut dengan rapat arus yang disimbolkan
dengan J yaitu jumlah arus per luas penampang per satuan unit waktu. Satuan dari rapat arus adalah Ampere .
Adanya arus yang lewat dalam suatu material menunjukkan adanya muatan yang bergerak sehingga terjadi beda potensial atau tegangan.
Muatan yang bergerak ini disebut dengan muatan pembawa atau disebut dengan carriers of electricity. Konsentrasi muatan pembawa didefenisikan
sebagai jumlah dari muatan pembawa per satuan volume dengan satuan
−
. Material konduktor merupakan material yang memiliki jumlah
muatan pembawa yang banyak. Sehingga, dalam hal ini muatan pembawa dialihkan kepada elektron electron carrier. Sedangkan dalam material
semikonduktor elektron dan holes atau lubang elektron memiliki peranan
Universitas Sumatera Utara
penting dalam proses terjadinya arus listrik yang lewat. Sehingga dalam konteks semikonduktor, lubang-lubang yang kekurangan elektron akan diisi
oleh elektron yang lewat. Maka, secara matematis, arus listrik berupa
=
2.3.1 Dimana n merupakan jumlah dari muatan yang dibawa, muatan elektron
bernilai = , ×
− 9
. Dengan menurunkan persamaan 2.3.1 terhadap kecepatan elektron dalam satu detik per luas penampang, akan didapat rapat
arus berupa
=
�
=
2.3.2 Dengan melakukan perbandingan dari persamaan muatan listrik berupa
= � , maka persamaan 2.3.2 dapat diturunkan sebagai
�
= �
2.3.3 Dimana, nilai rapat arus per satuan medan listrik dikenal dengan sebutan
konduktivitas listrik yang disimbolkan dengan �. Sehingga dapat didefenisikan
� =
2.3.4 Dari persamaan diatas maka, nilai � = � dimana � = merupakan
resistivitas atau hambatan jenis dari suatu material. Dan satuan dari konduktivitas listrik adalah � = Ω
⁄ Dalam penelitian ini, karakteristik komposit sebagai salah satu
bentuk bahan semikonduktor dapat dilakukan. Melalui persamaan 2.3.3 dapat dicari hambatan jenis dari bahan polimer semikonduktor. Karakteristik
hambatan jenis ini menjadi salah satu acuan dalam menentukan apakah material komposit ini layak untuk dijadikan bahan sensor. Melalui
persamaan 2.3.4 didapat hubungan antara � = dengan satuan
Ω
atau dalam SI yaitu
.
Universitas Sumatera Utara
Maka, persamaan yang didapat berupa
= �
�
2.3.5
� =
��
2.3.6 Dengan mengetahui bahwa nilai � =
�
= �, maka persamaan diatas dapat disubstitusi, menjadi
� =
�
=
�
=
� ��
=
��
2.3.7 Dengan menganggap nilai � = dan pada persamaan sebelumnya telah
diketahui bahwa nilai dari = yang berarti rapat arus persatuan luas. Maka, dengan mengambil parameter ini dapat dihitung konduktivitas listrik
melalui persamaan
�
=
��
→ =
��
2.3.8 2.4 MINERAL ZEOLIT
Istilah zeolite merujuk pada jaringan polimer anorganik tiga dimensi dari keluarga Kristal alumina silikat. Material ini terbentuk dari tetrahedral
, yang saling berhubungan melalui penggunaan bersama atom
oksigen. Stoikiometri zeolite dinyatakan dengan rumus umum,
�
+
[
�
]
−
. � 1
Dalam hal ini x menyatakan rasio atomic Si:Al. Kisi ekstra kation
+
seperti
+
,
+
,
+
,
+
dan [ ]
+
diperlukan sebagai kompensasi muatan. Zeolit ditemukan secara alami, tetapi dapat pula
disintesis secara hidrotermal dari campuran kuat sodium silikat, aluminium hidroksida, dan bahan organik. Rangka zeolite terbentuk melalui
penggunaan bersama sudut
−
dan
−
tetrahedral ditunjukkan pada gambar 2.2 berikut
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Struktur zeolit Gambar 2.2 memperlihatkan struktur faujasite sebagai representasi dari
zeolite-X dengan rasio Si:Al = 1, dan zeolite-Y dengan rasio Si:Al= 2.5. Pada gambar tersebut atom-atom Si dan Al terletak pada sudut-sudut puncak
vertices dan atom-atom O menempati garis segmen yang menghubungkan puncak-puncak struktur.
Sintesis zeolite bergantung pada penggunaan material dasar yang sangat reaktif, pH, dan derajat saturasi yang tinggi. Material dasar yang
demikian akan menghasilkan inti nuclei dalam jumlah yang banyak pada temperature yang relative rendah. Pada umumnya proses formasi zeolite
dilakukan dengan teknik sol-gel. Salah satu prosedur formasi zeolite yang dapat dijelaskan sebagai berikut. Bahan yang mengandung Al dilarutkan di
dalam larutan alkali tinggi sodium silikat dan membentuk gel alumina silikat gel. Kristalisasi umumnya dilakukan pada suhu antara 100-180
derajat celcius selama beberapa jam hingga beberapa hari. Selama proses tersebut fase amorf mengalami disolusi dan rekonstruksi secara terus-
menerus hingga fase Kristal mulai tumbuh.
Kandungan silika di dalam zeolite merupakan parameter penting yang menentukan tingkat keasaman, rapat massa, dan daya tahan termal
zeolite. Dewasa ini lempung alumina silikat banyak dipakai untuk memproduksi zeolite dengan kandungan silica yang tinggi. Sebagai contoh,
sintesi zeolite A diperoleh dari prosedur hidrotermal kaolin atau
Alu i iu Silikat
Pori-Pori Zeolit
Universitas Sumatera Utara
metakaolin di dalam larutan alkali yang kuat dan direaksikan pada suhu 100 derajat celcius. Reaksi pembentukan zeolite ini diperlihatkan menurut
persamaan berikut:
. .
+ →
. .
+ 2
Seperti yang akan dijelaskan kemudian, berbeda dengan geopolimer, sains zeolite telah berkembang sejak 40 tahun yang lalu, dan manufaktur dalam
skala besar untuk menghasilkan resin pertukaran ion, saringan molekul, sorben, dan katalis dapat ditemukan di banyak tempat. Namun demikian,
penggunaan atau aplikasi zeolite masih terbatas disebabkan oleh sifat mekaniknya yang buruk serta sangat sensitif terhadap tingkat keasaman
lingkungan.
Penggunaan zeolit sebagai salah satu superadsorben menjadi satu alasan bagi para akademisi untuk memanfaatkannya sebagai salah satu
bahan detektor atau sensor. Zeolit sering digunakan dalam penjernihan air dan gas, hal tersebut dilakukan zeolit sebagai adsorbent. Peranan zeolit
dalam proses penjernihan ini dapat dilakukan karena zeolit memiliki karakteristik yang unik pada strukturnya. Zeolit merupakan batuan alam
yang mengandung mineral alumunium silikat yang memiliki pori-pori.
Pori-pori dalam zeolit berukuran dari Å sampai Å. Contohnya zeolit A yang merupakan zeolit sintetik mempunyai ukuran rongga dengan
diameter , Å. Faujasite dan modernite yang mempunyai ukuran pori
dengan diameter masing-masing sebesar . Å . Å. Ukuran pori-pori
tersebut membuat zeolit memiliki karakteristik seperti saringan alam dengan tingkat adsorbansi yang tinggi. Disamping itu, zeolit memiliki kemampuan
untuk mengikat ion-ion positif ion exchange sehingga dalam proses penjernihan yang dilakukan oleh zeolit melalui dua karakteristik yang
dimilikinya yaitu:
Universitas Sumatera Utara
a. Penyerapan dengan menggunakan pori-pori zeolit
b. Pertukaran ion dengan menggunakan interaksi antar ion
Aktivasi zeolit secara kimia dengan tujuan untuk membersihkan permukaan pori, membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang
dapat dipertukarkan. Proses aktivasi zeolit dengan perlakuan asam seperti HCl dan H2SO4 pada konsentrasi 0,1 N hingga 1 N menyebabkan zeolit
mengalami dealuminasi dan dekationisasi yaitu keluarnya Al dan kation- kation dalam kerangka zeolit.
Ion exchange pada zeolit berkaitan pada absorbsi kimia yang memiliki interaksi kimia dengan permukaan katalis dengan partikel reaktan.
Zeolit memiliki 2 sisi aktif yang bisa melakukan adsorbsi sekaligus perturakan ion. Sisi aktif tersebut adalah sisi aktif Bronsted dan sisi aktif
Lewis. Dimana pada zeolit mekanisme Bronsted dan Lewis terjadi karena adanya donor proton dan aceptor proton. Secara reaksi kimia seperti
dibawah ini
+ ⇌
� +
� 3
+ ⇌
−
+
+
4 Interaksi kimia ini akan membentuk sebuah interaksi antara kation dan
anion yang akhirnya akan menunjukkan pertukaran ion ion exchange. Umumnya, zeolit alam mengandung ion-ion logam golongan IA dan IIA
seperti litium, natrium dan kalsium. Sehingga secara sistem periodik unsur keelektropositipan dari reaktan bisa bertukar kation dengan kation-kation
yang terikat pada zeolit sehingga disebut sebagai pertukaran ion.
Aktivasi asam menyebabkan terjadinya dekationisasi yang menyebabkan bertambahnya luas permukaan zeolit karena berkurangnya
pengotor yang menutupi pori-pori zeolit. Luas permukaan yang bertambah diharapkan meningkatkan kemampuan zeolit dalam proses penyerapan.
Pada penelitian ini peneliti menggunakan H2SO4 untuk mengaktivasi zeolit alam yang bertujuan untuk membersihkan pori-pori zeolit. Meningkatnya
Universitas Sumatera Utara
kemampuan penyerapan zeolit akan memungkinkan zeolit dalam menyerap jenis gas yang diuji.
Tingginya kandungan Al dalam kerangka zeolit menyebabkan kerangka zeolit sangat hidrofilik. Sifat hidrofilik dan polar dari zeolit ini
merupakan hambatan dalam kemampuan penyerapannya. Proses aktivasi dengan asam dapat meningkatkan kristalinitas, keasaman dan luas
permukaan. Setiap oksigen dalam ikatan ini cenderung akan mengikat
+
membentuk
−
atau gugus silanol yang bersifat polar. Ion hidrogen pada gugus hidroksil ini siap dipertukarkan dengan kation lain. Pada keadaan
netral atau agak asam, dapat terjadi hidrolisis akan menyebabkan kenaikan pada pH dengan reaksi :
−
+ →
+
−
5 Keadaan yang demikian akan menyebabkan kapasitas pertukarannya
meningkat. Maka, dengan keadaan zeolit yang memiliki pori-pori dan ion- ion negatif dalam strukturnya membuat penulis memiliki hipotesa bahwa,
zeolit mampu digunakan sebagai bahan pendeteksi gas-gas yang bersifat berbahaya.
Dalam penggunaannya, zeolit yang merupakan mineral alam dengan struktur framework tiga dimensi dan menunjukkan sifat penukar ion dan
penyerapan sehingga menunjukkan potensi dalam pengolahan limbah gas. Dengan mengambil sifat penyerapannya, zeolit dapat digunakan untuk
mengolah sekaligus mendeteksi logam dan beberapa jenis gas. Proses penyerapan zeolit ini yang menunjukkan adanya sebuah sistem saringan
berlapis-lapis dalam struktur zeolit ini. Dalam situs resminya, BATAN
http:batan.go.id merilis penggunaan zeolit dalam bidang proses industri
sebagai berikut. Berdasarkan sifat sorpsinya terhadap gas dan hidrasi molekul air,
zeolit dapat digunakan untuk proses pengeringan pada berbagai produk industri. Molekul uap air dapat diserap sebanyak 8-10 gram dengan 100
gram klinoptiolit jenis mineral zeolit dibandingkan dengan 3 gram dan 1,2 gram oleh
dan gel silikat dengan berat yang sama pada kondisi 1,33
Universitas Sumatera Utara
atm dan . Zeolit klinoptiolit yang diaktivasi pada suhu
− selama 2-3 jam. Sebagai “drying agent” dari senyawa organic, zeolit juga
dapat digunakan antara lain:
Pada proses pemurnian metil khlorida dalam industri karet Pemurnian fraksi alkohol, metanol, benzena, xylen, LPG dan LNG
pada industri petro-kimia Untuk hidrokarbon propellents-fillers aerosol untuk pengganti freons
Penyerap klorin, bromin, dan fluorin Untuk menurunkan humiditas ruangan
Disamping itu, penggunaan zeolit dalam proses penyerapan beberapa jenis gas antara lain:
Gas mulia antara lain Ar, Kr, dan gas Helium Gas rumah kaca seperti
, ,
, ,
�
Gas organic seperti ,
, ,
, termasuk pirogas dan fraksi etana etilen
Pemurnian udara bersih yang mengandung Oksigen Campuran filter pada rokok
Penyerapan gas dan penghilangan warna dari cairan gula pada pabrik gula
Atas beberapa penggunaan tersebut dalam bidang katalis, sorben zeolit biasanya digunakan akhir-akhir ini dalam industri petrokimia pada
proses isomerisasi, hidro sulforisasi, hydrocracking, hidrogenasi, reforming, dehidrasi, dehidrogenasi, dan de-alkilasi, cracking paraffin, disportion
toluene benzene dan xylene. Namun, penggunaan zeolit sebagai salah satu bahan pengisi dalam komposit masih jarang digunakan di Indonesia.
Penggunaan zeolit sebagai pengisi dalam pembuatan komposit penyerapan gas dapat bermanfaat sebagai salah satu bentuk komposit pendeteksi jenis
gas tertentu.
Universitas Sumatera Utara
2.4.1 Adsorpsi Zeolit Dalam proses pendeteksian, mineral zeolit mengambil proses berupa pori-
pori zeolit yang mampu bersifat adsorpsi. Adsorpsi adalah proses dimana molekul-molekul fluida menyentuh dan melekat pada permukaan padatan
Nasruddin, 2005. Adsorpsi adalah fenomena fisik yang terjadi saat molekul-molekul gas atau cair dikontakkan dengan suatu permukaan
padatan dan sebagian dari molekul-molekul tadi mengembun pada permukaan padatan tersebut Suryawan, Bambang 2004. Walaupun
adsorpsi biasanya dikaitkan dengan perpindahan dari suatu gas atau cairan kesuatu permukaan padatan, perpindahan dari suatu gas kesuatu permukaan
cairan juga terjadi. Substansi yang terkonsentrasi pada permukaan didefenisikan sebagai adsorbat dan material dimana adsorbat terakumulasi
didefenisikan sebagai adsorben Hines, A.L dan Robert N. Maddox, 1985.
Zeolit merupakan salah satu material yang memiliki kemampuan mekanisme adsorpsi. Proses adsorpsi pada zeolit melalui pori-pori tersebut
mengalami mekanisme bersentuhan sehingga terjadi suatu keadaan yang disebut dengan adsorp dan desorp. Mineral zeolit mampu untuk
dikembalikan kepada keadaan awal. Yaitu dengan cara memberikan temperatur yang tinggi sehingga partikel-partikel dalam pori-pori dapat
dibersihkan dan menjadi zeolit aktif kembali.
Menurut Ferdinan Delesev Ginting, Proses adsorpsi dapat berlangsung jika suatu permukaan padatan dan molekul-molekul gas atau
cair, dikontakkan dengan molekul-molekul tersebut, maka didalamnya terdapat gaya kohesif termasuk gaya hidrostatik dan gaya ikatan hidrogen
yang bekerja diantara molekul seluruh material. Gaya- gaya yang tidak seimbang pada batas fasa tersebut menyebabkan perubahan-perubahan
konsentrasi molekul pada interface solid fluida. Untuk mengetahui karakteristik yang terjadi dalam proses adsorpsi dapat diilustrasikan dengan
gambar 2.3 di bawah ini.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Proses Adsorpsi Zeolit
Padatan berpori yang menghisap adsorption dan melepaskan desorption suatu fluida disebut adsorbent. Molekul fluida yang dihisap
tetapi tidak terakumulasi melekat kepermukaan adsorben disebut adsorptive, sedangkan yang terakumulasi melekat disebut adsorbat.
Padatan berpori dalam hal ini adalah mineral alumunium silikat yang disebut dengan zeolit. Fenomena penyerapan oleh zeolit terutama
disebabkan karena adanya gaya Van der Waals dan gaya hidrostatik sehingga atom yang diserap berada di permukaan sehingga tidak terjadi
yang dinamakan dengan ikatan kimia. Proses penyerapan tanpa menghasilkan reaksi atau ikatan kimia ini disebut dengan adsorpsi fisika.
Pada penelitian ini, adsorpsi fisika berupa partikel-partikel gas memasuki pori-pori zeolit tanpa menghasilkan reaksi atau ikatan kimia. Pada dasarnya
zeolit merupakan adsorben yang mengadsorpsi secara fisik. Oleh karena itu, ada beberapa hal yang mempengaruhi adsorpsi secara perpindahan kalor dan
perpindahan massa.
2.4.2 Faktor yang mempengaruhi adsorpsi Pori-pori yang digunakan dalam proses penyerapan memiliki peranan
penting, hal tersebut tampak pada gambar 2.3 yaitu dengan adanya Desorp melepaskan
Adsorbate
Adsorp menghisap Adsorptiv
e
Universitas Sumatera Utara
hubungan penyerapan dan pori-pori. Pori-pori pada zeolit seperti yang telah diterangkan sebelumnya berkisar antar Å − Å memiliki pengaruh dalam
proses penyerapan. Secara fisikal, proses penyerapan ini tentunya dipengaruhi oleh adanya luasan dari pori-pori tersebut. Interaksi seperti gaya
van der waals yang terjadi. Oleh karena itu, daya adsorpsi dipengaruhi oleh tiga faktor seperti yang diterangkan oleh Ferdinan Delesev Ginting Bah et
al, 1997 dan Suryawan, Bambang 2004 yaitu:
1. Tekanan P, tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat.
Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikkan jumlah yang diadsorpsi.
2. Temperatur Absolut T, temperatur yang dimaksud adalah
temperature adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi
pembebasan sejumlah energi yang dinamakan dengan peristiwa eksotermis. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah
adsorbat yang teradsoprsi demikian juga untuk peristiwa sebaliknya.
3. Interaksi Potensial E, interaksi potensial antara adsorbat
dengan dinding adsorben sangat bervariasi, tergantung dari sifat adsorbat-adsorben.
Disamping itu, faktor internal dari material adsorben juga berpengaruh dalam proses penyerapan. Hal tersebut berdampak pada kemampuan
material dalam menghasilkan bentuk interaksi dalam proses penyerapan. Oleh karena itu, material adsorbent selalu digunakan dalam bentuk
kemurnian yang tinggi. Proses pemurnia dengan cara tinggi dapat dilakukan secara fisikal dan kimiawi. Dalam prosesi fisikal dapat dilakukan dengan
proses aktivasi dengan menggunakan suhu atau temperatur yang tinggi. Sedangkan dalam proses kimiawi dilakukan dengan cara menambahkan zat
berupa pengasaman dalam proses pemurnian material adsorben dalam penelitian ini. Hal ini merujuk pada penyerapan adsorben dipengaruhi oleh
volume yang dipakai, dan luas permukaan yang spesifik, sehingga karakteristik yang dibutuhkan untuk adsorpsi yang baik, yaitu:
Universitas Sumatera Utara
1. Luas permukaan adsorben. Semakin besar luas permukaan
maka semakin besar pula daya adsorpsinya karena proses adsorpsi terjadi pada permukaan adsorben. Yaitu, pada pori-
pori permukaan adsorben.
2. Tidak ada perubahan volume yang berarti selama proses
adsopsi dan deadsorpsi
3. Kemurnian adsorben. Adsorben yang memiliki tingkat
kemurnian tinggi, daya adsorpsinya lebih baik.
4. Jenis gugus fungsi atom yang ada pada permukaan adsorben.
Sifat-sifat atom di permukaan berkaitan dengan interaksi molekul antara adsorbat dan adsorben yang lebih besar pada
adsorbat tertentu
1
2.5 MATERIAL KOMPOSIT POLIMER ZEOLIT