Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Keramik Konduktif Berbasis Komposit CuO-ZnO Untuk Pengolahan Air Limbah Menggunakan Metode Elektrokoagulasi
16
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
A
Judul
Contoh Perhitungan
Halaman
89
Universitas Sumatera Utara
17
B
Data Hasil Penelitian
94
C
Baku Mutu Limbah Cair
114
D
Dokumentasi Penelitian
115
E
Hasil Analisa XRD dengan Software Match
117
F
Difraktogram Standar JCPDS
128
BAB I
PENDAHULUAN
Universitas Sumatera Utara
18
1.1 Latar Belakang
Sebagian besar kerak bumi terdiri atas oksida. Oksida terbentuk ketika unsur-unsur
dioksidasi oleh oksigen di udara. Bahkan materi yang dianggap sebagai unsur murni
pun seringkali mengandung selubung oksida. Misalnya CuO yang merupakan bahan
material keramik yang sering dimanfaatkan manusia dalam kehidupan sehari - hari.
Salah satu penggunaan bahan Oksida tembaga misalnya digunakan sebagai pigmen
pada keramik untuk menghasilkan warna biru, merah, dan hijau (dan kadang-kadang
abu-abu atau hitam) glasir.
Di samping itu telah banyak inovasi di bidang material salah satunya adalah
material komposit. Material komposit adalah perpaduan dari dua atau lebih bahan
material yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik material penyusun untuk
menghasilkan material baru dengan sifat fisik, mekanik dan listrik yang lebih baik
dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan
antara masing – masing material penyusun. Salah satu dari beberapa jenis material
komposit yang sering digunakan berdasarkan jenis matriksnya adalah komposit
matriks keramik (KMK). KMK merupakan material yang terdiri dari dua fasa dengan
1 fasa berfungsi sebagai matriks dan 1 fasa sebagai filler , dimana matriksnya terbuat
dari keramik. KMK menjadi salah satu material alternatif yang dapat digunakan
karena dimensinya stabil bahkan lebih stabil dari pada logam, sangat tangguh,
mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus, unsur kimianya stabil pada
temperatur tinggi, tahan pada temperatur tinggi, kekuatan dan ketangguhan tinggi,
dan ketahanan korosi.
Universitas Sumatera Utara
19
Beberapa penelitian sebelumnya tentang keramik yang konduktif yaitu H.
Huang (2014) yang memanfaatkan keramik konduktif ZnO sebagai anoda untuk
baterai isi ulang.
Li Ji Le (2013) membuat keramik varistor berbasis ZnO didoping dengan
Nd2O3 dengan metode keramik konvensional dan menunjukkan sifat listrik yang baik.
Wiendartun (2013) memanfaatan komposit keramik CuO dengan keramik Fe2O3
untuk menghasilkan komposit keramik yang memiliki konduktivitas yang baik
sehingga dapat digunakan sebagai termistor.
Penelitian yang menggunakan keramik sebagai pengolahan limbah cair
laundry dilakukan Subriyer Nasir (2013) menggunakan material keramik berbasis
tanah liat dalam pengolahan limbah hasil proses laundry. Kelebihan material keramik
terletak pada stabilitas termalnya yang baik, memiliki ketahanan terhadap senyawa
kimia dan degradasi biologis ataupun mikroba, dan relatif mudah untuk dibersihkan
dengan cleaning agent.
Sedangkan
Pengolahan
air
juga
dilakukan
oleh
susilawati
(2011)
menggunakan proses elektrokoagulasi yang dilakukan dalam penjernihan air gambut
dengan elektroda tembaga (Cu) ternyata mendapatkan hasil yang efektif dari segi
waktu namun menimbulkan kendala karena plat tembaga (Cu) yang larut dalam air
melebihi dari standar baku mutu air minum sehingga hanya dapat digunakan sebagai
air bersih. Selain itu logam yang biasa digunakan pada proses elektrokoagulasi seperti
logam Al, Cu dan Fe memiliki beberapa kelemahan lain yaitu tidak dapat digunakan
untuk mengolah
air limbah yang mempunyai sifat elektrolit cukup tinggi
dikarenakan akan terjadi hubungan singkat antar elektroda dan batangan anoda yang
Universitas Sumatera Utara
20
mudah mengalami korosi dan pengikisan (reduksi) sehingga dapat mengurangi
kinerja dari plat logam tersebut sehingga harus selalu diganti.
Pada penelitian ini, penulis mencoba membuat suatu elektroda keramik
konduktif dari bahan komposit CuO dan ZnO. Dalam pembuatan elektroda keramik
konduktif ini, bahan yang digunakan sebagai matriks adalah Tembaga Oksida (CuO)
dengan penguatnya Seng Oksida (ZnO) dengan metode cetak tekan. Pertimbangan
pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan karena pada
serbuk CuO mengandung unsur logam Cu yang memiliki konduktivitas cukup baik
sebesar 6,0 x 107 (Ωm)-1 serta memiliki energi gap sebesar 1,2 - 1,9 eV. Disisi lain,
sebagai bahan pengikatnya adalah ZnO. ZnO adalah material yang fleksibel dan
berinteraksi dengan senyawa lain dan memiliki energi gab sebesar 3.3 eV.
Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk
mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan
dalam pembuatan keramik Oleh karena itu, ZnO merupakan bahan yang memiliki
sifat listrik.
Keramik konduktif ini yang nantinya dapat digunakan sebagai material
alternatif yang digunakan dalam pengolahan air misalnya air limbah.
Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
yang
dikarakterisasi sifat-sifat fisis, sifat mekanik, sifat listrik dan mikrostrukturnya serta
struktur kristalnya diharapkan dapat diaplikasikan sebagai elektroda. Sehingga
menjadi alternatif sebagai elektroda dalam pengolahan air limbah industri dengan
metode elektrokoagulasi sesuai dengan Peraturan Pemerintah Kep. Men LH no. kep51/MENLH/10/1995. Lampiran B. VI.
Universitas Sumatera Utara
21
1.2 Perumusan Masalah
1. Apakah komposit keramik CuO (Tembaga Oksida) dengan penguat ZnO
(Seng Oksida) dapat dibuat menjadi material elektroda keramik yang
konduktif?
2. Berapa komposisi optimum bahan dan tempratur sintering komposit CuO dan
ZnO pada pembuatan elektroda keramik konduktif sehingga dapat digunakan
sebagai elektroda dalam proses elektrokoagulasi?
3. Bagaimana sifat-sifat fisis, mekanik, listrik dan mikrostruktur serta struktur
kristal dari elektroda keramik konduktif yang berbasis komposit CuO dan
ZnO?
4. Apakah air limbah industri hasil pengolahan dengan metode elektrokoagulasi
dengan meggunakan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO dan
ZnO dapat memenuhi standar berdasarkan standar kualitas air limbah
Peraturan Pemerintah Kep. Men LH no.kep-51/MENLH/10/1995.Lampiran B.
VI.
1.3 Batasan Masalah
1. CuO digunakan sebagai matriks dan ZnO yang digunakan sebagai filler
adalah serbuk yang dibeli di pasaran dengan kemurnian 99%
2. Metode yang digunakan dalam pembuatan elektroda keramik konduktif
berbasis komposit CuO-ZnO adalah metode cetak tekan.
Universitas Sumatera Utara
22
3. Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
menggunakan variasi komposisi CuO dan ZnO adalah 75%:25%; 80%:20%;
85%:15%; 90%:10% dan 95%:5%.
4. Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
menggunakan variasi suhu sintering adalah 800 oC, 900 oC dan 1000oC dengan
waktu tahan adalah 3 jam.
5. Pengujian yang dilakukan pada elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO
meliputi: densitas, porositas, kuat tekan, kekerasan,
konduktivitas listrik, energi gap, mikrostruktur dan struktur kristal.
6. Sampel air limbah industri diambil dari bak inlet PMKS PT.Serba Huta Jaya
Labuhan Batu Utara dan metode yang digunakan adalah metode diagonal
silang.
7. Pengujian parameter air limbah meliputi parameter uji (TSS, Minyak, pH,
COD, BOD, warna dan logam Cu) .
8. Pengujian kualitas air limbah dilakukan sebelum dan setelah pengolahan
dengan proses elektrokoagulasi dengan elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO.
1.4 Hipotesis
Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
memiliki
konduktivitas yang baik sehingga dapat digunakan sebagai elektroda pada proses
elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah.
Universitas Sumatera Utara
23
1.5 Tujuan Penelitian
1. Membuat elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO yang
digunakan sebagai elektroda dalam pengolahan air limbah industri dengan
metode elektrokoagulasi.
2. Untuk mengetahui variasi komposisi bahan dan suhu sintering CuO dan ZnO
yang optimum
pada pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO sehingga dapat digunakan sebagai elektroda dalam proses
elektrokoagulasi.
3. Untuk mengetahui sifat-sifat fisis, mekanik, listrik, mikrostruktur serta
struktur kristal dari elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO.
4. Mengaplikasikan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
pada pengolahan
limbah cair industri dengan metode elektro-koagulasi
sehingga menghasilkan
air limbah industri yang memenuhi standar
berdasarkan standar kualitas air limbah Peraturan Pemerintah Kep. Men LH
no. kep-51/MENLH/10/1995. Lampiran B. VI.
1.6 Manfaat Penelitian
Pada penelitian ini diharapkan nantinya memberikan manfaat bagi masyarakat dan
para peneliti seperti:
Universitas Sumatera Utara
24
1. Memberikan informasi bahwa komposit CuO dan ZnO dapat digunakan
sebagai elektroda keramik konduktif pada proses elektrokoagulasi untuk
pengolahan air limbah.
2. Mengembangkan ilmu pengetahuan di bidang material mengenai elektroda
keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO yang mampu mendukung
kemajuan industri.
3. Mengatasi masalah pencemaran lingkungan dari air limbah industri.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
A
Judul
Contoh Perhitungan
Halaman
89
Universitas Sumatera Utara
17
B
Data Hasil Penelitian
94
C
Baku Mutu Limbah Cair
114
D
Dokumentasi Penelitian
115
E
Hasil Analisa XRD dengan Software Match
117
F
Difraktogram Standar JCPDS
128
BAB I
PENDAHULUAN
Universitas Sumatera Utara
18
1.1 Latar Belakang
Sebagian besar kerak bumi terdiri atas oksida. Oksida terbentuk ketika unsur-unsur
dioksidasi oleh oksigen di udara. Bahkan materi yang dianggap sebagai unsur murni
pun seringkali mengandung selubung oksida. Misalnya CuO yang merupakan bahan
material keramik yang sering dimanfaatkan manusia dalam kehidupan sehari - hari.
Salah satu penggunaan bahan Oksida tembaga misalnya digunakan sebagai pigmen
pada keramik untuk menghasilkan warna biru, merah, dan hijau (dan kadang-kadang
abu-abu atau hitam) glasir.
Di samping itu telah banyak inovasi di bidang material salah satunya adalah
material komposit. Material komposit adalah perpaduan dari dua atau lebih bahan
material yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik material penyusun untuk
menghasilkan material baru dengan sifat fisik, mekanik dan listrik yang lebih baik
dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan
antara masing – masing material penyusun. Salah satu dari beberapa jenis material
komposit yang sering digunakan berdasarkan jenis matriksnya adalah komposit
matriks keramik (KMK). KMK merupakan material yang terdiri dari dua fasa dengan
1 fasa berfungsi sebagai matriks dan 1 fasa sebagai filler , dimana matriksnya terbuat
dari keramik. KMK menjadi salah satu material alternatif yang dapat digunakan
karena dimensinya stabil bahkan lebih stabil dari pada logam, sangat tangguh,
mempunyai karakteristik permukaan yang tahan aus, unsur kimianya stabil pada
temperatur tinggi, tahan pada temperatur tinggi, kekuatan dan ketangguhan tinggi,
dan ketahanan korosi.
Universitas Sumatera Utara
19
Beberapa penelitian sebelumnya tentang keramik yang konduktif yaitu H.
Huang (2014) yang memanfaatkan keramik konduktif ZnO sebagai anoda untuk
baterai isi ulang.
Li Ji Le (2013) membuat keramik varistor berbasis ZnO didoping dengan
Nd2O3 dengan metode keramik konvensional dan menunjukkan sifat listrik yang baik.
Wiendartun (2013) memanfaatan komposit keramik CuO dengan keramik Fe2O3
untuk menghasilkan komposit keramik yang memiliki konduktivitas yang baik
sehingga dapat digunakan sebagai termistor.
Penelitian yang menggunakan keramik sebagai pengolahan limbah cair
laundry dilakukan Subriyer Nasir (2013) menggunakan material keramik berbasis
tanah liat dalam pengolahan limbah hasil proses laundry. Kelebihan material keramik
terletak pada stabilitas termalnya yang baik, memiliki ketahanan terhadap senyawa
kimia dan degradasi biologis ataupun mikroba, dan relatif mudah untuk dibersihkan
dengan cleaning agent.
Sedangkan
Pengolahan
air
juga
dilakukan
oleh
susilawati
(2011)
menggunakan proses elektrokoagulasi yang dilakukan dalam penjernihan air gambut
dengan elektroda tembaga (Cu) ternyata mendapatkan hasil yang efektif dari segi
waktu namun menimbulkan kendala karena plat tembaga (Cu) yang larut dalam air
melebihi dari standar baku mutu air minum sehingga hanya dapat digunakan sebagai
air bersih. Selain itu logam yang biasa digunakan pada proses elektrokoagulasi seperti
logam Al, Cu dan Fe memiliki beberapa kelemahan lain yaitu tidak dapat digunakan
untuk mengolah
air limbah yang mempunyai sifat elektrolit cukup tinggi
dikarenakan akan terjadi hubungan singkat antar elektroda dan batangan anoda yang
Universitas Sumatera Utara
20
mudah mengalami korosi dan pengikisan (reduksi) sehingga dapat mengurangi
kinerja dari plat logam tersebut sehingga harus selalu diganti.
Pada penelitian ini, penulis mencoba membuat suatu elektroda keramik
konduktif dari bahan komposit CuO dan ZnO. Dalam pembuatan elektroda keramik
konduktif ini, bahan yang digunakan sebagai matriks adalah Tembaga Oksida (CuO)
dengan penguatnya Seng Oksida (ZnO) dengan metode cetak tekan. Pertimbangan
pemakaian bahan Tembaga Oksida (CuO) sebagai matriks dikarenakan karena pada
serbuk CuO mengandung unsur logam Cu yang memiliki konduktivitas cukup baik
sebesar 6,0 x 107 (Ωm)-1 serta memiliki energi gap sebesar 1,2 - 1,9 eV. Disisi lain,
sebagai bahan pengikatnya adalah ZnO. ZnO adalah material yang fleksibel dan
berinteraksi dengan senyawa lain dan memiliki energi gab sebesar 3.3 eV.
Keuntungan yang terkait dengan energi gap yang besar adalah kemampuan untuk
mempertahankan medan listrik yang besar dan suhu tinggi sehingga sering digunakan
dalam pembuatan keramik Oleh karena itu, ZnO merupakan bahan yang memiliki
sifat listrik.
Keramik konduktif ini yang nantinya dapat digunakan sebagai material
alternatif yang digunakan dalam pengolahan air misalnya air limbah.
Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
yang
dikarakterisasi sifat-sifat fisis, sifat mekanik, sifat listrik dan mikrostrukturnya serta
struktur kristalnya diharapkan dapat diaplikasikan sebagai elektroda. Sehingga
menjadi alternatif sebagai elektroda dalam pengolahan air limbah industri dengan
metode elektrokoagulasi sesuai dengan Peraturan Pemerintah Kep. Men LH no. kep51/MENLH/10/1995. Lampiran B. VI.
Universitas Sumatera Utara
21
1.2 Perumusan Masalah
1. Apakah komposit keramik CuO (Tembaga Oksida) dengan penguat ZnO
(Seng Oksida) dapat dibuat menjadi material elektroda keramik yang
konduktif?
2. Berapa komposisi optimum bahan dan tempratur sintering komposit CuO dan
ZnO pada pembuatan elektroda keramik konduktif sehingga dapat digunakan
sebagai elektroda dalam proses elektrokoagulasi?
3. Bagaimana sifat-sifat fisis, mekanik, listrik dan mikrostruktur serta struktur
kristal dari elektroda keramik konduktif yang berbasis komposit CuO dan
ZnO?
4. Apakah air limbah industri hasil pengolahan dengan metode elektrokoagulasi
dengan meggunakan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO dan
ZnO dapat memenuhi standar berdasarkan standar kualitas air limbah
Peraturan Pemerintah Kep. Men LH no.kep-51/MENLH/10/1995.Lampiran B.
VI.
1.3 Batasan Masalah
1. CuO digunakan sebagai matriks dan ZnO yang digunakan sebagai filler
adalah serbuk yang dibeli di pasaran dengan kemurnian 99%
2. Metode yang digunakan dalam pembuatan elektroda keramik konduktif
berbasis komposit CuO-ZnO adalah metode cetak tekan.
Universitas Sumatera Utara
22
3. Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
menggunakan variasi komposisi CuO dan ZnO adalah 75%:25%; 80%:20%;
85%:15%; 90%:10% dan 95%:5%.
4. Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
menggunakan variasi suhu sintering adalah 800 oC, 900 oC dan 1000oC dengan
waktu tahan adalah 3 jam.
5. Pengujian yang dilakukan pada elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO
meliputi: densitas, porositas, kuat tekan, kekerasan,
konduktivitas listrik, energi gap, mikrostruktur dan struktur kristal.
6. Sampel air limbah industri diambil dari bak inlet PMKS PT.Serba Huta Jaya
Labuhan Batu Utara dan metode yang digunakan adalah metode diagonal
silang.
7. Pengujian parameter air limbah meliputi parameter uji (TSS, Minyak, pH,
COD, BOD, warna dan logam Cu) .
8. Pengujian kualitas air limbah dilakukan sebelum dan setelah pengolahan
dengan proses elektrokoagulasi dengan elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO.
1.4 Hipotesis
Pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
memiliki
konduktivitas yang baik sehingga dapat digunakan sebagai elektroda pada proses
elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah.
Universitas Sumatera Utara
23
1.5 Tujuan Penelitian
1. Membuat elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO yang
digunakan sebagai elektroda dalam pengolahan air limbah industri dengan
metode elektrokoagulasi.
2. Untuk mengetahui variasi komposisi bahan dan suhu sintering CuO dan ZnO
yang optimum
pada pembuatan elektroda keramik konduktif berbasis
komposit CuO-ZnO sehingga dapat digunakan sebagai elektroda dalam proses
elektrokoagulasi.
3. Untuk mengetahui sifat-sifat fisis, mekanik, listrik, mikrostruktur serta
struktur kristal dari elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO.
4. Mengaplikasikan elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
pada pengolahan
limbah cair industri dengan metode elektro-koagulasi
sehingga menghasilkan
air limbah industri yang memenuhi standar
berdasarkan standar kualitas air limbah Peraturan Pemerintah Kep. Men LH
no. kep-51/MENLH/10/1995. Lampiran B. VI.
1.6 Manfaat Penelitian
Pada penelitian ini diharapkan nantinya memberikan manfaat bagi masyarakat dan
para peneliti seperti:
Universitas Sumatera Utara
24
1. Memberikan informasi bahwa komposit CuO dan ZnO dapat digunakan
sebagai elektroda keramik konduktif pada proses elektrokoagulasi untuk
pengolahan air limbah.
2. Mengembangkan ilmu pengetahuan di bidang material mengenai elektroda
keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO yang mampu mendukung
kemajuan industri.
3. Mengatasi masalah pencemaran lingkungan dari air limbah industri.
Universitas Sumatera Utara