1

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Perkembangan teknologi membran saat ini

telah meluas pada berbagai kalangan, baik

kalangan akademis maupun industri. Salah

satu aplikasi teknologi membran adalah

teknologi pemisahan zat-zat kimia yang

sangat penting dalam kehidupan. Teknologi

membran memiliki banyak keunggulan

dibandingkan proses-proses pemisahan

lainnya, antara lain dalam hal energi,

sederhana, dan ramah lingkungan.

Keberhasilan proses pemisahan dengan

membran tergantung pada kualitas membran

tersebut. Beberapa parameter yang penting

dalam menentukan kualitas suatu membran

diantaranya yaitu mempunyai permeabilitas

yang tinggi, selektifitas yang tinggi, stabil

pada temperatur yang tinggi, kestabilan

mekanik dan tahan terhadap zat kimia yang

akan dipisahkan [1]. Membran dapat

bertindak sebagai filter yang sangat spesifik

dimana hanya molekul-molekul dengan

ukuran tertentu saja yang dapat melewati

membran, sedangkan molekul lainnya akan

tertahan di permukaan membran. Oleh karena

itu, teknologi membran merupakan pilihan

yang tepat untuk keperluan penyaringan,

pemisahan, dan pemurnian zat-zat yang peka

terhadap senyawa kimia dan lingkungan [2].

Walaupun demikian, membran mempunyai

keterbatasan seperti terjadinya fenomena

polarisasi konsentrasi, fouling (penyumbatan),

terbatasnya volume air terolah yang dihasilkan

dan juga keterbatasan umur membran [3].

Membran merupakan suatu lapisan yang

memisahkan dua fasa dan mengatur

perpindahan massa dari kedua fasa yang

dipisahkan. Karakteristik fasa tersebut

diantaranya perbedaan konsentrasi, tekanan,

suhu, komposisi larutan dan viskositas [4].

Membran terdiri dari dua jenis yaitu membran

alami (membran biologi) dan membran buatan

(membran sintetik). Membran alami adalah

membran dalam proses-proses kehidupan

makhluk hidup dan biasanya terdapat dalam

sel makhluk hidup. Komponen utama

membran alami adalah lipid dan protein.

Membran sintetik adalah membran yang

terbuat dari berbagai bahan sesuai kebutuhan

dan biasanya berbentuk padat atau cair [5].

Membran telur adalah salah satu contoh dari

membran alami. Membran telur terletak pada

bagian dalam telur yaitu selaput yang melapisi

antara cangkang dan putih telur.

Efektivitas kerja suatu membran dapat

ditentukan melalui karakteristik membran

yang digunakan. Karakterisasi membran yang

banyak dilakukan adalah karakterisasi

membran secara fisika yang ditinjau dari sifat

listrik, termal dan mekanik. Sifat kelistrikan

membran dipengaruhi oleh aliran elektron dan

ion-ion yang melintasi membran. Aliran ion-

ion ini dapat menentukan aliran arus dalam

membran dan proses transport lainnya.

Berdasarkan karakteristik Arus-Tegangan

dapat ditentukan ohmik atau tidaknya suatu

membran di dalam larutan elektrolit, daya

tahan listrik dan konduktansinya. Informasi

dari sifat kelistrikan membran tersebut sangat

berguna untuk mengetahui kualitas membran.

Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui

mekanisme transport ion yang melewati

membran telur ayam berdasarkan pengukuran

sifat kelistrikan dan mempelajari pengaruh

konsentrasi, valensi ion, suhu dan frekuensi

terhadap sifat listriknya.

Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat

memberikan informasi mengenai karakteristik

dan mekanisme transport ion pada membran

telur ayam, sehingga diperoleh masukan yang

penting untuk kemajuan dalam bidang

teknologi membran

Hipotesis

1. Konsentrasi ion larutan eksternal berbanding lurus dengan tegangan,

konduktansi dan gradien kurva Arus-

Tegangan membran.

2. Valensi ion larutan eksternal mempengaruhi tegangan dan konduktansi listrik membran.

3. Semakin tinggi suhu larutan eksternal, maka semakin tinggi tegangan, konduktansi dan

gradien kurva Arus-Tegangan membran.

4. Semakin besar frekuensi maka semakin besar konduktansi listrik membran.

TINJAUAN PUSTAKA

1. Membran Telur

1.1. Karakteristik Membran

Membran biologi digambarkan sebagai

dua dimensi fluida yang terdiri dari dua

lembaran berisi sebagian besar molekul

lipid. Model Mosaik Fluida menggambarkan

membran lipid terbaik. Dalam model ini,

permukaan terluar terdiri dari ikatan ionik dan

polar yang berinteraksi dengan larutan air,

sedangkan bagian dalam membran terdiri dari

rantai hidrokarbon lipid (Gambar 1) [6].

2

Gambar 1. Membran lipid berdasarkan Model

Mosaik Fluida

Secara umum membran dapat didefinisikan

sebagai suatu lapisan tipis semipermeable di

antara dua fasa yang berbeda. Fasa pertama

disebut feed atau larutan pengumpan dan fasa

kedua disebut permeate atau hasil pemisahan.

Fungsi utama dari membran ialah sebagai

lapisan semipermeable yang dapat

melewatkan dan menahan komponen tertentu

dalam suatu campuran [7]. Membran yang

dipergunakan harus bersifat inert terhadap

larutan uji, selektif terhadap ion tertentu,

memiliki kepekaan yang baik, memenuhi

harga faktor Nernst dan dapat dicetak sesuai

dengan ukuran yang diinginkan [8].

Kemampuan pemisahan yang dimiliki

membran untuk melewatkan suatu komponen

atau molekul dipengaruhi oleh tekanan,

potensial listrik dan sifat intrinsik membran.

Berdasarkan prinsip struktur dan

pemisahannya, membran dibagi menjadi tiga

tipe yaitu membran porous (mikrofiltrasi dan

ultrafiltrasi), membran nonporous (separasi

gas, pervaporasi, dialisis) dan membran

carrier [9]. Klasifikasi pori menurut IUPAC

dapat dikelompokkan menjadi macropores

(>50nm), mesopores (2-50nm), dan

micropores (

3

Gambar 2. Struktur Telur

struktur telur dapat dibagi menjadi 9 bagian

yaitu:

1. Kulit telur dengan permukaan yang agak berbintik-bintik.

2. Membran kulit luar dan dalam yang tipis, berpisah pada ujung yang tumpul dan

membentuk ruang udara.

3. Putih telur bagian luar yang tipis dan berupa cairan.

4. Putih telur yang kental dan kokoh berbentuk kantung albumen.

5. Putih telur bagian dalam yang tipis dan berupa cairan.

6. Struktur keruh berserat yang terlihat pada kedua ujung kuning telur disebut sebagai

khalaza yang berfungsi memantapkan

posisi kuning telur.

7. Lapisan tipis yang mengelilingi kuning telur disebut membran fitelin.

8. Benih atau bastodisc yang terlihat sebagai bintik kecil pada permukaan kuning telur.

Pada telur yang terbuahi, benih ini

berkembang menjadi anak ayam.

9. Kuning telur yang terbagi menjadi kuning telur berwarna putih dari benih ke pusat

kuning telur dan kuning telur yang

berlapis yang merupakan bagian terbesar.

Tabel 1. Komposisi Tiga Komponen Pokok

Telur (%) [http://www.animalcorner.

co.uk/.../chicken_eggs.html]

Bahan

penyusun

Kulit Albumin Kuning telur

Bahan

organik

95,1 - -

Protein 3,3 12,0 17,0

Glukosa - 0,4 0,2

Lemak - 0,3 32,2

Garam - 0,3 0,3

Air 1,6 87,0 48,5

2. Larutan Elektrolit

Larutan adalah campuran yang bersifat

homogen atau sama. Berdasarkan daya hantar

listriknya, larutan terbagi menjadi dua

(Tabel 2), yaitu:

1. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik, terdiri

dari:

a. Elektrolit Kuat Larutan elektrolit kuat adalah

larutan yang mempunyai daya hantar

listrik yang kuat, karena zat terlarutnya

di dalam pelarut (umumnya air)

seluruhnya berubah menjadi ion-ion

( = 1). Contoh elektrolit kuat adalah

asam-asam kuat (HCl, H2SO4, dll),

basa-basa kuat (NaOH, KOH, dll) dan

garam-garam yang mudah larut, seperti

NaCl, KCl, dan lain-lain.

b. Elektrolit Lemah Larutan elektrolit lemah adalah

larutan yang daya hantar listriknya

lemah dengan derajat ionisasi sebesar

< 1. Yang tergolong elektrolit lemah

adalah asam-asam lemah seperti: AgCl,

CaCrO4, dan lain-lain

2. Larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik,

karena zat terlarutnya didalam pelarut

tidak dapat menghasilkan ion-ion (tidak

mengion). Contoh larutan non elektrolit

adalah larutan gula, sukrosa, alkohol, dan

lain-lain [14].

Tabel 2. Perbandingan Sifat-Sifat Larutan

Elektrolit dan Larutan Non

Elektrolit

Larutan

Elektrolit

Larutan Non

Elektrolit

1.

2.

3.

4.

Dapat

menghantarkan

listrik.

Terjadi proses

ionisasi

(terurai

menjadi ion-

ion).

Lampu dapat

menyala terang

atau redup dan

ada gelembung

gas.

Contoh: NaCl,

H2SO4, MgCl2, CH3COOH

1.

2.

3.

4.

Tidak dapat

menghantarkan

listrik.

Tidak terjadi proses

ionisasi.

Lampu tidak

menyala dan tidak

ada gelembung gas.

Contoh: C12H22O11,

CO(NH2)2, etanol,

C6H12O6

http://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.htmlhttp://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.htmlhttp://www.animalcorner.co.uk/.../chicken_eggs.html

4

Larutan elektrolit dapat bersumber dari

senyawa ion (senyawa yang mempunyai

ikatan ion) atau senyawa kovalen polar

(senyawa yang mempunyai ikatan kovalen

polar). Larutan elektrolit mengandung atom-

atom bermuatan listrik (ion-ion) yang

bergerak bebas, hingga mampu untuk

menghantarkan arus listrik melalui larutan.

Pada tahun 1887, Svante Arrhenius

mengusulkan sebuah teori ionisasi untuk

menjelaskan sifat-sifat larutan elektrolit.

Pokok-pokok teori Arrhenius adalah sebagai

berikut [2]:

1. Molekul elektrolit pada larutan dengan pelarut air akan berdissosiasi menjadi dua

partikel atau lebih yang disebut ion.

2. Ion-ion bermuatan listrik (positif atau negatif) dan muatan-muatan inilah yang

dapat menyebabkan arus listrik dapat

mengaliri larutan.

Sifat suatu larutan ditentukan oleh

konsentrasi. Konsentrasi adalah jumlah zat

terlarut dalam satuan pelarut atau larutan.

Konsentrasi larutan dapat dinyatakan dalam

persen, molar, molal, fraksi mol, persen mol,

dan ppm. Konsentrasi molar atau molaritas

(M) menyatakan banyaknya partikel zat

terlarut dalam 1 liter larutan, yaitu [15]:

tan1 laruliter

terlarutzatmolM (1)

3. Pemodelan Membran

Secara elektronik bahan dielektrik pada

plat paralel bisa dianalisis dengan rangkaian

paralel antara resistor dan kapasitor.

Hubungan perubahan nilai kapasitansi sebesar

0CCC terkait dengan perubahan muatan

q dapat diilustrasikan dalam aliran arus

maupun dalam bentuk impedansinya:

CVj

dt

dVC

dt

qdi

V

qC

(2)

Gambar 3. Bahan Dielektrik dengan Sumber

Tegangan AC serta Rangkaian

Ekivalennya [16]

Hasil pengukuran kapasitansi bisa diubah ke

dalam besaran listrik lainnya seperti tegangan

atau arus. Perubahan arus total pada rangkaian

adalah penjumlahan arus pada kapasitor dan

resistor (Gambar 3), sehingga:

VR

Cji

R

VCVjiii s

1

(3)

Nilai arusnya menjadi:

VR

CjI

VR

CjCjiII

1

100

(4)

Atau dalam impedansinya menjadi: 1

1

RCj

I

V

Y

iZ (5)

Membran netral dapat dimodelkan sebagai

rangkaian elektronik antara R dan C yang

tersusun paralel seperti pada Gambar 4 [5].

Dari pemodelan membran maka dapat

ditentukan konduktansi dan kapasitansinya

sebagai berikut:

mm CiGZ

1 (6)

Gambar 4. Model Elektronika Membran

4. Karakteristik Kelistrikan Membran

4.1. Konduktansi Membran

Salah satu sifat listrik yang dimiliki

membran adalah konduktivitas. Sifat ini

muncul karena adanya interaksi antara ion

dengan membran. Besarnya konduktansi

membran dapat diperoleh dengan

menggunakan pendekatan persamaan sebagai

berikut:

pGnG (7)

dengan, G = konduktansi

pG = konduktansi tiap pori

n = jumlah pori membran [7]

Nilai pG ditentukan oleh beberapa faktor

diantaranya geometri pori, konsentrasi pori

dan mobilitas ionnya. Dengan asumsi bahwa

ion di dalam suatu medium dielektrik akan

mengalami interaksi elektrostatik dengan

membran, maka ion tersebut memiliki energi

5

diri sebesar U. Energi ini merupakan integral

dari medan listrik permukaan membran. Maka

besarnya energi diri (U) untuk suatu ion dalam

medium terbatas dengan konstanta dielektrik

yang bervalensi z dan berjarak a adalah :

a

qzU

0

22

8 (8)

dengan:

z = bilangan valensi ion

= konstanta dielektrik

q = muatan ion

= tergantung konstanta geometri dan

dielektrik (pendekatan 0,2)

0 = konstanta resapan

m = konstanta dielektrik membran

b = jari-jari pori

Nilai U sangat tergantung pada . Nilai

membran berkisar dari 3-4 dan larutan 78,5

[17].

Untuk melewati pori membran akibat

adanya interaksi dengan membran, energi

bebas (U) bergantung dari seberapa dekat

ion pada membran, maka dapat dituliskan

energi bebasnya sebagai berikut:

b

qzU

m

0

22

4 (9)

Secara umum konduktansi membran

merupakan fungsi suhu, yang merupakan

fungsi eksponensial dan terkait dengan

perubahan energi diri ionnya [4]. Konduktansi

membran tersebut dapat dituliskan sebagai

berikut :

kT

dUGG exp0 (10)

Berdasarkan Gambar 3, membran yang

tersusun seri oleh dua lapisan berbeda

(skinlayer dan sublayer) memiliki kapasitansi

(Cm) dan konduktansi (Gm) sebagai berikut:

22122

21

1222

212121

2

CCGG

CGCGCCCCCm

(11)

221

2221

1222

21

22121

CCGG

GCGCGGGGGm

(12)

dengan:

C1 = kapasitansi skin layer

C2 = kapasitansi sub layer

G1 = konduktansi skin layer

G2 = konduktansi sub layer

= frekuensi angular

Pada frekuensi sangat rendah ( ~ 0),

kapasitansi membran adalah sebesar:

mC ( ~ 0) = 221

1222

21

GG

CGCG

(13)

Kapasitansi membran akan menurun

dengan peningkatan nilai frekuensi menuju

nilai minimum yang setara dengan kapasitansi

dua kapasitor yang dihubungkan secara seri,

yaitu:

mC ( ~ ) = 21

21

CC

CC

(14)

Sebaliknya, pada frekuensi rendah ( ~ 0)

konduktansi membran akan memiliki nilai

minimum setara dengan dua konduktor yang

dihubungkan secara seri:

mG ( ~ 0) = 21

21

GG

GG

(15)

Nilai konduktansi ini akan naik dengan

peningkatan nilai frekuensi menuju nilai

maksimum (pada frekuensi sangat tinggi)

sebesar :

mG ( ~ ) = 221

1212

21

CC

GCGC

(16)

Spektra konduktansi dan kapasitansi

membran dalam larutan eksternal seperti

terlihat pada Gambar 5. Solusi total

kapasitansi dan konduktansi dari rangkaian

seri untuk membran ditambah elektrolit

(Gambar 6) adalah [18]:

222

2

mem

em

CGG

GCC

(17)

22222

mem

ememem

CGG

GCGGGGG

(18)

Konduktansi merupakan ukuran terpenting

yang menggambarkan kemampuan suatu

bahan untuk membawa arus listrik.

Konduktansi (G) adalah kebalikan dari

resistansi (R), yang dihubungkan oleh [19]:

RG

1 (19)

Gambar 5. Konduktansi dan Kapasitansi

Membran dalam Larutan

Eksternal

Cm

Gm

f

f

6

Gambar 6. Rangkaian dalam Sistem Membran

dan Elektrolit, skinlayer dan

sublayer Tersusun Kombinasi C

dan G

dengan I

VR , dimana R adalah resistansi

(ohm), V adalah tegangan membran (Volt)

dan I adalah arus yang diberikan (Ampere).

Satuan internasional untuk konduktansi adalah

ohm1 atau Siemen (S).

Bila suatu larutan elektrolit dialiri arus

maka akan terjadi proses transport ion.

Transport ini dipengaruhi oleh resistansi dan

konduktansi larutan elektrolit. Konduktansi

larutan elektrolit didefinisikan sebagai suatu

ukuran kemampuan larutan untuk membawa

arus listrik. Konduktansi larutan dipengaruhi

oleh konsentrasi atau jumlah ion, mobilitas

ion, ion valensi, transport ion, aktivitas ion

dan suhu. Ion-ion dalam larutan akan mengalir

dan menembus membran dengan aktivitas

berbeda-beda. Semakin besar nilai

konduktansi listrik berarti kemampuan dalam

menghantarkan listrik semakin besar.

Umumnya semakin tinggi konsentrasi atau

semakin banyak jumlah ion, maka

konduktansi listrik akan semakin tinggi.

Hubungan ini terus berlaku hingga larutan

menjadi jenuh dan mobilitas menurun. Suhu

yang tinggi mengakibatkan viskositas air

menjadi turun dan ion-ion dalam air bergerak

cepat [20]. Energi yang dibutuhkan agar

elektron valensi masuk ke elektron bebas juga

semakin besar sehingga mempengaruhi nilai

konduktansi listrik yang juga semakin

meningkat.

4.2. Arus dan Tegangan Membran

Rapat arus dari ion pembawa yang

bergerak di dalam larutan yang menembus

membran diberikan oleh persamaan berikut:

dx

dPq

dx

dPkTJ ppp

(20)

dx

dNq

dx

dNkTJ nnn

(21)

N, P adalah konsentrasi ion pembawa

muatan negatif dan positif. T adalah suhu, J

adalah rapat arus, np , masing-masing

merupakan mobilitas ion positif dan negatif,

adalah beda potensial (beda tegangan), k

adalah konstanta Boltzman. Persamaan diatas

menunjukkan bahwa arus dipengaruhi oleh

besarnya beda tegangan dan beda konsentrasi

muatan pembawa. Semakin besar beda

konsentrasi muatan pembawa dan beda

tegangan maka semakin besar pula arus yang

mengalir pada membran. Bila konsentrasi

muatan pembawa dibiarkan konstan maka

dapat dibuat hubungan beda tegangan dan

arus. Dengan memplotkan beda tegangan

membran dan arus maka akan didapat

karakteristik Arus-Tegangan dari membran

beserta persamaannya. Pada keadaan

setimbang dan arus yang mengalir kecil

sekali, maka konsentrasi pembawa muatan

mengikuti persamaan distribusi Maxwell-

Boltzman, yaitu:

)exp(

)exp(

kToi

kToi

i

i

qNN

qPP

(22)

Untuk membran yang hanya dapat dilalui

oleh satu jenis ion saja dan tidak ada sumber

arus, maka beda tegangan diberikan oleh

persamaan Nernst berikut:

i

IIi

i

Ii

i

jia

jia

F

RTln (23)

dengan ia adalah aktivitas ion, ji

adalah

nisbah permeabilitas ion i terhadap ion j yang

harganya tidak gayut larutan. Jika larutannya

hanya terdiri atas satu jenis anion atau kation

saja, maka beda tegangan ditulis sebagai

berikut:

II

I

II

I

iC

C

F

RT

C

C

F

RTlnln (24)

dengan C menyatakan konsentrasi ion, indeks

I dan II menyatakan larutan, sedangkan + dan

- menyatakan jenis muatan ion. Dengan

memodifikasi konsentrasi larutan maka akan

didapat variasi beda tegangan pada membran.

Dari persamaan (24) beda tegangan hanya

dapat dihubungkan secara linier dengan

konsentrasi [21].

BAHAN DAN METODE

Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium

Biofisika Departemen Fisika Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam