5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Membran Keramik

Keramik dapat didefinisikan menjadi sebuah senyawa padatan yang

terbentuk melalui panas, atau kombinasi panas dan tekanan yang tersusun

setidaknya dari dua unsur yang salah satu diantara unsur penyusunnya

adalah unsur padatan non logam. Unsur lainnya dapat berupa logam atau

unsur non logam lainnya (Barsoum, 1997).

Membran keramik dapat digambarkan sebagai sebuah media selektif

permiabel yang mempunyai pori dengan diameter tertentu dimana faktor

permeabilitas dan separasi merupakan indikator-indikator yang paling

penting dalam menentukan performanya. Untuk sebuah membran keramik

berpori (porous), terdapat ciri-ciri tertentu yaitu jika dilihat dari ketebalan,

ukuran pori dan permukaan porositas dari membran (Li, 2007).

Membran keramik berpori adalah membran dengan tipe asimetrik yang

memiliki ketebalan support sekitar 1-3 mm. Lapisan mikrofiltrasi biasanya

berukuran 10-30µm dan oksida yang umum digunakan untuk membran adalah

zirconia (ZrO2) dan alumina (Al2O3). Membran ultrafiltrasi tebalnya hanya

beberapa mikrometer dan terbuat dari alumina, zirconia, titania (TiO2) dan

cerium (CeO2). Membran nanofiltrasi ketebalannya kurang dari 1µm,

umumnya terbuat dari zirconia dan titania. Support dan lapisan mikrofiltrasi

dihasilkan dari teknik keramik klasik, dimana proses sol-gel digunakan

5

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

6

untuk lapisan ultra dan nanofiltrasi. Membran keramik kebanyakan dibuat

dalam dua bentuk geometri utama: tubular dan flat. Membran keramik

terutama yang berbasis Palladium telah lama digunakan pada mikrofiltrasi

dan ultrafiltrasi karena sifatnya yang stabil terhadap pengaruh panas, bahan

kimia dan solvent (Baker, 2004).

Kelebihan membran keramik terletak pada stabilitas termalnya yang

baik, tahan terhadap senyawa kimia, degradasi biologis ataupun mikroba.

Sifat-sifat menunjukkan keunggulan bila dibandingkan dengan membran

yang terbuat dari senyawa polimer dan relatif mudah untuk dibersihkan

dengan cleaning agent. Ketahanan terhadap zat kimia menyebabkan

membran keramik banyak digunakan pada prosesing makanan, produk

bioteknologi dan farmasi. Kekurangan membran keramik terutama timbul

dari proses preparasinya dimana sangat sulit mencapai kualitas produk akhir

yang reproducible. Hal ini karena pada dasarnya sifat brittle dari membrane

keramik membuatnya lebih mahal dari pada sistem membran polimer.

Selain itu, harga sistem membran meningkat signifikan seiring dengan

meningkatnya kebutuhan sifat-sifat produk antara lain, porositas,

reproducibility, dan reliability.

2.2 Zeolit

Zeolit berasal dari kata Yunani zein yang berarti membuih dan lithos

yang berarti batu. Zeolit merupakan mineral hasil tambang yang bersifat

lunak dan mudah kering. Warna dari zeolit adalah putih keabu-abuan, putih

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

7

kehijau-hijauan, atau putih kekuning-kuningan. Ukuran kristal zeolit

kebanyakan tidak lebih dari 10-15 mikron (Sutarti, 1994).

Zeolit terbentuk dari abu vulkanik yang telah mengendap jutaan tahun

silam. Sifat-sifat mineral zeolit sangat bervariasi tergantung dari jenis dan

kadar mineral zeolit. Zeolit mempunyai struktur berongga biasanya rongga

ini diisi oleh air serta kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran

pori tertentu. Oleh karena itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring

molekuler, senyawa penukar ion, sebagai filter dan katalis.

2.2.1 Struktur Zeolit

Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4]

dan [SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O.

Gambar 2.1. Kerangka utama zeolit

2.2.2 Sifat–sifat Zeolit

Zeolit mempunyai struktur berongga yang biasanya diisi oleh air dan

kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki ukuran pori tertentu.

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

8

Gambar 2.2. Struktur Pori di dalam Zeolit (Weller, 1994)

Zeolit mempunyai sifat-sifat kimia, diantaranya:

2.2.2.a. Dehidrasi

Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan

zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam di dalam

pori-porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Bila kation-kation atau

molekul air tersebut dikeluarkan dari dalam pori dengan suatu perlakuan

tertentu maka zeolit akan meninggalkan pori yang kosong.

2.2.2.b. Penyerapan

Dalam keadaan normal ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh

molekul air yang berada disekitar kation. Bila zeolit dipanaskan maka air

tersebut akan keluar. Zeolit yang telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai

penyerap gas atau cairan.

2.2.2.c. Penukar Ion

Ion-ion pada rongga berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion

ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung

dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya. Sifat sebagai penukar ion

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

9

dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu, dan jenis anion

(Bambang P, dkk, 1995).

2.2.2.d. Katalis

Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa

mempengaruhi kesetimbangan reaksi karena mampu menaikkan perbedaan

lintasan molekular dari reaksi. Katalis berpori dengan pori-pori sangat kecil

akan memuat molekul-molekul kecil tetapi mencegah molekul besar masuk.

Selektivitas molekuler seperti ini disebut molecular sieve yang terdapat

dalam substansi zeolit alam (Bambang P, dkk, 1995).

2.2.2.e. Penyaring / pemisah

Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas

perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini

disebabkan zeolit mempunyai ruang hampa yang cukup besar. Molekul

yang berukuran lebih kecil dari ruang hampa dapat melintas sedangkan yang

berukuran lebih besar dari ruang hampa akan ditahan (Bambang P, dkk,

1995).

2.3 Cangkang Kerang (Anadara Granosa)

Cangkang kerang terdiri dari kapur (CaO) dan silika (SiO2), dimana

SiO2 merupakan bahan dasar membran.0.001µm dan mampu menahan

partikel berukuran 50-1000 Da. Cangkang kerang mengandung kalsium

karbonat (CaCO3) dalam kadar yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan

batu gamping, cangkang telur, keramik, atau bahan lainnya. Hal ini terlihat

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

10

dari tingkat kekerasan cangkang kerang. Semakin keras cangkang, maka

semakin tinggi kandungan kalsium karbonat (CaCO3)nya. Fungsi dari

cangkang kerang disini sebagai bahan pengisi untuk memperkuat membran

keramik yang dihasilkan.

2.4 Air Holding Basin

Holding Basin (HB) adalah unit pengolahan limbah cair yang

digunakan untuk mengendapkan partikel-partikel padat, serta mengurangi

kadar minyak dalam air buangan dan juga memperbaiki kualitas air

buangan, terutama kandungan oksigennya. Sehingga diharapkan air sudah

aman untuk dilepaskan ke lingkungan. Holding basin ini juga bisa

menghasilkan lumpur, dan debit lumpur berkisar 4000 m3/ tahun. Lumpur

holding ini bisa ditampung dari dalam sludge pond tersendiri sebelum

diolah lebih lanjut (Tanjung, 2014). Sampel yang akan digunakan pada

penelitian ini memiliki hasil analisa awal sebagai berikut : memiliki Ph = 8 ;

BD = 13,4 ; konduktivitas = 4,46 dan TDS = 2,23.

2.5 Pembuatan Membran Keramik

Umumnya, proses fabrikasi membran keramik berpori terdiri atas tiga

tahapan yaitu 1) pembentukan suspensi partikel, 2) pembuatan suspensi

partikel menjadi precursor membran dengan bentuk tertentu seperti flat-

sheet, monolith atau tubular dan (3) konsolidasi membran keramik dengan

perlakuan panas pada suhu tinggi (Li 2007).

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

11

Gambar 2.3. Metoda Pembuatan Membran Keramik

(Diadaptasi dari Li 2007)

Metode yang lazim dilakukan dalam pencetakan membran keramik

adalah slip casting, tape casting, extrusion dan pressing. Proses pelapisan

dilakukan dengan teknik dip-coating, sol-gel, Chemical Vapor Deposition

(CVD) atau proses Evaporative Vapour Deposition (EVD). Diameter pori

membran keramik untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi bervariasi dari 0,01

sampai 10 µm. Biasanya membran untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi

dibuat dengan cara slip coating-sintering. Cara lainnya yaitu metode sol-gel

dapat digunakan untuk membuat membran keramik dengan ukuran pori dari

10 sampai 100Ȧ. Pada proses slip coating-sintering membran keramik

dibuat dengan cara menuangkan dispersi butir halus material keramik dan

suatu binder dan mencetaknya dalam suatu mold dan selanjutnya disintering

pada temperatur tinggi (Baker, 2004).

Slip-castingTape – casting

EkstrusiPressing

Proses sol-gel

Slurry/ pasta

Pembentukanprekursor

sintering

Produk akhir(membrankomposit)

Produk akhir(membran

poroussimetrikyang biasadigunakan)

sintering

Pembentukanpowder

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

12

Pembuatan membran keramik dari zeolit alam menggunakan CaCO3

murni berhasil dilakukan dengan melihat karakteristik dari membran

tersebut yang membentuk ikatan yang kokoh antara zeolit alam dengan

kalsium karbonat dan menunjukkan mineral penyusun dan pori pori sudah

menyatu serta distribusi mineral sudah homogen (Budiman dan Asmi,

2013).

2.5.1. Persiapan Slurry

Komponen utama yang digunakan untuk membran keramik adalah

inorganic powder, organic additives dan solvent. Faktor penting dalam

pemilihan inorganic powder adalah ukuran partikel, distribusi, dan bentuk

partikel. Faktor-faktor ini mempengaruhi porositas dan distribusi ukuran

pori pada produk akhir. Organic additives antara lain binders, plasticizers,

lubricant, deflocculant, antifoaming agent, promoters of porosity, water

retention agent, antistatic, chelating dan bactericide agent digunakan

selama proses pembuatan, tujuannya untuk mendapatkan sifat-sifat

membran keramik yang dibutuhkan. Syarat utama organic additives harus

bisa terbakar tanpa meninggalkan abu dan tar. Pemilihan dan kuantitas

organic additives sangat penting karena berdampak pada sifat slurry,

sehingga mempengaruhi pemilihan metode fabrikasi (apakah extrusion,

tape casting, dip coating, dll) dan sifat produk akhir. Solvent (misalnya

air, pelarut organik, atau campurannya) harus mampu melarutkan senyawa

organik yang digunakan dan harus menguap. Karakteristik penguapan

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

13

solvent berdampak pada waktu pengeringan. Proses persiapan slurry

tergantung pada ketebalan yang diinginkan (pasta, slurry, suspensi),

langkah-langkahnya terdiri dari:

Mixing, pugging, dan aging (untuk pasta)

Milling dan ultrasound treatment (untuk slurry)

Dispersing (untuk suspensi, contohnya alumina dan zirconia)

Agregasi partikel slurry memiliki efek pada ukuran pori dan

permeabilitas air produk akhir.

2.5.2. Proses sol – gel

Proses ini pertama kali dikenalkan oleh Leennaars dalam pembuatan

membran keramik jenis ultrafiltrasi. Proses ini mempunyai keuntungan

diantaranya lebih mudah mengontrol ukuran pori membran yang

dihasilkan. Sol-sol koloid merupakan larutan koloid dari zat-zat padat

seperti Al2O3, SiO2TiO2, atau ZrO2. Proses ini digunakan pada persiapan

oksida-oksida yang akan dipakai. Suspensi tercapai dengan sintesa partikel

solid dalam liquid dari precursor organo metalik (contohnya soltitania dan

boehmite). Proses sol gel digunakan pada pembuatan membran alumina

dengan diameter pori 4-10nm dari sol boehmite. Dalam hal ini, polyvinyl

alcohol dalam larutan diboehmite meningkatkan reproducibulity dan

menurunkan tingkat defect produk akhir membran

alumina. Fabrikasi membran nanofiltrasi memiliki persyaratan ekstra

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

14

dibandingkan pembuatan membran ultra dan mikrofiltrasi. Diantara

persyaratan yang dimaksud adalah:

1. Masing-masing butiran dalam sintered ceramic harus berukuran

kurang dari 10nm. Ini bisa ditingkatkan dengan penambahan ion

logam, misalnya La3+, untuk membatasi membesarnya pori dan

menghambat transformasi fasa.

2. Agregasi partikel saat keadaan sol harus dicegah, dengan penambahan

peptizing agent.

3. Memperlihatkan proses/metoda sol-gel dalam pembuatan membran

keramik.

Gambar 2.4. Metoda Sol-gel dalam Pembuatan Membran Keramik

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

15

2.5.3. Proses Fabrikasi

Proses fabrikasi yang paling umum pembuatan membran adalah

extrusion, tapecasting , dip dan spin coating. Extrusion dan tape casting

digunakan untuk support system, tape casting and dip coating digunakan

untuk membran mikrofiltrasi, dip dan spin coating dipakai pada membran

ultra dan nano filtrasi. Pada proses extrusi, pasta dipaksa melewati

bukaan die sehinga terbentuk tubular atau multichannel support. Green

compact yang terbentuk dikeringkan pada temperature kurang dari 100oC

untuk menghilangkan air. Tape casting digunakan untuk membuat keramik

yang tipis, datar dan rapat. Proses ini terbatas pada ketebalan film yang

didapat. Green compact yang terbentuk dari slurry sebagai hasil relative

movement antara ‘doctor blade’ dan support atau carrier. Umumnya,

kecepatan casting bervariasi dari 0.1 sampai 1.5 m/min. Setelah proses

casting, tape dikeringkan. Tape yang kering dipindahkan dari support dan

sangat mudah di handle karena karakteristik plastiknya. Dip coating

digunakan untuk membran multilayer. Permeability support system yang

digunakan harus lebih tinggi dari lapisan membran (sedikitnya dengan

faktor 10) sehingga ketebalan masing-masing lapisan harus setipis

mungkin. Dua metode untuk formasi lapisan yaitu:

1) Capillary colloidal filtration

Disebut juga slip casting, dimana capillary suction dari subtrate

membawa partikel ke interface, subtrate kering kontas dengan dispersi

ini dan permukaan pori dibasahi oleh cairan dispersi.

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

16

2) Film coating

Dimana lapisan dispersi yang menempel terbentuk karena dragforce

yang diusahakan oleh substrate selama keluar dari dispersion.Faktor

kritis yang perlu diperhatikan pada dip coating adalah viskositas

slip,kecepatan coating dan waktu. Proses pengeringan dimulai secara

simultan dengan dip coating, saat substrate mulai kontak dengan

atmosfir yang humiditas relatifnya dibawah 100%. Pada proses multi

step yaitu setelah kalsinasi lapisan pertama dilakukan pengulangan

dipping secara komplet dan diikuti lagi dengan pengeringan dan

kalsinasi. Contohnya alumina coating dengan ukuran pori rata-rata

100nm dipersiapkan dari suspensi (dalam air) yang tersedia secara

komersial yaitu alumina submicron dalam bentuk powder dengan

diameter rata-rata yaitu 500 nm. Semakin tipis slip, makin kritis

langkah pengeringan untuk pembentukan membran yang bebas

defect/cacat. Pengeringan juga berefek pada formasi akhir dari

mikrostruktur membran. Umumnya, pengeringan berlangsung pada

temperatur rata-rata 80-350oC, dan akan menghasilkan membran

hybrid organic-inorganic. Perlakuan pengapian (kalsinasi dan

sintering) akan memperkuat keramik dan membantu membran melekat

kuat pada support pori. Tujuannya adalah memperbaiki mikrostruktur

dengan neck-formation, yang terdiri atas dua tahap yaitu:

Pembakaran organik (kalsinasi) yaitu tahapan krusial untuk

memperoleh membran yangbebas crack.

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

17

Sintering keramik dengan densifikasi dan pertumbuhan butiran.

Dalam sintering digunakan temperatur rendah tapi harus mencapai

titik leleh keramik. Kalsinasi dan sintering pada temperatur yang

relatif rendah (300-400oC) dan waktu singkat tidak akan

menghasilkan membran yang stabil secara termal. Profil temperatur

yang dipakai untuk pengapian merupakan hal yang kritis, terlebih

jika support dan material support membran berbeda. Hal ini akan

berdampak pada ukuran pori dan komposisi fase akhir. Sebagai

contoh, transisi fasa dari alumina ke-αalumina yang berlangsung

pada temperatur di atas 1000oC. Penambahan zat lain misalnya

lanthanum oxide atau titania dapat mengubah temperatur ini.

Lanthanum oxide diamati dapat meningkatkan temperatur saat

berlangsungnya transformasi fasa, sedangkan titania menurunkan

temperatur transformasi fasa. Penurunan porositas dapat

meningkatkan ukuran pori dengan pemanasan membran secara

terkontrol pada rentang temperatur 400-1000oC.

2.6 Pati

Pati merupakan cadangan makanan yang terdapat di dalam biji atau

umbi tumbuh-tumbuhan. Pati juga terdapat pada bagian tumbuhan yang

berwarna hijau. Pati terdapat dalam sel tanaman dalam bentuk partikel-

partikel yang tidak larut yang disebut granula. Ukuran dan bentuk granula

pati ini berbeda-beda antara satu tanaman dengan tanaman lain (Lineback

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

18

dan Inglet, 1982). Granula pati merupakan suatu sistem heterogen yang

terdiri dari dua komponen yang berlainan yaitu amilosa dan amilopektin.

Karakteristik normal dari pati biji-bijian terdiri dari kira-kira 30% amilosa

dan 70% amilopektin. Perbandingan antara jumlah amilosa dan amilopektin

didalam granula mempengaruhi tingkat kekentalan gel. Dalam proses

pembuatan membran, pati merupakan bahan pembentuk zat perekat (gel).

Akibat adanya proses pemanasan dan proses pengepresan, pati akan

membentuk gel yang sangat membantu dalam proses pembuatan membran

agar menjadi lebih padat, keras dan tidak mudah pecah. Pati terdapat dalam

bahan-bahan sumber karbohidrat, dan tepung beras adalah salah satu bahan

yang banyak mengandung karbohidrat.Tepung beras berasal dari butiran

beras yang digiling. Unsur terbesar dari zat penyusun butir beras adalah

karbohidrat/pati lalu diikuti oleh protein. Zat pati terutama terdapat pada

bagian endosperm dari butir beras. Pada bagian luar endosperm masih

terdapat bagian-bagian yang bukan pati seperti protein dan lipid. Makin ke

tengah endosperm, bagian-bagian bukan pati ini semakin menurun, sehingga

pati merupakan bagian terbesar. Pati merupakan polimer glukosa yang

dicirikan dari warna granula yang putih, mengkilap, tidak berbau dan tidak

mempunyai rasa. Pati beras mempunyai fraksi linear (amilosa) dan fraksi

bercabang (amilopektin) (Hubeis, 1984).

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016

19

2.7 Penelitian Pendukung

1. Siregar (2009) melaporkan hasil bahwa kulit kerang sebagai pengikat

dapat menghasilkan beton polimer yang memiliki kuat tekan tinggi,

lebih tahan asam dan lebih tahan api.

2. Hidayanti dan Damayanti (2010) melaporkan hasil bahwa teknologi

membran dapat dibuat dari bahan polimer organik dan senyawa

anorganik. Pembuatan membran silika nanopori dari kulit kerang dapat

menjadi solusi terbaik karena mampu mengubah air laut menjadi air

tawar yang kadar garamnya tinggi dan mengurangi konsentrasi zat padat

terlarut (TDS).

3. Fadlilah (2011) melaporkan hasil bahwa kulit kerang terdiri dari CaCO3

dan silika (SiO2), dimana SiO2 merupakan bahan dasar membran.

Pembuatan membran silika nanopori dapat digunakan untuk mengatasi

air payau dan pencemaran lingkungan akibat logam berat. Sehingga

dengan adanya pembuatan membran dari kulit kerang dapat memenuhi

kebutuhan air bersih penduduk pesisir pantai di Indonesia.

Pengaruh Penambahan Cangkang …, Bintar Winastia, Fakultas Teknik UMP, 2016