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