Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Keramik Konduktif Berbasis Komposit CuO-ZnO Untuk Pengolahan Air Limbah Menggunakan Metode Elektrokoagulasi
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
dalam Program Studi Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
1
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis
: Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Keramik
Konduktif Berbasis Komposit CuO-ZnO Untuk
Pengolahan Air Limbah Menggunakan Metode
Elektrokoagulasi
: Moraida Hasanah
Nama Mahasiswa
Nomor Induk Mahasiswa :
127026016
Program Studi
: Magister Ilmu Fisika
Fakultas
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Susilawati, M.Si
Ketua
Ketua Program Studi,
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Nip. 195507061981021002
Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc
Anggota
Dekan FMIPA USU,
Dr. Sutarman, M.Sc
Nip. 19631026199103100
Universitas Sumatera Utara
2
Tanggal lulus : 29 Januari 2015
Telah diuji pada
Tanggal : 29 Januari 2015
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Susilawati, M.Si
Anggota
: 1. Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc
.. 2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc
3. Prof. M. Syukur, MS
4. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Universitas Sumatera Utara
3
PERNYATAAN ORISINALITAS
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK
KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil
kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumber dengan benar
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
NIM. 127026016
Universitas Sumatera Utara
4
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai civitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan
di bawah ini:
Nama
NIM
Program Studi
Jenis Karya Ilmiah
: Moraida Hasanah
: 127026016
: Magister Ilmu Fisika
: Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberi kepada
Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive
Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK KONDUKTIF
BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH
MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak bebas royalti Noneksklusif ini, Universitas Sumatera Utara Berhak Menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasi tesis
saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantukan nama saya sebagai
penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
Universitas Sumatera Utara
5
KATA PENGANTAR
Pertama – tama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT Tuhan
Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga tesis ini dapat
diselesaikan. Tesis ini merupakan tugas akhir penulis pada Program Studi Ilmu Fisika
Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Medan.
Dengan selesainya tesis ini, perkenankanlah penulis mengucapkan terima
kasih yang sebesar – besarnya kepada :
Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu,
M.Sc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk
mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister.
Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Sutarman,
M.Sc, atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister pada Program
Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.
Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika, Bapak Dr. Nasruddin
MN,M.Eng,Sc, Sekretaris Program Studi Ilmu Fisika, Dr. Anwar Dharma Sembiring,
MS beserta seluruh Staf Pengajar pada Program Studi Magister Ilmu Fisika Program
Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.
Terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan setinggi – tingginya penulis
ucapkan kepada:
1. Ibu Dr. Susilawati, M.Si selaku Pembimbing Utama dan Bapak Dr. Tulus Ikhsan
Nasution, M.Sc selaku Pembimbing Lapangan yang dengan penuh kesabaran
meluangkan waktu untuk menuntun dan membimbing penulis hingga selesainya
penelitian ini.
2. Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc, Bapak Prof. H. M. Syukur, MS dan
Bapak Dr. Nasruddin MN,M.Eng,Sc, selaku Dewan Penguji dan Penilai Tesis
atas kesediaan mereka untuk menguji dan menilai isi tesis penulis.
3. Kepala Laboratorium Material Test PTKI Medan beserta staff yang telah banyak
membantu dalam pembuatan sampel.
4. Ibunda tercinta Hj. Rasmawati Tagor, S.Pd dan Ayahanda tercinta H. Makkun
Hasugian, S.Sos atas segala dukungan, motivasi dan pengorbanan kalian baik
berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini
dengan baik.
5. Suami tercinta Khairul Affandi, S.Kom yang telah banyak membantu dan
memberikan motivasi serta pengorbanan berupa moril maupun materil kepada
penulis sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
Universitas Sumatera Utara
6
6. Adik- adik tersayang Nova Midayanti, A,Md, Muchlis Raja Uhum serta Ilham
Aliakbar serta seluruh keluarga, terimakasih atas segala dukungan, motivasi dan
pengorbanan kalian baik berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat
menyelesaikan tesis ini dengan baik.
Secara khusus penulis juga ini menyampaikan terimakasih yang tak terhingga
kepada Junior Ikhwanuddin yang telah bekerja sama dengan penulis di lapangan.
Staff dan para dosen STIE IBMI Medan, Asisten Lab.Fisika Dasar LIDA USU
(Khairuddin, Bambang, Fauzi, Zikri dan masih banyak lagi), serta teman sejahwat
(Oki, Melly, Delo, Adi, Eka, Aster, Sutorono dan masih banyak lagi) atas segala
bantuan, dorongan, dukungan dan pengorbanan baik berupa moril dan materil.
Penulis menyadari bahwa tesis ini tidak mungkin terlepas dari kesalahan yang
ada di luar kemampuan penulis. Oleh sebab itu penulis dengan senang hati akan
menerima kritis dan saran yang membangun demi kesempurnaannya.
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
Universitas Sumatera Utara
7
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK
KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
ABSTRAK
Telah dibuat elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO dengan teknik
konvensional dari serbuk CuO sebagai matriks dan ZnO sebagai filler dengan variasi
komposisi CuO:ZnO 75%:25%, 80%:20%, 85%:15%, 90%:10% dan 95%:5%.
Pembuatan sampel dilakukan tiga tahap. Tahap pertama serbuk dicampur sampai
homogen dengan metode pencampuran kering. Tahap kedua CuO-ZnO dicetak
dengan tekanan 300 MPa ditahan selama 10 menit. Tahap ketiga CuO-ZnO berbentuk
pellet dibakar dengan perlakuan suhu 800oC, 900oC dan 1000oC serta ditahan selama
3 jam. Masing-masing sampel yang telah dibakar dikarakterisasi yang meliputi : sifat
fisis, sifat mekanik, sifat listrik dan struktur kirstal serta mikrostruktur. Hasil
menunjukkan bahwa komposisi CuO:ZnO yang optimum yaitu 95%:5% dengan
perlakuan suhu 1000oC memiliki nilai densitas tertinggi sebesar 9.205gram/cm3,
porositas sebesar 12.1%, kuat tekan 218.799 MPa, kekerasan 1816.920 MPa,
konduktivitas listrik 16,989 S/m, energi gap sebesar 4.07 eV. Dari hasil pengujian
XRD komposit CuO-ZnO memiliki diameter kristal untuk CuO sebesar 52.6237 nm
memiliki struktur kristal monoklinik serta ZnO memiliki ukuran (diameter) kristal
sebesar 53.709 nm dan hasil pengujian SEM juga menunjukkan bahwa struktur
permukaan yang paling baik juga diperoleh dari komposisi CuO:ZnO yaitu 95:5%
dengan suhu sintering 10000C. Pada penelitian ini juga telah dilakukan proses
pengolahan air limbah kelapa sawit dengan metode elektrokoagulasi dengan
menggunakan elektroda yang memiliki sifat fisis, mekanik, listrik serta struktur
kristal dan mikrostrukturnya. Proses elektrokoagulasi dilakukan dalam wadah
akuarium dengan ukuran 5cm x 10 cm x 10 cm dan waktu yang dibutuhkan adalah 90
menit. Dari hasil diperoleh bahwa terjadi penurunan untuk parameter warna sebanyak
89.29 %, TSS sebanyak 71.22%; BOD sebanyak 87.56%; COD sebanyak 87.173%
serta minyak dan lemak sebanyak 54.54%. Sedangkan pH dari 4.3 menjadi 7.4 dan
untuk kandungan logam Cu yang terlarut pada air limbah dari 0.05424 menjadi
0.07188. Berdasarkan data yang diperoleh bahwa air limbah hasil pengolahan dengan
proses elektrokoagulasi sudah mencapai standar.
Kata Kunci : Tembaga Oksida (CuO), Seng Oksida (ZnO), Elektroda Keramik
Konduktif, Karakterisasi, Elektrokoagulasi
Universitas Sumatera Utara
8
PREPARATION AND CHARACTERIZATION CERAMIC ELECTRODE BASED
CuO-ZnO COMPOSITE FOR WASTE TREATMENT USING
ELECTROCOAGULATION METHOD
ABSTRACT
Has been made conductive ceramic electrode based CuO-ZnO composites with
conventional techniques of CuO powder as a matrix and ZnO powder as a filler with
composition variation CuO: ZnO 75%: 25%, 80%: 20%, 85%: 15%, 90%: 10 % and
95%: 5%. Making the samples in three stages. The first step, the powder mixed until
homogeneous with a dry mixing method. The second step CuO-ZnO moulded with a
pressure 300 MPa for 10 minutes. The third step, CuO-ZnO in the shape of pellets
sintered with temperature 800oC, 900oC and 1000oC for holding time about 3 hours.
Each sample has been sintered was characterized such as: physical properties,
mechanical properties, electrical properties and crystal structure and microstructure.
The results show that the optimum composition of CuO: ZnO is 95%: 5% with
sintering temperature 1000oC had the highest density is 9.205gram / cm3, porosity
12.1%, compressive strength is 218 799 MPa, hardness strength is 1816,920 MPa,
electrical conductivity 16.989 S / m, band gap 4.07 eV. From the XRD result, the
composit CuO-ZnO had a crystal diameter of CuO is 52.6237 nm and had a
monoclinic crystal structure and ZnO had the size (diameter) of 53.709 nm crystals
and SEM test results also show that the most excellent surface structure was also
obtained from the composition CuO: ZnO is 95: 5% with sintering temperature
10000C. In this research also has been treatment process waste of palm with
electrocoagulation method using electrode that have physical properties, mechanical,
electrical and crystal structure and microstructure. Electrocoagulation process
performed on aquarium with measuring 5cm x 10 cm x 10 cm and the time needed for
for the process is 90 minutes. From the results obtained that there is a decrease of
color parameters is 89.29%, TSS is 71.22%; BOD is 87.56%; COD is 87 173% and
oils and is 54.54%. While pH from 4.3becoming 7.4 and for Cu metal content in the
waste from 0.07188 becoming 0.05424. Based on the data obtained that the waste
treatment by electrocoagulation process has reached a standard.
Keywords : Copper Oxide (CuO), Zinc Oxide (ZnO), Conductive Ceramic
Electrode, CharacterizationKarakterisasi, Electrocoagulation
Universitas Sumatera Utara
9
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
I
ABSTRAK
iii
ABSTRACT
iv
DAFTAR ISI
v
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
x
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Perumusan Masalah
4
1.3 Batasan Masalah
4
1.4 Hipotesis
5
1.5 Tujuan Penelitian
6
1.6 Manfaat Penelitian
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Material Keramik
8
2.2
Material Komposit
8
2.2.1 Keramik Matriks Komposit
14
2.2.2 Mekanisme Ketangguhan pada KMK ( Keramik Matriks
15
Komposit)
2.2.3 KMK (Keramik Matriks Komposit) Diperkuat dengan
17
Universitas Sumatera Utara
10
Partikulat
2.2.4 Pembuatan KMK (Keramik Matriks Komposit)
19
2.2.5 Ikatan Antar Muka
20
2.2.6 Aplikasi KMK Sebagai Elektroda
21
2.2.7 Material Penyusun Komposit
23
2.2.7.1 CuO (Copper II Oxide)
23
2.2.7.2 Material ZnO
24
2.2.8 Karakteristik Keramik Matriks Komposit
27
2.2.8.1 Karakteristik Sifat Fisis
27
a. Densitas
27
b.Porositas
27
2.2.8.2 Karakteristik Sifat Mekanik
28
a.Kuat Tekan
28
b.Kekerasan
28
2.2.8.3 Karakteristik Sifat Listrik
29
a.Konduktivitas Listrik
29
b.Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometer
30
UV-Visible
2.3
2.2.8.4 Karakteristik XRD (X-Ray Diffraction)
32
2.2.8.5 Karakteristik SEM (Scanning Electron Microscopy)
32
Air
33
2.3.1 Pengertian Air
33
2.3.2 Limbah Industri
33
2.3.4 Air Limbah Industri Kelapa Sawit
34
2.4
Proses Elektrokoagulasi
2.4.1 Mekanisme Proses Elektrokoagulasi
2.5
Plat Elektroda
35
36
39
2.5.1 Bahan dan Struktur Elektroda
39
2.5.2 Reaksi Pada Elektroda
40
Universitas Sumatera Utara
11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian
43
3.2 Bahan dan Peralatan
43
3.2.1 Bahan
43
3.2.1.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO
43
3.2.2 Peralatan
44
3.2.2.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO
44
3.2.2.2 Proses Pengolahan Air Limbah
46
3.3 Pengambilan Sampel Air
47
3.4 Diagram Alir Penelitian
48
3.4.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO
48
3.4.2 Proses Pengolahan Air Limbah
49
3.5 Prosedur Penelitian
50
3.5.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO
3.5.2 Proses Pengolahan Air Limbah
50
51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakterisasi Sifat Fisis
53
4.1.1 Densitas
53
4.1.2 Porositas
55
4.2 Karakterisasi Sifat Mekanik
58
4.2.1 Kuat Tekan
58
4.2.2 Kekerasan
60
4.3 Karakterisasi Sifat Listrik
63
4.3.1 Konduktivitas Listrik
63
Universitas Sumatera Utara
12
4.3.2 Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometri UV-Visible
65
4.4 Karakterisasi Struktur Mikro
67
4.5 Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction)
69
4.6 Proses Elektrokoagulasi Air Limbah dengan Elektroda Keramik
75
Konduktif
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
79
80
81
84
Universitas Sumatera Utara
13
DAFTAR TABEL
No.
Judul
Halaman
2.1
Kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks
13
2.2
Aplikasi otensial untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat
19
2.3
Teknik densifikasi untuk komposit matriks keramik
20
2.4
Konduktivitas listrik berbagai logam dan paduannya pada suhu
23
kamar
2.5
Kelebihan dan kekurangan elektroda plat logam dengan
24
elektroda komposit matrik keramik
2.6
Karakteristik CuO (Copper Oxide)
25
2.7
Karakteristik ZnO (Zinc Oxide)
28
2.8
Kualitas limbah cair segar pabrik kelapa sawit
37
4.1
Data hasil pengukuran densitas elektroda keramik konduktif
56
berbasis komposit CuO-ZnO
4.2
Data hasil pengukuran porositas elektroda keramik konduktif
59
berbasis komposit CuO-ZnO
4.3
Data hasil pengukuran kuat tekan elektroda keramik konduktif
62
berbasis komposit CuO-ZnO Data Hasil
4.4
Data hasil pengukuran kekerasan elektroda keramik konduktif
64
berbasis komposit CuO-ZnO
4.5
Data hasil pengukuran konduktivitas listrik elektroda keramik
67
konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
4.6
Puncak tertinggi hasil pola difraksi komposit CuO-ZnO
75
4.7
Orientasi bidang kristal CuO dan ZnO pada pola difraksi sampel
77
Universitas Sumatera Utara
14
komposit CuO-ZnO
4.8
Ukuran diameter kristal Cuo dan ZnO pada komposit CuO-ZnO
78
4.9
Hasil pengukuran parameter pH untuk beberapa kali pemakaian
81
elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO pada
proses elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah
4.10
Karakteristik air limbah kelapa sawit sebelum dan sesudah
82
diolah dengan metode elektrokoagulasi dengan elektroda
keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
DAFTAR GAMBAR
No.
Judul
Halaman
2.1
Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya
14
2.2
Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi
16
2.3
Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat adanya
17
tegangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal
2.4
Grafik hubungan stress-strain untuk KMK yang diperkuat
18
dengan partikulat
2.5
Struktur kristal material CuO
25
2.6
Struktur kristal material ZnO
27
2.7
Gambar proses elektrokoagulasi
37
Universitas Sumatera Utara
15
2.8
Gambar mekanisme elektrokoagulasi
39
3.1
Diagram alir pembuatan dan karakteristik elektroda keramik
51
konduktif CuO-ZnO
3.2
Diagram alir proses pengolahan air limbah
52
4.1
Grafik hubungan antara densitas terhadap perubahan variasi
57
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.2
Grafik hubungan antara porositas terhadap perubahan variasi
60
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.3
Grafik hubungan antara kuat tekan terhadap perubahan
62
variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi
suhu sintering
4.4
Grafik hubungan antara kekerasan terhadap perubahan variasi
65
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.5
Grafik hubungan antara konduktivitas listrik dengan variasi
67
komposisi dari beberapa perlakuan suhu pembakaran
4.6
Grafik
hubungan
antara
absorbansi
dengan
panjang
69
gelombang
4.7
Hasil pengujian SEM sampel elektroda keramik konduktif
71
4.8
Pola difraksi (XRD) sampel CuO 100% pada tempratur
73
o
sintering 1000 C
4.9
Pola difraksi (XRD) sampel komposit CuO:ZnO komposisi
73
75%:25% pada temperatur sintering 800oC
4.10
Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 85%:15%
74
temperatur sintering 900oC
4.11
Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 95%:5%
74
pada temperatur sintering 1000oC
Universitas Sumatera Utara
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA
KERAMIK KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO
UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH MENGGUNAKAN
METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains
dalam Program Studi Ilmu Fisika pada Program Pascasarjana Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Oleh
MORAIDA HASANAH
127026016/FIS
PROGRAM PASCASARJANA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
Universitas Sumatera Utara
1
PENGESAHAN TESIS
Judul Tesis
: Pembuatan dan Karakterisasi Elektroda Keramik
Konduktif Berbasis Komposit CuO-ZnO Untuk
Pengolahan Air Limbah Menggunakan Metode
Elektrokoagulasi
: Moraida Hasanah
Nama Mahasiswa
Nomor Induk Mahasiswa :
127026016
Program Studi
: Magister Ilmu Fisika
Fakultas
: Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sumatera Utara
Menyetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Susilawati, M.Si
Ketua
Ketua Program Studi,
Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Nip. 195507061981021002
Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc
Anggota
Dekan FMIPA USU,
Dr. Sutarman, M.Sc
Nip. 19631026199103100
Universitas Sumatera Utara
2
Tanggal lulus : 29 Januari 2015
Telah diuji pada
Tanggal : 29 Januari 2015
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua
: Dr. Susilawati, M.Si
Anggota
: 1. Dr. Tulus Ikhsan Nasution, M.Sc
.. 2. Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc
3. Prof. M. Syukur, MS
4. Dr. Nasruddin MN, M.Eng.Sc
Universitas Sumatera Utara
3
PERNYATAAN ORISINALITAS
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK
KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
TESIS
Dengan ini saya menyatakan bahwa saya mengakui semua karya tesis ini adalah hasil
kerja saya sendiri kecuali kutipan dan ringkasan yang tiap satunya telah dijelaskan
sumber dengan benar
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
NIM. 127026016
Universitas Sumatera Utara
4
PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH
UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai civitas akademika Universitas Sumatera Utara, saya yang bertanda tangan
di bawah ini:
Nama
NIM
Program Studi
Jenis Karya Ilmiah
: Moraida Hasanah
: 127026016
: Magister Ilmu Fisika
: Tesis
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberi kepada
Universitas Sumatera Utara Hak Bebas Royalti Non-Eksklusif (Non-Exclusive
Royalty Free Right) atas tesis saya yang berjudul:
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK KONDUKTIF
BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH
MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak bebas royalti Noneksklusif ini, Universitas Sumatera Utara Berhak Menyimpan, mengalih media,
memformat, mengelola dalam bentuk data-base, merawat dan mempublikasi tesis
saya tanpa meminta izin dari saya selama tetap mencantukan nama saya sebagai
penulis dan sebagai pemegang dan atau sebagai pemilik hak cipta
Demikian pernyataan ini dibuat dengan sebenarnya.
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
Universitas Sumatera Utara
5
KATA PENGANTAR
Pertama – tama penulis panjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT Tuhan
Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga tesis ini dapat
diselesaikan. Tesis ini merupakan tugas akhir penulis pada Program Studi Ilmu Fisika
Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara
Medan.
Dengan selesainya tesis ini, perkenankanlah penulis mengucapkan terima
kasih yang sebesar – besarnya kepada :
Rektor Universitas Sumatera Utara, Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu,
M.Sc (CTM), Sp. A(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk
mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister.
Dekan Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara, Bapak Dr. Sutarman,
M.Sc, atas kesempatan menjadi mahasiswa Program Magister pada Program
Pascasarjana FMIPA Universitas Sumatera Utara.
Ketua Program Studi Magister Ilmu Fisika, Bapak Dr. Nasruddin
MN,M.Eng,Sc, Sekretaris Program Studi Ilmu Fisika, Dr. Anwar Dharma Sembiring,
MS beserta seluruh Staf Pengajar pada Program Studi Magister Ilmu Fisika Program
Pascasarjana Fakultas MIPA Universitas Sumatera Utara.
Terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan setinggi – tingginya penulis
ucapkan kepada:
1. Ibu Dr. Susilawati, M.Si selaku Pembimbing Utama dan Bapak Dr. Tulus Ikhsan
Nasution, M.Sc selaku Pembimbing Lapangan yang dengan penuh kesabaran
meluangkan waktu untuk menuntun dan membimbing penulis hingga selesainya
penelitian ini.
2. Bapak Prof. Dr. Eddy Marlianto, M.Sc, Bapak Prof. H. M. Syukur, MS dan
Bapak Dr. Nasruddin MN,M.Eng,Sc, selaku Dewan Penguji dan Penilai Tesis
atas kesediaan mereka untuk menguji dan menilai isi tesis penulis.
3. Kepala Laboratorium Material Test PTKI Medan beserta staff yang telah banyak
membantu dalam pembuatan sampel.
4. Ibunda tercinta Hj. Rasmawati Tagor, S.Pd dan Ayahanda tercinta H. Makkun
Hasugian, S.Sos atas segala dukungan, motivasi dan pengorbanan kalian baik
berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini
dengan baik.
5. Suami tercinta Khairul Affandi, S.Kom yang telah banyak membantu dan
memberikan motivasi serta pengorbanan berupa moril maupun materil kepada
penulis sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
Universitas Sumatera Utara
6
6. Adik- adik tersayang Nova Midayanti, A,Md, Muchlis Raja Uhum serta Ilham
Aliakbar serta seluruh keluarga, terimakasih atas segala dukungan, motivasi dan
pengorbanan kalian baik berupa moril maupun materil sehingga penulis dapat
menyelesaikan tesis ini dengan baik.
Secara khusus penulis juga ini menyampaikan terimakasih yang tak terhingga
kepada Junior Ikhwanuddin yang telah bekerja sama dengan penulis di lapangan.
Staff dan para dosen STIE IBMI Medan, Asisten Lab.Fisika Dasar LIDA USU
(Khairuddin, Bambang, Fauzi, Zikri dan masih banyak lagi), serta teman sejahwat
(Oki, Melly, Delo, Adi, Eka, Aster, Sutorono dan masih banyak lagi) atas segala
bantuan, dorongan, dukungan dan pengorbanan baik berupa moril dan materil.
Penulis menyadari bahwa tesis ini tidak mungkin terlepas dari kesalahan yang
ada di luar kemampuan penulis. Oleh sebab itu penulis dengan senang hati akan
menerima kritis dan saran yang membangun demi kesempurnaannya.
Medan, 29 Januari 2015
Moraida Hasanah
Universitas Sumatera Utara
7
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ELEKTRODA KERAMIK
KONDUKTIF BERBASIS KOMPOSIT CuO-ZnO UNTUK PENGOLAHAN
AIR LIMBAH MENGGUNAKAN METODE ELEKTROKOAGULASI
ABSTRAK
Telah dibuat elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO dengan teknik
konvensional dari serbuk CuO sebagai matriks dan ZnO sebagai filler dengan variasi
komposisi CuO:ZnO 75%:25%, 80%:20%, 85%:15%, 90%:10% dan 95%:5%.
Pembuatan sampel dilakukan tiga tahap. Tahap pertama serbuk dicampur sampai
homogen dengan metode pencampuran kering. Tahap kedua CuO-ZnO dicetak
dengan tekanan 300 MPa ditahan selama 10 menit. Tahap ketiga CuO-ZnO berbentuk
pellet dibakar dengan perlakuan suhu 800oC, 900oC dan 1000oC serta ditahan selama
3 jam. Masing-masing sampel yang telah dibakar dikarakterisasi yang meliputi : sifat
fisis, sifat mekanik, sifat listrik dan struktur kirstal serta mikrostruktur. Hasil
menunjukkan bahwa komposisi CuO:ZnO yang optimum yaitu 95%:5% dengan
perlakuan suhu 1000oC memiliki nilai densitas tertinggi sebesar 9.205gram/cm3,
porositas sebesar 12.1%, kuat tekan 218.799 MPa, kekerasan 1816.920 MPa,
konduktivitas listrik 16,989 S/m, energi gap sebesar 4.07 eV. Dari hasil pengujian
XRD komposit CuO-ZnO memiliki diameter kristal untuk CuO sebesar 52.6237 nm
memiliki struktur kristal monoklinik serta ZnO memiliki ukuran (diameter) kristal
sebesar 53.709 nm dan hasil pengujian SEM juga menunjukkan bahwa struktur
permukaan yang paling baik juga diperoleh dari komposisi CuO:ZnO yaitu 95:5%
dengan suhu sintering 10000C. Pada penelitian ini juga telah dilakukan proses
pengolahan air limbah kelapa sawit dengan metode elektrokoagulasi dengan
menggunakan elektroda yang memiliki sifat fisis, mekanik, listrik serta struktur
kristal dan mikrostrukturnya. Proses elektrokoagulasi dilakukan dalam wadah
akuarium dengan ukuran 5cm x 10 cm x 10 cm dan waktu yang dibutuhkan adalah 90
menit. Dari hasil diperoleh bahwa terjadi penurunan untuk parameter warna sebanyak
89.29 %, TSS sebanyak 71.22%; BOD sebanyak 87.56%; COD sebanyak 87.173%
serta minyak dan lemak sebanyak 54.54%. Sedangkan pH dari 4.3 menjadi 7.4 dan
untuk kandungan logam Cu yang terlarut pada air limbah dari 0.05424 menjadi
0.07188. Berdasarkan data yang diperoleh bahwa air limbah hasil pengolahan dengan
proses elektrokoagulasi sudah mencapai standar.
Kata Kunci : Tembaga Oksida (CuO), Seng Oksida (ZnO), Elektroda Keramik
Konduktif, Karakterisasi, Elektrokoagulasi
Universitas Sumatera Utara
8
PREPARATION AND CHARACTERIZATION CERAMIC ELECTRODE BASED
CuO-ZnO COMPOSITE FOR WASTE TREATMENT USING
ELECTROCOAGULATION METHOD
ABSTRACT
Has been made conductive ceramic electrode based CuO-ZnO composites with
conventional techniques of CuO powder as a matrix and ZnO powder as a filler with
composition variation CuO: ZnO 75%: 25%, 80%: 20%, 85%: 15%, 90%: 10 % and
95%: 5%. Making the samples in three stages. The first step, the powder mixed until
homogeneous with a dry mixing method. The second step CuO-ZnO moulded with a
pressure 300 MPa for 10 minutes. The third step, CuO-ZnO in the shape of pellets
sintered with temperature 800oC, 900oC and 1000oC for holding time about 3 hours.
Each sample has been sintered was characterized such as: physical properties,
mechanical properties, electrical properties and crystal structure and microstructure.
The results show that the optimum composition of CuO: ZnO is 95%: 5% with
sintering temperature 1000oC had the highest density is 9.205gram / cm3, porosity
12.1%, compressive strength is 218 799 MPa, hardness strength is 1816,920 MPa,
electrical conductivity 16.989 S / m, band gap 4.07 eV. From the XRD result, the
composit CuO-ZnO had a crystal diameter of CuO is 52.6237 nm and had a
monoclinic crystal structure and ZnO had the size (diameter) of 53.709 nm crystals
and SEM test results also show that the most excellent surface structure was also
obtained from the composition CuO: ZnO is 95: 5% with sintering temperature
10000C. In this research also has been treatment process waste of palm with
electrocoagulation method using electrode that have physical properties, mechanical,
electrical and crystal structure and microstructure. Electrocoagulation process
performed on aquarium with measuring 5cm x 10 cm x 10 cm and the time needed for
for the process is 90 minutes. From the results obtained that there is a decrease of
color parameters is 89.29%, TSS is 71.22%; BOD is 87.56%; COD is 87 173% and
oils and is 54.54%. While pH from 4.3becoming 7.4 and for Cu metal content in the
waste from 0.07188 becoming 0.05424. Based on the data obtained that the waste
treatment by electrocoagulation process has reached a standard.
Keywords : Copper Oxide (CuO), Zinc Oxide (ZnO), Conductive Ceramic
Electrode, CharacterizationKarakterisasi, Electrocoagulation
Universitas Sumatera Utara
9
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR
I
ABSTRAK
iii
ABSTRACT
iv
DAFTAR ISI
v
DAFTAR TABEL
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
x
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Perumusan Masalah
4
1.3 Batasan Masalah
4
1.4 Hipotesis
5
1.5 Tujuan Penelitian
6
1.6 Manfaat Penelitian
6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Material Keramik
8
2.2
Material Komposit
8
2.2.1 Keramik Matriks Komposit
14
2.2.2 Mekanisme Ketangguhan pada KMK ( Keramik Matriks
15
Komposit)
2.2.3 KMK (Keramik Matriks Komposit) Diperkuat dengan
17
Universitas Sumatera Utara
10
Partikulat
2.2.4 Pembuatan KMK (Keramik Matriks Komposit)
19
2.2.5 Ikatan Antar Muka
20
2.2.6 Aplikasi KMK Sebagai Elektroda
21
2.2.7 Material Penyusun Komposit
23
2.2.7.1 CuO (Copper II Oxide)
23
2.2.7.2 Material ZnO
24
2.2.8 Karakteristik Keramik Matriks Komposit
27
2.2.8.1 Karakteristik Sifat Fisis
27
a. Densitas
27
b.Porositas
27
2.2.8.2 Karakteristik Sifat Mekanik
28
a.Kuat Tekan
28
b.Kekerasan
28
2.2.8.3 Karakteristik Sifat Listrik
29
a.Konduktivitas Listrik
29
b.Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometer
30
UV-Visible
2.3
2.2.8.4 Karakteristik XRD (X-Ray Diffraction)
32
2.2.8.5 Karakteristik SEM (Scanning Electron Microscopy)
32
Air
33
2.3.1 Pengertian Air
33
2.3.2 Limbah Industri
33
2.3.4 Air Limbah Industri Kelapa Sawit
34
2.4
Proses Elektrokoagulasi
2.4.1 Mekanisme Proses Elektrokoagulasi
2.5
Plat Elektroda
35
36
39
2.5.1 Bahan dan Struktur Elektroda
39
2.5.2 Reaksi Pada Elektroda
40
Universitas Sumatera Utara
11
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian
43
3.2 Bahan dan Peralatan
43
3.2.1 Bahan
43
3.2.1.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO
43
3.2.2 Peralatan
44
3.2.2.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik
Konduktif CuO-ZnO
44
3.2.2.2 Proses Pengolahan Air Limbah
46
3.3 Pengambilan Sampel Air
47
3.4 Diagram Alir Penelitian
48
3.4.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO
48
3.4.2 Proses Pengolahan Air Limbah
49
3.5 Prosedur Penelitian
50
3.5.1 Pembuatan dan Karakteristik Elektroda Keramik Konduktif
CuO-ZnO
3.5.2 Proses Pengolahan Air Limbah
50
51
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Karakterisasi Sifat Fisis
53
4.1.1 Densitas
53
4.1.2 Porositas
55
4.2 Karakterisasi Sifat Mekanik
58
4.2.1 Kuat Tekan
58
4.2.2 Kekerasan
60
4.3 Karakterisasi Sifat Listrik
63
4.3.1 Konduktivitas Listrik
63
Universitas Sumatera Utara
12
4.3.2 Energi Gap dengan Pengujian Spektrofotometri UV-Visible
65
4.4 Karakterisasi Struktur Mikro
67
4.5 Karakterisasi XRD (X-Ray Diffraction)
69
4.6 Proses Elektrokoagulasi Air Limbah dengan Elektroda Keramik
75
Konduktif
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
5.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
79
80
81
84
Universitas Sumatera Utara
13
DAFTAR TABEL
No.
Judul
Halaman
2.1
Kelebihan dan kekurangan dari tiga bahan matriks
13
2.2
Aplikasi otensial untuk KMK yang diperkuat dengan partikulat
19
2.3
Teknik densifikasi untuk komposit matriks keramik
20
2.4
Konduktivitas listrik berbagai logam dan paduannya pada suhu
23
kamar
2.5
Kelebihan dan kekurangan elektroda plat logam dengan
24
elektroda komposit matrik keramik
2.6
Karakteristik CuO (Copper Oxide)
25
2.7
Karakteristik ZnO (Zinc Oxide)
28
2.8
Kualitas limbah cair segar pabrik kelapa sawit
37
4.1
Data hasil pengukuran densitas elektroda keramik konduktif
56
berbasis komposit CuO-ZnO
4.2
Data hasil pengukuran porositas elektroda keramik konduktif
59
berbasis komposit CuO-ZnO
4.3
Data hasil pengukuran kuat tekan elektroda keramik konduktif
62
berbasis komposit CuO-ZnO Data Hasil
4.4
Data hasil pengukuran kekerasan elektroda keramik konduktif
64
berbasis komposit CuO-ZnO
4.5
Data hasil pengukuran konduktivitas listrik elektroda keramik
67
konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
4.6
Puncak tertinggi hasil pola difraksi komposit CuO-ZnO
75
4.7
Orientasi bidang kristal CuO dan ZnO pada pola difraksi sampel
77
Universitas Sumatera Utara
14
komposit CuO-ZnO
4.8
Ukuran diameter kristal Cuo dan ZnO pada komposit CuO-ZnO
78
4.9
Hasil pengukuran parameter pH untuk beberapa kali pemakaian
81
elektroda keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO pada
proses elektrokoagulasi dalam pengolahan air limbah
4.10
Karakteristik air limbah kelapa sawit sebelum dan sesudah
82
diolah dengan metode elektrokoagulasi dengan elektroda
keramik konduktif berbasis komposit CuO-ZnO
DAFTAR GAMBAR
No.
Judul
Halaman
2.1
Ilustrasi komposit berdasarkan penguatnya
14
2.2
Lengkung retakan akibat tarikan antara partikel terdispersi
16
2.3
Defleksi retakan oleh partikel terdispersi akibat adanya
17
tegangan pada matriks akibat perbedaan pemuaian termal
2.4
Grafik hubungan stress-strain untuk KMK yang diperkuat
18
dengan partikulat
2.5
Struktur kristal material CuO
25
2.6
Struktur kristal material ZnO
27
2.7
Gambar proses elektrokoagulasi
37
Universitas Sumatera Utara
15
2.8
Gambar mekanisme elektrokoagulasi
39
3.1
Diagram alir pembuatan dan karakteristik elektroda keramik
51
konduktif CuO-ZnO
3.2
Diagram alir proses pengolahan air limbah
52
4.1
Grafik hubungan antara densitas terhadap perubahan variasi
57
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.2
Grafik hubungan antara porositas terhadap perubahan variasi
60
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.3
Grafik hubungan antara kuat tekan terhadap perubahan
62
variasi komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi
suhu sintering
4.4
Grafik hubungan antara kekerasan terhadap perubahan variasi
65
komposisi CuO dan ZnO dengan beberapa variasi suhu
sintering
4.5
Grafik hubungan antara konduktivitas listrik dengan variasi
67
komposisi dari beberapa perlakuan suhu pembakaran
4.6
Grafik
hubungan
antara
absorbansi
dengan
panjang
69
gelombang
4.7
Hasil pengujian SEM sampel elektroda keramik konduktif
71
4.8
Pola difraksi (XRD) sampel CuO 100% pada tempratur
73
o
sintering 1000 C
4.9
Pola difraksi (XRD) sampel komposit CuO:ZnO komposisi
73
75%:25% pada temperatur sintering 800oC
4.10
Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 85%:15%
74
temperatur sintering 900oC
4.11
Pola difraksi (XRD) komposit CuO:ZnO komposisi 95%:5%
74
pada temperatur sintering 1000oC
Universitas Sumatera Utara