Sumber utama NO
2
pada atmosfer adalah dari kendaraan di jalan lalu lintas. . Sumber utama lainnya adalah dari pembangkit tenaga listrik, pabrik pemanas, dan
proses industri. Oksida Nitrogen NOx adalah kelompok gas nitrogen yang terdapat di atmosfir yang terdiri dari nitrogen monoksida NO dan nitrogen
dioksida NO
2
. Walaupun ada bentuk oksida nitrogen lainnya, tetapi kedua gas tersebut yang paling banyak diketahui sebagai bahan pencemar udara. Nitrogen
monoksida merupakan gas yang tidak berwarna dan tidak berbau sebaliknya nitrogen dioksida berwarna coklat kemerahan dan berbau tajam. Nitrogen
monoksida terdapat diudara dalam jumlah lebih besar daripada NO
2
. Pembentukan NO dan NO
2
merupakan reaksi antara nitrogen dan oksigen diudara sehingga membentuk NO, yang bereaksi lebih lanjut dengan lebih banyak oksigen
membentuk NO
2
.
Untuk menentukan konsentrasi gas NOx di udara telah di lakukan dengan menggunakan peralatan spektroskopi analitik yang bekerja berdasarkan serapan
inframerah, spektroskopi resonansi ion, kromatografi gas spektroskopi massa. Spektroskopi analitik yang bekerja berdasarkan serapan inframerah peralatan
tersebut sangat mahal, tidak dapat digunakan langsung dilapangan, dan diperlukan waktu yang lama untuk mengetahui konsentrasi gas NOx Miura et al., 1994.
Spektroskopi resonansi ion telah digunakan namun tidak akurat dalam analisis kuantitatif, kromatografi gas spektroskopi massa juga digunakan untuk mendeteksi
gas NOx di udara namun han ya dapat digunakan pada temperatur yang rendah Szabo et al., 2003. Metode lain yang dapat digunakan untuk mendeteksi NOx di udara
adalah dengan metode elektro analisis dengan mengembangkan sensor semikonduktor yang merupakan alternatif metode yang efektif dan efisien.
2.3 Dampak Terhadap Kesehatan
Oksida nitrogen seperti NO dan NO
2
berbahaya bagi manusia. Penelitian menunjukkan bahwa NO
2
empat kali lebih beracun daripada NO. Diudara ambient yang normal, NO dapat mengalami oksidasi menjadi NO
2
yang bersifat racun.
7
Universitas Sumatera Utara
Penelitian terhadap hewan kadar NO
2
yang lebih tinggi dari 100 ppm dapat mematikan sebagian besar binatang percobaan dan 90 dari kematian tersebut
disebabkan oleh gejala pembengkakan paru edema pulmonari . Kadar NO
2
sebesar 800 ppm akan mengakibatkan 100 kematian pada binatang-binatang yang diuji dalam waktu 29 menit atau kurang. Pemajanan NO
2
dengan kadar 5 ppm selama 10 menit terhadap manusia mengakibatkan kesulitan dalam bernafas.
2.4 Sensor Kimia
Sensor secara umum didefinisikan sebagai alat yang mampu mengubah fenomena kimia atau fisika, menjadi sinyal listrik yang berkaitan dengan
konsentrasinya. Sensor kimia terutama digunakan untuk mengukur konsentrasi senyawa khusus dalam lingkungan gas dan cair, dimana sensor secara khusus
merubah informasi kimia ke dalam sinyal listrik. Ada peningkatan permintaan untuk melakukan pengukuran analitik terhadap zat tertentu dengan cepat, halus dan
dalam beberapa kasus dilakukan secara terus menerus. Karena sifat-sifat fisika dari gas dan cairan itu berhubungan erat dengan konsentrasi senyawa kimia, sensor
untuk penentuan sifat fisika, seperti viskositas dan kerapatan terus mengalami peningkatan.
Sensor kimia diajukan untuk berbagai kondisi lingkungan – terutama dalam pengolahan makanan atau sistem pembuangan dimana konsentrasi berbagai
senyawa dinyatakan pada sensor. Masalah penting dalam sensor kimia adalah mendapatkan beberapa tingkat selektivitas yang ideal dan tertinggi. Rata-rata
selektivitas ideal, respon terhadap senyawa spesifik dan juga respon nol terhadap senyawa lain.
2.4.1. Beberapa tipe sensor Kimia.
Sensor Kimia elektrolit padat yang bekerja berdasarkan prinsip elektrokimia, merupakan prinsip sensor yang paling tua yang telah
berkembang. Pengembangan yang cukup pesat tentang membran sensor dari elektrolit padat telah terjadi sejak tahun 1930 an. Sensor elektrolit padat
8
Universitas Sumatera Utara
adalah sensor yang menggunakan lempengan sel elektrolit yang disekat dengan dua elektroda dan biasanya ditambahkan dengan pengatur
temperatur. Pengembangan berikutnya juga terus terjadi pada sensor jenis ini yang pada dekade belakangan dikenal dengan sebuat NASICON sensor.
Dengan usianya yang relatif lebih tua dibandingkan dengam motode sensor lainnya, elektrolit padat merupakan sensor kimia yang paling banyak
diproduksi dalam dunia sensor komersial dibandingkan dengan jenis sensor lainnya.
Sensor Kimia Optik, Metode sensor ini adalah dengan berdasarkan pada teknologi optik dimana penyerapan suatu gas atau cairan kimia tertentu pada
suatu bahan akan mengakibatkan perubahan pada fenomena optik seperti daya pantul ataupun daya absorpsi suatu cahaya. Meskipun metode ini juga
menjanjikan sistem sensor yang akurat, pengembangan yang relatif lebih sulit disamping instrumen yang lebih mahal membuat sensor optik pada
kenyataannya tidak terlalu banyak dilirik oleh para peneliti. Sensor kimia model sensitif berat. Sensor tipe ini bekerja dengan
berdasarkan bahan sensor yang mampu menghasilkan gelombang akustik sehingga saat suatu zat kimia melewatinya bahan ini mampu mengkonfersi
informasi kimia dari zat tersebut menjadi informasi fisik yaitu dalam bentuk berat meskipun sangat kecil perubahannya.
Sensor Kimia Semikonduktor adalah sensor yang berdasarkan metal oksida . Teknologi yang memanfaatkan keunggulan sifat semikonduktor suatu bahan
merupakan teknologi yang cukup menjanjikan bagi masa depan mengingat harganya yang murah, bentuknya yang lebih kecil, serta lebih tahan lama.
Tidak mengherankan jika dunia sensor masa depan diprediksikan akan didominasi oleh jenis sensor tipe metal oksida ini. Penelitian tentang
pengembangan sensor yang ada saat ini pun banyak dialakukan seputar semikonduktor sensor ini. Teknologi semikonduktor memiliki peran yang
9
Universitas Sumatera Utara
siginifikan dalam teknologi sensor mengingat kemampuan konduktifitas dari
semikonduktor yang dapat berubah ubah. Sensor jenis semikonduktor ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1953 setelah seorang peneliti
Amerika yaitu John Bardeen dan Walter H Brattain menemukan perubahan konduktifitas suatu bahan semikonduktor setelah terjadi penyerapan gas
kimia pada bahan semikonduktor tersebut. Pada perkembangan berikutnya dari sensor semikonduktor ini, sentuhan
teknologi yang pada kenyataannya mampu menghasilkan bahan semikonduktor yang lebih baik membuat daya tarik lebih besar bagi para
peneliti sensor semikonduktor. 2.4.2. Sifat sensor kimia
Sensitifitas, yaitu ukuran seberapa sensitif sensor mengenali zat yang dideteksinya. Sensor yang baik akan mampu mendeteksi zat meskipun
jumlah zat tersebut sangat sedikit dibandingkan gas disekelilingnya. Selektifitas, yaitu sejauh mana sensor memiliki kemampuan menyeleksi
gas atau cairan yang ingin dideteksinya. Sifat ini tidak kalah penting dengan senitifitas mengingat gas atau cairan yang dideteksi tentunya
akan bercampur dengan zat lain yang ada disekelilingnya. Waktu respon dan waktu recovery, yaitu waktu yang dibutuhkan sensor
untuk mengenali zat yang dideteksinya. Semakin cepat waktu respon dan waktu recoveri maka semakin baik sensor tersebut.
Stabilitas dan daya tahan, yaitu sejauh mana sensor dapat secara konsisten memberikan besar sensitifitas yang sama untuk suatu gas,
serta seberapa lama sensor tersebut dapat terus digunakan. Keempat sifat sensor ini merupakan sifat yang senantiasa diidentifikasi oleh para
peneliti untuk mendapatkan sensor yang berkualitas baik.
10
Universitas Sumatera Utara
2.4.3 Dasar Teoritis Sensor Kimia
Struktur Kristal dari semikonduktor seperti SnO
2
mengandung elektron berlebihan dan saat sensor kontak dengan di udara, oksigen diserap secara kimia
pada permukaan dengan reaksi berikut : O
2
+ 2e 2O
- ad
Berikut gambar pelat sensor gas :
Gas
Reaksi dipermukaan dengan oksigen, gas oksigen menyerap elektron dari dari SnO
2
memiliki kelebihan elektron. Reaksi ini mengarah pada konduktivitas listrik yang diukur sebagai resistensi listrik yang tinggi.
Setelah kontak dengan gas , maka reaksi permukaan diperlihatkan dalam persamaan :
Gas + O
- ad
GasO + e Dalam hal ini, gas menyerap oksigen secara kimia dan teroksidasi. Gas
teroksidasi dapat bertindak sebagai zat pereduksi yang dirasakan dengan tipe sensor melalui reaksi diatas mengarah pada oksidasi dan reduksi yang melibatkan
transfer elektron. Reaksi Gas + O
- ad
GasO + e, apabila konsentrasi gas meningkat maka “O
- ad
” yang diadsorbsi semakin banyak. Elektron yang lepas dari permukaan
SiO
2
Elek. Au Elek. Au
S
nO
2
RuO
2
Elek. Au Elek. Au
Gambar 2.1 Pelat Tipis sensor
11
Universitas Sumatera Utara
lapisan SnO
2
meningkat mengakibatkan peningkatan konduktivitas listrik pada lapisan SnO
2
dan pengurangan resistensi listrik. Dalam hal ini, gas dapat dianggap sebagai donor elektron. Karena jumlah elektron yang dimiliki setiap gas tidak sama
maka pembacaan sensor kimia secara spesifik untuk setiap gas yang akan disensing
dengan konsentrasi tertentu. 2.5. Sensor gas semikonduktor
Sensor gas semikondutor adalah sejumlah komponen elektronik yang menggunakaan sifat-sifat materi semikonduktor, yaitu Silikon, Germanium dan
Gallium Arsenide. Alat-alat semikonduktor ini menggunakan konduksi elektronik dalam bentuk padat solid state, bukannya bentuk hampa vacuum state atau
bentuk gas gaseous state. Elemen sensing yang digunakan adalah material Tin oksida SnO
2
. Sensor ini mempunyai keunggulan harganya murah, bentuknya kecil, mudah dipindahkan portable, menggunakan arus listrik yang rendah dan
memiliki sensitifitas tinggi.
2.5.1 Cara Kerja Sensor Gas Semi konduktor
Bahan detector semi konduktor adalah metal oksida, khususnya SnO
2
. Didalam sensor arus listrik mengalir melewati daerah sambungan dari Kristal
SnO
2
. Ketika sensor kontak dengan udara oksigen dari udara diserap pada permukaan dengan menangkap electron, dengan persamaan:
O
2
+ 2e → 2O
- ads
Penyerapan oksigen menghalangi muatan untuk bergerak bebas yang dihitung sebagai resistensi listrik yang tinggi.
Gambar berikut menunjukkan model penghalang potensial antar butir Kristal mikro SnO
2
pada keadaan tanpa adanya gas yang terdeteksi.
12
Universitas Sumatera Utara
Keterangan: eVs = nilai energi penghalang permukaan
Jika sensor kontak dengan gas yang disensing maka gas tersebut akan bereaksi dengan oksigen yang terserap pada permukaan. Sehingga gas dapat
dioksidasi dan bertindak sebagai zat pereduksi dengan persamaan reaksi: G + O
- ads
→ GO
des
+ e Reaksi ini menghasilkan electron yang merupakan peningkatan
konduktivitas listrik lapisan SnO
2
, yaitu pengurangan resistansi listrik yang sebanding dengan konsentrasi gas. Dalam hal ini gas dianggap sebagai donor
electron.Makin tinggi konsentrasi gas maka resistensi sensor akan semakin turun.
Gambar 2.2 : gambar ketika sensor mendeteksi adanya gas
13
Universitas Sumatera Utara
Hubungan antar tahanan sensor dan konsentrasi gas pereduksi pada suatu rentang konsentrasi gas dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
Rs = A [C]
- α
, dengan : Rs
= tahanan
listrik sensor
A =
konstanta [C]
= konsentrasi
gas α
= gradient dari kurva Rs
2.6 Sensor Gas TGS 2201
Sensor ini adalah sebuah sensor kimia atau sensor gas yang mempunyai nilai resistansi Rs yang akan berubah bila terkena emisi gas di udara. Sensor gas TGS
2201 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap gas CO, NO, NO
2
, H
2
dan senyawa hidrokarbon. Jika sensor tersebut mendeteksi keberadaan salah satu
komponen gas diudara, misalnya gas NO
2
dengan tingkat konsentrasi tertentu maka resistansi elektrik sensor tersebut akan bertambah. Sehingga tegangan yang
dihasilkan oleh output sensor akan semakin rendah. Selain itu, sensor juga mempunyai sebuah pemanas heater yang digunakan
untuk membersihkan ruangan sensor dari kontaminasi udara luar, agar sensor dapat bekerja kembali secara efektif. Secara umum bentuk dari sensor gas jenis TGS
dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut :
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Ilustrasi gambar komponen sensor TGS
Untuk mengukur karakteristik sensitivitas dari suatu gas, semua data diuji pada kondisi standar.
Sumbu Y axis menunjukkan rasio resistansi sensor R
s
R , dengan ketentuan :
R
s
= sensor perlawanan dari gas dengan berbagai konsentrasi R
= resistansi sensor dalam udara bersih Berikut ini dapat dilihat karakteristik sensitivitas sensor terhadap gas NO
2
15
Universitas Sumatera Utara
Gambar2.4 . Karakteristik Sensitifitas sensor 2.6.1 Pengukuran Dasar Sirkuit
Sensor memerlukan dua imput tegangan yaitu tegangan pemanas V
H
dan tegangan sirkuit V
C
tegangan pemanas V
H
diletakkan ke pemanas yang terintegrasi untuk menjaga elemen sensing pada suhu tertentu yang optimal untuk
sensing atau penginderaan. Tegangan sirkuit diaplikasikan untuk mengukur tegangan keluaran VRL1 dan VRL2 yang masing–masing disilangkan dengan RL1
dengan RL2. Masing–masing beban resistor dihubungkan secara seri dengan komponen–komponen yang berhubungan dengan sensing.
Umumnya sirkuit listrik dapat digunakan untuk kedua tegangan sirkuit dan tegangan pemanas guna pemenuhan kebutuhan listrik sensor. Beban nilai resistor
untuk mengoptimalkan nilai ambang alarm, untuk menjaga dissipasi daya dari semi
16
Universitas Sumatera Utara
konduktor dibawah 15 mW. Dissipasi daya tertinggi Ps ketika nilai dari RS adalah untuk RL pada penyerapan gas nilai daya dissipasi Ps dapat dihitung dengan
rumus. Ps =
RS VRL
Vc
2
.
Tahanan sensor dapat dihitung dengan rumus berikut :
Gambar sirkuit seonsornya dapat dilihat dibawah ini
Gambar 2.5 Sirkuit Sensor 2.7 Gastech Analizer Eurotron 6000
Gastech Analizer Eurotron 6000 merupakan sensor elektrokimia yang bekerja berdasarkan reaksi antar komponen sensor dengan analit yang berupa gas
dan menghasilkan signal elektrik yang setara dengan konsentrasi analit. Sensor Gastech Analizer Eurotron 6000 dapat menentukan konsentrasi gas NO
2
, O
2
, CO
2
, NO dan SO
2
. Sensor ini mempunyai kelebihan mudah dioperasikan dan merespon dengan cepat dapat menentukan konsentrasi gas dalam kurun waktu 50 detik, dan
mempunyai monitor display menunjukkan angka konsentrasi gas yang diukur.
17
Universitas Sumatera Utara
Akurasi sensor menetukan konsentrasi gas NO
2
dengan rentang 0 sampai dengan 1000 ppm.
Gambar 2.6 Sensor Gastec Analizer Eurotron 6000 2.8 Mikrokontroler AT Mega – 8535.
Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus
dengan cara khusus. Alat ini dihubungkan ke rangkaian sensor untuk mengambil data yang akan dikirim ke komputer. htpp:Mikrokontroler.Tripod.com6805 bab
1.html. Mikrokonroler adalah versi mini atau mikro dari sebuah komputer karena
mengandung beberapa peripheral yang langsung dimanfaatkan. Misalnya port paralel, port serial, komparator, konversi digital ke analog DAC, konversi analog
ke digital dan sebagainya. Secara teknis mikrokontroler ada 2 jenis yaitu : Mikrokontroler berbasis RISC Reduced Instruction Set Computer.
Mikrokontroler berbasis CISC Compleks Instruction Set Computer. Untuk penelitian ini digunakan mikrokontroler jenis AT Mega-8535 yang
berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. Dengan ukuran memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM sebesar 512 byte. Dilengkapi dengan
fitur ADC internal dengan resolusi 8 bit sebanyak 8 channel, port komunitas serial
18
Universitas Sumatera Utara
USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. Mikrokotroler AT Mega-8535 memiliki mode sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik.
Gambar mikrokontroler ATMega 8535 dapat dilihat di bawah ini :
Gambar 2.7. Alat Mikrokontoler ATMega 8535
19
Universitas Sumatera Utara
BAB III METODE PENELITIAN
3.1. Alat - alat
Alat-alat yang digunakan - Sensor gas TGS 2201 keluaran Figaro
- Mokrokontroler ATMega 8535
- Gastach Analiger Merek Eurotron 6000
- Laptop Komputer - Tabung wadah 5250 ml
- Siring - Slang plastik
3.2. Bahan
Bahan-bahan yang digunakan - Timbal II Nitrat PbNO
3 2
- Gas Nitrogen dioksida NO
2
3.3. Prosedur Penelitian 3.3.1
. Pembuatan gas NO
2
Gas NO
2
dibuat dengan cara pemanasan Timbal II nitrat PbNO32 dengan persamaan reaksi : 2 PbNO
3 2
→ 2 PbO + 4 NO
2
+ O
2
Gas NO
2
yang dihasilkan ditampung dalam tabung kemudian konsentrasinya diukur dengan sensor Gastech Analizer Eurotron 6000.
3.3.2 Penentuan konsentrasi gas NO
2
Penentuan konsentrasi gas NO
2
menggunakan sensor Gastach Analizer Eurotron 6000 dengan langkah-langkah sebagai berikut :
a. Menggunakan sensor gas Gastach Analiger - Alat di on kan
20
Universitas Sumatera Utara