PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN...
77
PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN KRISTAL KALSIUM KARBONAT (CaCO 3 ) RIDHO BAHANAN PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2010 M / 1431 H
Transcript of PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN...
PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN KRISTAL
KALSIUM KARBONAT (CaCO3)
RIDHO BAHANAN
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH
JAKARTA
2010 M / 1431 H
PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN KRISTAL
KALSIUM KARBONAT (CaCO3)
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains
Program Studi Kimia
Fakultas Sains dan Teknologi
Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta
Oleh :
RIDHO BAHANAN
104096003096
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH
JAKARTA
2009 M / 1430 H
ABSTRAK
Ridho Bahanan. PENGARUH WAKTU SONOKIMIA TERHADAP UKURAN
KRISTAL KALSIUM KARBONAT (CaCO3). Dibawah Bimbimgan
Dr. Mirzan T. Razzak, M.Eng, APU dan Drs. Sudirman, M.Sc, APU.
Kalsium karbonat (CaCO3) disintesis dari campuran larutan natrium karbonat (Na2CO3) dan kalsium klorida (CaCl2) melalui proses sonokimia. CaCl2 dituangkan ke dalam larutan Na2CO3 dengan variasi waktu sonokimia 30, 60, 90, 120, 150 dan 180 menit. Hasilnya di analisis menggunakan x- ray diffraction
(XRD) dan scanning electron microscope (SEM). Full Width at Half Maximum (FWHM) dari pola difraksi sinar-x digunakan untuk menghitung ukuran kristal menggunakan persamaan schererr. Data yang diperoleh diuji secara statistik menggunakan Korelasi Pearson. Hasil yang didapat menunjukan bahwa ukuran kristal CaCO3 menurun seiring meningkatnya waktu sonokimia. Morfologi permukaan sampel dipelajari dengan SEM. Kata kunci: Kalsium karbonat , reaksi sonokimia, ukuran kristal.
ABSTRACT
Ridho Bahanan. EFFECT OF SONOCHEMISTRY TIME TO CRYSTAL SIZE
CALCIUM CARBONATE (CaCO3). Advisor by Dr. Mirzan T. Razzak, M.Eng,
APU and Drs. Sudirman, M.Sc, APU
Calcium carbonate were synthesized from mixed aqueous solution of sodium carbonate ( Na2CO3) and calcium chloride (CaCl2) by sonochemical reaction. CaCl2 poured in to Na2CO3 solution with different sonochemical time 30, 60, 90, 120, 150 and 180 minutes. The result was investigated with x- ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). Full Width at Half Maximum (FWHM) from x-ray diffraction pattern used for calculating crystal size with schererr equation. Data was examined by Pearson Correlation. The result show that crystal size decrease together with increasing sonochemical time. Morfology surface examined by SEM. Keywords: Calcium carbonate, sonochemical reaction, crystal size.
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim,
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat,
karunia dan hidayah-Nya kepada kita semua. Shalawat serta salam semoga
senantiasa tercurah kepada baginda Rasulullah Muhammad SAW, keluarga dan
para sahabatnya, serta para wali Allah dan para ulama yang telah menyebarkan
agama Allah ke seluruh penjuru dunia.
Perkembangan teknologi di bidang material dewasa ini sangat pesat.
Kebutuhan akan material baru yang mampu memenuhi kebutuhan pasar
mendorong dilakukannya penelitian dan pengembangan di bidang ini. Tidak
terkecuali penelitian di bidang sintesis nanomaterial, yang mana material dalam
ukuran ini dapat memiliki sifat-sifat dan kinerja yang lebih unggul untuk
memenuhi kebutuhan dalam modifikasi material.
Skripsi dengan judul “Pengaruh Waktu Sonokimia Terhadap Ukuran
Kristal Kalsium Karbonat (CaCO3)” ini dibuat selain sebagai syarat untuk
memperoleh gelar Sarjana Sains Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam
Negeri Syarif Hidayatullah juga penulis dedikasikan untuk pengembangan dan
kemajuan teknologi material dalam berbagai bidang demi kesejahteraan umat
manusia.
Penulis yakin dan sadar dalam penulisan skripsi ini penulis mendapatkan
bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu, pada kesempatan ini
penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang mendalam kepada :
1. Bapak DR. Syopiansyah Jaya Putra, M. Sis, Dekan Fakultas Sains dan
Teknologi.
2. Ibu Sri Yadial Chalid, M. Si, Ketua Program Studi Kimia.
3. Bapak Drs. Sudirman, M.Sc, APU yang telah memberi kesempatan pada
penulis untuk melakukan penelitian sekaligus sebagai pembimbing lapangan
yang senantiasa sabar dalam memberikan arahan dan ilmunya kepada
penulis.
4. Bapak Dr. Mirzan T. Razzak, M.Eng, APU selaku dosen pembimbing dari
Program Studi kimia atas segala bimbingan dan arahan yang telah diberikan
kepada penulis.
5. Bapak Ir. Iman Kuntoro, selaku Kepala Pusat Teknologi Bahan Industri
Nuklir BATAN PUSPIPTEK.
6. Bapak Dr. Setyo Purwanto M.Eng, selaku Kepala Bidang Karakterisasi dan
Analisis Nuklir BATAN PUSPIPTEK
7. Kedua orang tua dan sanak saudara penulis atas segala kepercayaan serta
dukungan moril dan materil yang telah diberikan (I hope everythings start
from here).
8. Para staf di Laboratorium Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir ;
Ibu Dra. Grace T.S. M.Sc, Bapak Wisnu Ari Adi, S.Si, Bapak Drs. Engkir
Sukirman, M.Sc, Bapak Sumardjo, AMD dan Bapak Yosef.
9. Ibu Dra. Deswita dan Para staf di Laboratorium Pusat Teknologi Bahan
Industri Nuklir.
10. Brigita Widya Hapsari S.Si, selaku rekan penelitian di Laboratorium, atas
segala bantuan baik dalam penelitian maupun dalam penulisan skripsi.
11. Teman-teman Prodi Kimia angkatan 2002-2008, atas segala bantuan baik
selama penulis menempuh masa studi maupun dalam mengerjakan tugas
akhir.
12. Teman-teman satu atap, seperjuangan, Bed Company ; Rijal, Jibhul, Mimi,
Aan dan Dj Ian.
Penulis tidak lupa menyampaikan permohonan maaf sebesar-besarnya
apabila dalam penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan. Segala komentar,
kritik dan saran demi kesempurnaan skripsi ini sangat penulis harapkan. Akhir
kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat baik bagi penulis maupun bagi semua
yang membacanya.
Terima Kasih.
Assalamu’alaikum Wr. Wb.
Jakarta, Maret 2010
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ................................................................................. v
DAFTAR ISI ............................................................................................... viii
DAFTAR TABEL ....................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR................................................................................... xii
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiv
BAB I PENDAHULUAN ...................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ..................................................................................... 1
1.2. Rumusan Masalah ................................................................................ 3
1.3. Ruang Lingkup Penelitian..................................................................... 3
1.4. Hipotesis ........................................................................................... 3
1.5. Tujuan Penelitian.................................................................................. 3
1.6. Manfaat Penelitian................................................................................ 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA............................................................. 5
2.1. Kalsium Karbonat (CaCO3)................................................................... 5
2.2. Nanoteknologi....................................................................................... 6
2.3. Kalsium Karbonat Presipitat (PCC)....................................................... 10
2.4. Sonokimia ........................................................................................... 14
2.4.1. Ultrasonik ................................................................................ 14
2.4.2. Kavitasi Akustik ...................................................................... 16
2.4.3. Aplikasi Sonokimia.................................................................. 18
2.5. Struktur kristal ..................................................................................... 19
2.5.1. Konsep Dasar........................................................................... 19
2.5.2. Unit Sel.................................................................................... 20
2.5.3. Sistem Kristal .......................................................................... 21
2.5.4. Bidag Kristalografi (Indeks Miller).......................................... 23
2.6. X- ray Diffraction (XRD) ..................................................................... 24
2.7. Scanning Electron Microscope (SEM) .................................................. 29
2.8. Rietveld Analysis (Rietan) ..................................................................... 35
BAB III METODOLOGI PENELITIAN................................................ 37
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian................................................................ 37
3.2. Alat dan Bahan...................................................................................... 37
3.2.1. Alat yang digunakan ................................................................... 37
3.2.2. Bahan yang digunakan ................................................................ 37
3.3. Diagram Alir Penelitian......................................................................... 38
3.4. Prosedur Penelitian ............................................................................... 39
3.4.1. Pembuatan Larutan CaCl2 dan Na2CO3 Jenuh............................. 39
3.4.2. Proses Presipitasi CaCO3 dan Sonokimia ................................... 39
3.4.3. Pencucian Sampel ...................................................................... 40
3.4.4. Karakterisasi dengan XRD .......................................................... 40
3.4.5. Karakterisasi dengan SEM .......................................................... 41
3.4.6. Uji Statistik Korelasi Pearson ..................................................... 42
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................. 43
4.1. Analisis Kualitatif Pola XRD Sampel CaCO3 ....................................... 43
4.2. Analisis ukuran kristal sampel CaCO3 .................................................. 45
4.3. Analisis Mikrograf Scanning Elektron Microscopy (SEM)................... 50
4.4. Hasil Pengujian Statistik ...................................................................... 53
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .................................................. 55
5.1. Kesimpulan................................................................................................55
5.2. Saran..........................................................................................................56
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 57
LAMPIRAN ....................................................................................... 60
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1. Hubungan sistem kristal dengan parameter kisi ............................... 23
Tabel 2. Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi waktu sonokimia ..... 46
Tabel 3. Persentase penurunan ukuran kristal sampel CaCO3 dengan variasi Waktu sonokimia ........................................................................... 48
Tabel 4. Output Deskripsi Statistik................................................................ 52
Tabel 5. Output Korelasi Pearson.................................................................. 52
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Proses yang terjadi pada metode LEM.............................................. 9
Gambar 2. Mikrograf SEM dari CaCO3 berbentuk spherical dan needle-like ............................................................ 12
Gambar 3. Mikrograf SEM dari CaCO3 berbentuk kubus.............................. 13
Gambar 4. Frekuensi gelombang suara.......................................................... 15
Gambar 5. Proses terjadinya kavitasi............................................................. 17
Gambar 6. Kristal tunggal dan polikristal ...................................................... 20
Gambar 7. Unit sel dan kisi kristal (lattice) ................................................... 21
Gambar 8. Unit sel dengan sumbu koordinat (x, y, z), aksial (a, b, c), dan sudut interaksial (α, β, γ) ....................................................... 22
Gambar 9. Bidang kristalografi (Indeks Miller) ............................................. 24
Gambar 10. Spektrum gelombang elektromagnetik ....................................... 25
Gambar 11. Proses Difraksi sinar-X.............................................................. 27
Gambar 12. Full Width at Half Maximum (FWHM) ..................................... 29
Gambar 13. Skema Scanning Electron Microscope ...................................... 32
Gambar 14. Sinyal – sinyal emisi pada SEM ............................................... 33
Gambar 15. Proses Kerja Scanning Electron Microscope (SEM).................. 34
Gambar 16. Diagram alir penelitian............................................................... 38
Gambar 17. Diagram skematik proses presipitasi .......................................... 39
Gambar 18. Diagram skematik proses Difraksi Sinar-X................................. 40
Gambar 19. Difraktogram CaCO3 standar ICSD, dan hasil penelitian............ 44
Gambar 20. Hasil refinement dari pola difraksi sinar-x sampel CaCO3 .......... 45
Gambar 21. Grafik hubungan waktu sonokimia terhadap ukuran kristal sampel CaCO3 .............................................................. 47
Gambar 22. Mikrograf SEM sampel CaCO3 dengan waktu Sonokimia (a) 60, (b) 120 dan (c) 180 menit ............................................. 50
Gambar 23. Mikrograf SEM CaCO3 blanko (Merck) ..................................... 51
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Diagran Alir Penelitian.............................................................. 60
Lampiran 2. Diagram Kerja........................................................................... 61 Lampiran 3. Data hasil perhitungan ukuran Kristal sampel CaCO3 menggunakan program Microcal Origin ................................. 65
Lampiran 4. Data hasil perhitungan ukuran Kristal sampel CaCO3
menggunakan program RIETAN.............................................. 66
Lampiran 5. Data Parameter kisi sampel CaCO3 .......................................... 67
Lampiran 6. Data criteria and goodness of fit sampel CaCO3....................... 67
Lampiran 7. Diffraktogram sampel CaCO3.................................................... 68
Lampiran 8. Hasil refinement pola XRD sampel CaCO3................................ 68
Lampiran 9. Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi jumlah tetesan per menit ........................................................ 69
Lampiran 10. Alat-alat yang digunakan ......................................................... 70
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Bubuk kalsium karbonat (CaCO3) nanostrukutur memiliki aplikasi yang
luas didalam berbagai bidang industri. CaCO3 digunakan untuk pigmen putih,
pengisi dan pengembang untuk kertas, karet, cat, dan plastik. Meskipun produk
komersial yang tersedia memilki rata-rata ukuran partikel dari submikron sampai
dengan beberapa mikron, partikel terkecil tanpa penggumpalan menjadi syarat
untuk mengembangkan sifat-sifat penting lainnya dalam produk akhir
[Tsuzuki et.al, 2000].
Material nanostruktur belakangan ini menjadi bidang yang sangat menarik,
dan memiliki banyak metode yang telah dikembangkan, salah satunya adalah
proses sonokimia. Sonokimia terbagi menjadi tiga bidang : sonokimia homogen
cair, sonokimia heterogen cair-cair atau cair-padat, dan sonokatalis (gabungan
yang pertama dan kedua). Reaksi kimia tidak dapat terjadi selama iradiasi
ultrasonik sistem padat atau sistem padat-gas, dikarenakan kavitasi hanya dapat
terjadi dalam cairan. Irradiasi ultrasonik berbeda dari sumber energi tradisional
(seperti panas, cahaya, atau radiasi ionisasi) dalam hal waktu, tekanan, dan energi
per molekul. Ultrasonik memberikan suatu mekanisme yang tidak biasa untuk
menghasilkan energi kimia yang sangat besar, dikarenakan besarnya suhu dan
tekanan serta tingkat pemanasan yang luar biasa yang dihasilkan dari pecahnya
gelembung kavitasi. Dalam fotokimia, sejumlah besar energi diintroduksi dalam
waktu singkat, tetapi energi termal ini lebih baik dari eksitasi elektron. Suhu
termal yang tinggi dapat dicapai. Sonokimia memiliki komponen bertekanan
tinggi yang memungkinkan dapat digunakan untuk produksi dalam skala
mikroskopis, kondisi skala yang sama besar yang dihasilkan selama letusan atau
guncangan gelombang (guncangan gelombang adalah kompresi gelombang yang
terbentuk ketika kecepatan badan cairan relatif melebihi medium yang dapat
mengirimkan suara) [Suslick, 1994].
Pada penelitian ini dilakukan pembuatan CaCO3 berukuran nanometer
dengan metode presipitasi melalui proses sonokimia. Sesuai persamaan reaksi
berikut :
Na2CO3 + CaCl2 → CaCO3 + 2NaCl
Karakterisasi CaCO3 digunakan Instrumen X-Ray Diffraction (XRD) dan
Scanning Electron Microscope (SEM). XRD merupakan tehnik non-destruktif
yang dapat memberikan informasi lengkap tentang komposisi kimia dan struktur
kristal dari material alam dan buatan, yaitu dengan cara melewatkan sinar-x (yang
telah diketahui panjang gelombangnya) pada permukaan sampel yang akan
diidentifikasi (Sofyan, 2007). SEM merupakan alat deteksi yang menggunakan
sinar elektron berenergi tinggi untuk melihat objek pada skala yang sangat kecil
dan dapat memberikan penjelasan yang lengkap dari suatu permukaan,
memberikan informasi mengenai ukuran dan bentuk dan ukuran dari suatu
nanopartikel.
1.2. Rumusan Masalah
Apakah waktu sonokimia dapat berpengaruh terhadap ukuran kristal dalam
sintesis kalsium karbonat (CaCO3)?
1.3. Ruang Lingkup penelitian
1. Membuat kalsium karbonat (CaCO3) dengan berbagai variasi waktu
sonokimia.
2. Karakterisasi sampel kalsium karbonat (CaCO3) dengan menggunakan
X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM).
1.4. Hipotesis
H0 = Lamanya waktu sonokimia berpengaruh terhadap ukuran kristal
kalsium karbonat (CaCO3)
H1 = Lamanya waktu sonokimia tidak berpengaruh terhadap ukuran
kristal kalsium karbonat (CaCO3)
1.5. Tujuan Penelitian
1. Mensintesis kalsium karbonat (CaCO3) dengan metode presipitasi melalui
proses sonokimia.
2. Karakterisasi CaCO3 menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan
Scanning Electron Microscope (SEM).
3. Mempelajari pengaruh waktu sonokimia terhadap ukuran kristal. Hasil
yang diharapkan adalah berkurangnya ukuran kristal sampel CaCO3.
1.6. Manfaat Penelitian
Kalsium karbonat (CaCO3) nanopartikel banyak digunakan dalam berbagai
bidang industri, yaitu untuk pigmen putih, pengisi dan pengembang untuk kertas,
karet, cat, dan plastik, dikarenakan pada ukuran nanopartikel CaCO3 dapat
terdispersi lebih merata di dalam matriks sehingga dapat tercampur dengan
homogen. CaCO3 nanopartikel sebagai pengisi pada plastik dapat menghasilkan
plastik biodegradable yang ramah lingkungan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kalsium Karbonat (CaCO3)
CaCO3 adalah senyawa kimia berwarna putih yang paling umum dari
mineral nonsilikat. CaCO3 terdapat di alam dalam bentuk limestone dan kapur
(Alger, 1989). CaCO3 terdapat dalam tiga bentuk kristal, calcite
(trigonal-rhombohedral), Aragonite, dan Vaterite. CaCO3 tidak larut dalam air
tetapi sedikit larut dalam air yang mengandung CO2 terlarut bergabung
membentuk bikarbonat Ca (HCO3)2 seperti reaksi pada limestone (yang sebagian
besar tersusun dari calcite) yang menyebabkan terbentuknya stalaktit dan
stalagmit pada gua (The Columbia Encyclopedia). Limestone tanah, yang
memiliki ukuran partikel 0,5 – 30 µm adalah jenis dengan kemurnian paling
rendah, sedangkan kapur tanah atau biasa disebut whiting memiliki kemurnian
sampai dengan 99% calcite dengan ukuran partikel sekitar 1,5 µm (Alger, 1989).
Terdapat tiga proses pembentukan CaCO3 di bumi :
a. Alamiah (life process)
Kalsium (yang berasal dari kehidupan) bergabung dengan karbonat (dalam
air laut atau dari atmosfir), yang telah ditemukan pada zaman dahulu di
dalam fossil yang disebut limestone.
b. Presipitasi kimia dibawah suhu rendah.
CaCO3 terlarut di dalam air dan karbondioksida (CO2) dan dapat
ditemukan pada dinding-dinding gua.
c. Reaksi shockwave
Terdapat tiga jenis CaCO3 yang terbentuk melalui reaksi shockwave :
1. Tumbukan alamiah pada batu limestone
2. Tumbukan alamiah pada batu yang banyak mengandung kalsium
(biasanya berasal dari meteorit) dengan material yang kaya akan
karbon dari komet dan meteorit.
3. Shockwave buatan dari ledakan besar di udara (contoh: bom atom
hiroshima). Kalsium yang berasal dari meteor bergabung dengan
karbon dan oksigen dari atmosfir membentuk CaCO3. Reaksi
tumbukan ini dihasilkan dengan mudah dengan komposisi yang
tidak tentu antara kalsium dan ion karbonat melalui reaksi yang
cepat (Miura, 2007).
CaCO3 secara luas digunakan sebagai pengisi (filler) dalam komposit
plastik dan karet. Material ini memiliki banyak keunggulan, seperti warnanya
yang sangat putih, harga terjangkau dan ukuran partikelnya dapat diatur (Alger,
1989). Pada bidang industri, CaCO3 digunakan sebagai modifier dan sebagai
bahan pelapis (coating) dalam pembuatan kertas. CaCO3 termasuk zat padat
kristalin dengan kelarutan rendah, sedikit terhidrolisis pada pH diatas 7
(colloidal dynamics).
2.2. Nanoteknologi
Nanoteknologi merupakan teknologi yang berkenaan dengan rancangan,
pembuatan dan aplikasi dari nanostruktur atau nanomaterial dengan mengontrol
bentuk dan ukuran materi dalam skala nanometer. Nanoteknologi merupakan awal
yang memungkinkan para ilmuwan, perekayasa, dan ahli medis untuk bekerja
pada tingkat seluler dan molekuler untuk kemajuan ilmu dan perawatan kesehatan
(Yulianti 2008). Nanostruktur dapat secara signifikan mengubah sifat-sifat
material, seperti sifat optik, kekerasan, bentuk dan morfologi (Gupta, 2004).
Nanopartikel didefinisikan sebagai partikel padat yang berukuran kecil
dengan kisaran ukuran dari 1 sampai 100 nanometer. Partikel yang sangat halus
dengan skala nanometer ini merupakan daerah transisi antara skala molekuler dan
skala makroskopis (Yulianti, 2008).
Dipandang dari segi molekuler, nanopartikel ini berukuran cukup besar
sehingga pendekatan melalui sifat kuantum kurang tepat; sedangkan bila
dipandang sebagai materi, mereka sangat kecil dan mempunyai ciri khas yang
tidak teramati pada partikel berukuran lebih besar (> 100 nm). sebagai contoh,
pada logam mulia seperti emas, nanopartikelnya memperlihatkan warna merah
dan memperlihatkan sifat katalis yang unggul pada temperatur rendah.
Nanopartikel logam juga memperlihatkan sifat mekanik yang luar biasa seperti
superplasticity. Komposit matriks keramik dengan skala nanometer juga
mempunyai sifat mekanik yang lebih baik. Alasan utama yang mendasari
perubahan sifat ini yaitu meningkatnya luas permukaaan dan munculnya efek
kuantum pada material berukuran nanometer (Yulianti, 2008).
Nanopartikel secara luas dianggap penting sebagai dasar pembuatan
material baru dan berbagai peralatan dalam nanoteknologi. Salah satu contoh yang
paling mengesankan adalah material berbasis nanopartikel yang telah dibuat
dengan kekerasan menyamai atau bahkan melebihi berlian (IPRIME). Beberapa
metode untuk sintesis material nanopartikel telah dikembangkan, salah satunya
yaitu High energy ball milling (cara fisik) dan membran emulsi cair (Liquid
emulsion membrane).
High energy ball milling adalah suatu metode sintesis material yang telah
berkembang pada proses industri. Metode ini telah berhasil membuat campuran
logam dan fasa campuran pada tahun 1970-an. Pada penelitian nanomaterial,
teknik ini sangat baik digunakan untuk mengatur ukuran partikel dalam skala
nano. Beberapa jenis peralatan milling telah dikembangkan untuk tujuan yang
berbeda, yaitu tumbler mills, attrition mills, shaker mills, vibratory mills, dan
planetary mills. Pada planetary micro mills, bola milling dan material dimasukan
ke dalam wadah penggiling dan kemudian disentrifugasi, yang diatur dalam
intensitas yang efisien. Wadah milling dan tiang cakram berputar ke arah yang
berlawanan sehingga terjadi gesekan, bola milling bergerak di bagian dalam
wadah milling, dan terjadi efek tumbukan, bola milling menumbuk dinding wadah
dari arah berlawanan. Energi tersebut dihasilkan dari tumbukan yang lebih banyak
dari cara penggilingan konvensional. Menghasilkan kinerja milling yang sangat
baik dalam waktu yang sangat singkat.
Kontaminasi dari lingkungan dapat dikurangi dengan menyegel wadah
dengan flexible ’O’ ring setelah serbuk dimasukan, jika digunakan media zat cair
dalam milling (biasanya zat organik) kontaminasi dari peralatan milling dapat
dicegah. Kita dapat membuat partikel halus dengan perbedaan ukuran partikel dan
mengakibatkan perbedaan sifat fisik. Beberapa parameter yang terdapat dalam
High energy ball milling adalah , jenis milling, atmosfir miling, media milling,
bola sesuai ratio berat serbuk, waktu milling, suhu milling (Spinelnews, 2007).
Liquid emulsion membrane (LEM) pertama kali dikembangkan oleh Li at
Exxon. Metode LEM pertama kali menjadi perhatian yaitu pada tahun 1970-an dan
1980-an. LEM memiliki sejumlah aplikasi dalam penghilangan dan recovery pada
larutan. Saat ini, metode ini telah digunakan untuk sintesis nanopartikel dan
makromolekul. Penggunaan fase internal untuk mengontrol ukuran partikel dan
morfologi menjadi bidang sangat menarik belakangan ini. Prosesnya terdiri dari
empat tahap utama, tahap pertama adalah pencampuran fasa larutan internal
dengan fasa organik untuk membentuk emulsi minyak – air. Kemudian dicampur
di dalam tempat pencampuran yang lebih besar dengan fasa larutan eksternal
untuk membentuk emulsi air – minyak – air . fasa eksternal mengandung ion yang
akan dikirim melewati membrane untuk bereaksi dengan fasa internal. Proses
yang terjadi pada metode LEM dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Proses yang terjadi pada metode LEM
Transport ion logam terjadi melalui fasilitas transport menggunakan
carrier dari feed solution. Ini terjadi pada tahap ketiga, pada tahap ini ion logam
membentuk endapan yang kemudian dihilangkan dari produk. Tetesan kecil
emulsi umumnya digunakan sebagai pereaksi mikro. Tetesan emulsi internal
berukuran mikro dianggap sebagai pemisah sedemikian rupa sehingga control
ukuran partikel tidak tergantung pada keseluruhan larutan tetapi di dalam tetesan
emulsi.
Salah satu keuntungan menggunakan metode LEM adalah dapat dirancang
dengan selektivitas tinggi tergantung tujuan yang diinginkan, contohnya pada
penghilangan litium dari campuran kalium dan natrium. Keuntungan lain
menggunakan metode LEM adalah biaya operasional terjangkau selama layer
organik (minyak) dapat digunakan kembali dan memiliki tingkat pemisahan yeng
tinggi dari area permukaan. Hirui et.al, melaporkan bahwa metode LEM dapat
digunakan untuk sintesis kalsium fosfat bulat (spherical) (Gupta, 2004).
Kondisi operasional yang optimum untuk setiap sistem berbeda dari setiap
proses. Faktor – faktor seperti konsentrasi ion di kedua fasa, pH, dan suhu
berperan besar dalam sifat produk. Salah satu kelemahan metode LEM yaitu
emulsi bisa menjadi tidak stabil setelah kontak dengan feed solution dan pada
pencampuran kecepatan tinggi (Gupta, 2004).
2.3. Precipitated Calcium Carbonate (PCC)
Precipitated Calcium Carbonate (PCC) sangat murni dan memiliki ukuran
partikel yang sangat halus, sampai 0,05 µm, terdiri dari campuran calcite dan
aragonite. Fungsi utama PCC dalam industri kertas untuk meningkatkan
kecerahan kertas dengan biaya yang tetap murah. Berikut adalah fungsi PCC
sebagai pengisi (filler) :
a. Meningkatkan kualitas cetak dengan merubah kehalusan dan penyerapan
tinta.
b. Meningkatkan sifat-sifat fisik,tekstur dan stabilitas bentuk.
Dalam industri plastik PCC digunakan sebagai pengisi (filler) dalam
komposit polimer seperti PVC plastis dan kaku, poliester tak jenuh, polipropilen,
dan polietilen. PCC juga digunakan dalam pelapisan (coating). Opasitas pelapisan
dipengaruhi oleh kehalusan dan distribusi ukuran partikel. PCC dapat
meningkatkan sifat pelapisan seperti, tahan cuaca, anti korosi, sifat reologi, dan
tahan gesek. PCC juga digunakan dalam bidang pertanian sebagai pupuk. Berguna
untuk menstabilkan pH tanah. Juga digunakan sebagai suplemen kalsium pada
makanan hewan (Gupta, 2004).
Kovacevic et.al menemukan bahwa CaCO3 nanokomposit memperlihatkan
sifat khas dan meningkatkan sifat-sifat dalam komposit polimer. Dalam matriks
polyvinyl acetate (PVac), morfologi komposit bergantung pada ukuran partikel
pengisi. Bentuk jaringan nanopartikel terdispersi di dalam matriks, dimana
partikel dalam skala mikro berbentuk pulau. Qui et.al mempelajari aplikasi
CaCO3 nanopartikel sebagai aditif dalam minyak pelumas telah ditemukan bahwa
CaCO3 nanopartikel menunjukan kapasitas good load-carrying dan sifat
mereduksi gesekan (Gupta, 2004).
Hingga kini, terdapat fakta dalam metode optimasi untuk mengontrol
ukuran dan sifat morfologi partikel PCC. Metode mutakhir yang telah digunakan
pun sulit untuk memprediksi ukuran partikel, morfologi dan membutuhkan jumlah
energi yang besar. (Gupta, 2004).
Ada beberapa metode untuk sintesis nanopartikel. Pembuatan material
nanofase dengan evaporasi gas adalah salah satu metodenya, yang diperkenalkan
oleh Granqvist dan Burman. Adanya evaporasi termal telah diketahui membatasi
metode ini untuk logam dan senyawa intermetalik. Keterbatasan ini dapat diatasi
oleh Hahn dan Averback dengan mengganti sumber evaporasi termal dengan
sputtering source sehingga memungkinkan untuk sintesis nanopartikel. Ukuran
partikel bergantung pada tekanan Ar pada ruang pengoperasian. Sedikit perubahan
pada tekanan akan merubah ukuran partikel (Gupta, 2004).
Wong et.al mensintesis PCC berukuran nanometer (15-40 nm)
menggunakan suspensi lime dalam reaktor berputar dan memiliki distribusi yang
sangat terbatas. Tahapan terpenting dalam metode tersebut adalah pengaturan
jumlah karbonasi yang terserap CO2, kemudian ditemukan pengontrolan dengan
dissolusi Ca(OH)2. Metode ini juga dikenal dengan Presipitasi Reaktif Multifase
Gravitasi Tinggi. Metode ini membutuhkan Centrifuge dengan akselerasi tinggi
untuk membuat gravitasi yang besar melebihi gravitasi bumi. Dibutuhkan
peralatan sintesis yang mahal. Wong et.al melaporkan bahwa bentuk (spherical
dan needle-like seperti ditunjukan pada Gambar 2 ) dan morfologinya dapat diatur
(Gupta, 2004).
Gambar 2. Mikrograf SEM dari CaCO3 berbentuk spherical dan needle-like.
Tsuzuki et.al mensintesis CaCO3 nanopartikel menggunakan reaksi
mechanochemical diikuti dengan perlakuan panas. Reaksi perubahan fasa padat
akan terjadi selama penggilingan mekanik pada reaksi pencampuran serbuk.
Perlakuan panas memastikan sempurnanya reaksi. Keterbatasan metode ini adalah
morfologi partikel calcite (ditunjukan pada Gambar 3) dan memerlukan pasokan
energi yang besar. Penggilingan mekanik menyebabkan bentuk partikel dan
distribusi yang tidak merata (Gupta, 2004).
Liu et.al membuat partikel komposit CaCO3/SiO2 berukuran nanometer
dengan proses sol-gel CaCO3 dan SiO3 dalam tangki reaktor berputar, dengan
rata-rata ukuran komposit sol-gel CaCO3 kira-kira 40 nm. CaCO3 nanopartikel
juga telah dibuat menggunakan tehnik mikro emulsi yang terdiri dari sodium
dedocyl sulphate (SDS)/isopentanol/sikloheksana/air. Zhang et.al mensintesis
nanopartikel CaCO3 dalam sistem reaksi Ca(OH)2/-H2O-CO2. Hal ini telah
dilaporkan bahwa meningkatnya suhu dan fraksi massa suspensi Ca(OH)2 dapat
meningkatkan ukuran partikel pada produk akhir (Gupta, 2004).
Gambar 3. Mikrograf SEM dari CaCO3 berbentuk kubus (calcite).
2.4. Sonokimia
2.4.1 Ultrasonik
Gelombang suara (bunyi) pada dasarnya mempunyai frekuensi dari yang
rendah hingga tinggi, seperti ditunjukan pada Gambar 4. Berdasarkan
kegunaannya dapat dibedakan menjadi : 1) bunyi yang bisa didengar oleh manusia
(16 Hz-18 Hz): 2) ultrasonik konvensional (20 KHz-100 KHz); 3) sonokimia (20
KHz-2 MHz); 4) ultrasonik untuk diagnostik (5 MHz-10 MHz). Frekuensi yang
lebih rendah dimana energi akustiknya lebih besar bisa menginduksi terjadinya
kavitasi dalam cairan. Peristiwa kavitasi inilah yang dimanfaatkan untuk
sonokimia. Sonokimia biasanya menggunakan frekuensi antara 20 dan 40 KHz
karena daerah ini merupakan kisaran frekuensi yang umum digunakan pada
peralatan laboratorium. Ultrasonik frekuensi tinggi mulai dari 5 MHz dan di
atasnya tidak menghasilkan kavitasi dan kisaran frekuensi ini banyak digunakan
di bidang kesehatan (Yulianti, 2008). .
Gelombang ultrasonik adalah gelombang suara yang memiliki frekuensi
tinggi di atas ambang pendengaran manusia yaitu di atas 20 KHz, di mana pada
frekuensi tersebut manusia tidak dapat mendengar (Tipler, 1990). Banyak aplikasi
dari gelombang ultrasonik yang dapat ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Di
antaranya sebagai alat komunikasi pada hewan seperti kelelawar atau anjing. Di
dunia medis pemanfaatan gelombang ultrasonik ini biasa digunakan sebagai feotal
imaging sedangkan di dunia pelayaran sebagai pengukur kedalaman air (SONAR)
(Ariyandi, 2006).
Gambar 4. Frekuensi gelombang suara
Jauh sebelum ultrasonik ditemukan pada umumnya untuk meningkatkan
reaksi kimia yang terjadi hal yang dilakukan adalah dengan memvariasikan panas,
tekanan, cahaya atau dengan menambahkan katalis. Para ilmuwan menemukan
bahwa ketika gelombang ultrasonik melalui medium sebagai gelombang tekanan
dapat meningkatkan terjadinya reaksi kimia. Hal tersebut dikarenakan gelombang
suara ultrasonik yang melalui medium diubah menjadi gelombang tekanan yang
kemudian mempengaruhi panas dan tekanan yang pada akhirnya dapat
meningkatkan reaksi kimia yang terjadi (Gareth, 1995).
Bagi para peneliti khususnya kimiawan gelombang ultrasonik ini
digunakan dalam reaksi kimia untuk meningkatkan reaksi kimia. Meningkatnya
reaksi kimia disebabkan terbentuknya ion dan partikel yang tereksitasi akibat
pemberian gelombang ultrasonik yang kemudian terperangkap dalam gelembung.
Hal ini menyebabkan reaksi yang terjadi dapat meningkat dengan cepat yang
disebabkan keadaan partikel yang tereksitasi. Partikel tersebut bebas bereaksi
pada medium (Florence, 2005). Selain hal di atas pemberian gelombang ultrasonik
dapat menyebabkan perbedaan tekanan dan suhu yang tinggi sehingga dapat
menciptakan pencampuran antara larutan yang cukup efektif (emulsi)
(Gareth, 1995).
Perkembangan ultrasonik dimulai pada tahun 1880 ketika Curie
menemukan efek dari piezoelektrik. Kelebihan dari material ini adalah ketika
diberikan tegangan dengan frekuensi yang tinggi maka kristal dalam material
tersebut akan mengubah energi listrik menjadi energi vibrasi mekanik (suara).
Perkembangan dari material ini kemudian dijadikan sebagai transduser sebagai
bagian yang penting dalam pembuatan alat ultrasonik dalam berbagai macam
aplikasi.
Dalam perkembangannya gelombang ultrasonik dapat dipakai untuk menciptakan
gelembung yang dapat menimbulkan berbagai macam efek yang salah satunya
adalah mempercepat reaksi kimia. Hal tersebut dapat terjadi ketika gelombang
ultrasonik pada frekuensi ultrasonik diterapkan pada sebuah objek (cairan
homogen) maka adalah mungkin untuk menghasilkan reaksi kimia sebagai akibat
dari efek gelombang akustik yang menghasilkan kavitasi yang lebih dikenal
dengan kavitasi akustik (Ariyandi, 2006).
2.4.2 Kavitasi Akustik
Kavitasi adalah proses terbentuknya gelembung mikro di dalam media
perantara dalam hal ini cairan akibat pengaruh gelombang ultrasonik yang
diberikan. Proses peregangan dan tekanan membuat gelombang kavitasi tersebut
mengecil dan membesar sebagaimana perubahan gradient tekanan yang terjadi
pada lingkungan (Yulianti, 2008). Kavitasi akustik dihasilkan oleh ultrasonik, di
mana gelombang tersebut menghasilkan noda dan anti noda yang berhubungan
dengan tegangan dan regangan yang terjadi pada gelombang suara.
(Ariyandi, 2006).
Menurut teori hot spot, ketika kavitasi terbentuk maka akan mucul dua
jenis kavitasi, yang pertama adalah kavitasi stabil di mana terjadi perbedaan
tekanan yang dapat menyebabkan gelembung tersebut bertahan pada cairan
daripada mengalir ke permukaan, fenomena ini disebut akustik levitasi. Hal ini
berbeda dengan gelembung pada umumnya yang cenderung mengalir ke
permukaan di mana pergerakan gelembung mengarah ke tekanan yang lebih
rendah. Kavitasi yang juga terbentuk adalah kavitasi transien, di mana gelembung
yang terbentuk naik ke permukaan dan pecah akibat perbedaan tekanan dan
perbedaan suhu yang sangat tinggi (Brennen, 1995). Proses terjadinya kavitasi
ditunjukan pada Gambar 5, prosesnya diawali dengan terbentuknya gelembung
(bubble), diikuti dengan pertumbuhan gelembung (bubble grows), mencapai
ukuran yang tidak stabil (unstable size) dan akhirnya pecah (collapse) pada
temperature yang sangat tinggi (diatas 5000oC).
Gambar 5. Proses terjadinya kavitasi
Ketika tekanan luar rendah, gelembung melebar dan luas permukaan
meningkat yang dapat menyebabkan gas/uap terdifusi ke dalam gelembung.
Hasilnya tekanan di dalam meningkat. Lalu ketika tekanan di luar meningkat lagi
maka ada tekanan di dalam yang kemudian menyebabkan gelembung pecah
menjadi ukuran yang lebih kecil. Pada saat yang sama, meningkatnya tekanan di
dalam akan memaksa gas/uap untuk berdifusi keluar cairan (Brennen, 1995).
Semakin lama siklus dari kavitasi tersebut maka kavitasi yang terbentuk
akan semakin banyak. Pertumbuhan dari kavitasi ini akan mencapai titik kritis
ketika secara efisien dapat menyerap energi dari iradiasi ultrasonik (ukuran kritis)
(Ariyandi, 2006).
2.4.3 Aplikasi Sonokimia
Salah satu aplikasi baru yang terpenting dari sonokimia adalah untuk
sintesis dan modifikasi material anorganik. Pada zat cair yang diiradiasi dengan
gelombang ultrasonik intensitas tinggi, kavitasi akustik membuat pecahnya
gelembung memproduksi pemanasan yang tinggi, tekanan tinggi, dengan waktu
yang singkat, kejadian ini membatasi Hot spot yang merangsang terjadinya reaksi
kimia berenergi tinggi. Hot spot ini memiliki suhu sampai 5000 oC, dan tekanan
sekitar 1000 atm. Dengan demikian manfaat dari kavitasi berarti memusatkan
energi bunyi yang tersebar kedalam kondisi yang khusus untuk membuat material
khusus dari prekursor terlarut (Suslick, et al, 1999).
Zat padat yang terbuat dari komponen berukuran nanometer sering
menunjukan sifat-sifat yang berbeda dari biasanya, dikarenakan sebagian
kelompok kecil yang memiliki struktur elektronik yang memiliki densitas yang
tinggi. Material nanostruktur telah menjadi sesuatu yang mutakhir, dan beberapa
metode telah dikembangkan untuk pembuatannya. Beberapa metode sintesis
material nanostruktur adalah :
a. Metode fasa gas ( molten metal evaporation, flash vacuum thermal,
and laser pyrolysis decomposition of volatile organometallics),
b. Metode fasa cair (reduction of metal halides with various strong
reductants, colloid techniques with controlled nucleation),
c. Penggabungan keduanya (synthesis of conventional heterogeneous
catalist on oxide supports, metal atom vapor deposition into
cryogenic liquids, explosive shock synthesis) (Suslick, et al 1999).
2.5. Struktur Kristal
2.5.1 Konsep Dasar
Kristal adalah padatan yang atom-atomnya, ion-ionnya, atau molekul-
molekulnya berada dalam susunan tiga dimensi yang teratur. Kebanyakan logam
bersifat kristalin, sedangkan kaca dan sebagian besar polimer bersifat amorphous.
Terdapat dua jenis kristal, yaitu kristal tunggal (single crystal) dan polikristal,
seperti dtunjukan pada Gambar 6. Kristal tunggal adalah suatu material dimana
semua atom-atomnya tersusun sendiri dalam satu arah, sedangkan polikristal
adalah suatu material yang tersusun atas beberapa kelompok atom atau butir
(grain) yang memiliki orientasi yang berbeda satu sama lain (Sofyan, 2007).
Beberapa sifat dari material kristalin tergantung dari struktur kristalnya, dimana
atom-atom, ion-ion, dan molekul-molekulnya tersusun (Callister, 2007).
Gambar 6. Kristal tunggal dan polikristal.
Ketika menggambarkan struktur kristal, atom-atomnya digambarkan
dengan bola dengan diameter yang telah ditentukan. Gambaran tersebut dikenal
dengan model bola atom banyak (atomic hard sphere model), yang mana bola-
bola tersebut menggambarkan atom-atom dari jarak terdekat yang saling
bersentuhan, seperti ditunjukan pada Gambar 7. Dalam hal ini semua atom
identik, terkadang istilah kisi (lattice) digunakan dalam konteks struktur kristal;
kisi adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi sedemikian rupa sehingga
setiap titik memiliki lingkungan yang sama (Callister, 2007).
2.5.2 Unit Sel
Orde atom dalam zat padat kristalin menunjukan bahwa grup kecil dari
atom-atom membentuk pola yang berulang. Dengan demikian, dalam
menggambarkan struktur kristal sering disesuaikan dengan membagi struktur
kristal menjadi satuan unit berulang yang lebih kecil yang disebut unit sel, seperti
ditunjukan pada Gambar 7. Unit sel untuk kebanyakan struktur kristal adalah
bidang sejajar atau prisma yang memiliki tiga bidang muka (face) yang sejajar
yang digambarkan dengan bola, yang dalam hal ini membentuk kubus. Unit sel
merupakan unit struktur dasar atau blok penyusun struktur kristal dan menegaskan
struktur kristal dengan geometri yang nyata dengan posisi atom di dalamnya
(Callister, 2007).
Gambar 7. Unit sel dan kisi kristal (lattice)
2.5.3 Sistem Kristal
Terdapat beberapa kemungkinan perbedaan struktur kristal, sehingga hal
ini tepat untuk menjadi dasar pengelompokan menjadi beberapa kelompok
menurut konfigurasi unit sel atau susunan atom. Pada skema yang diambil dari
geometri unit sel (bentuk unit sel bidang sejajar yang sesuai tanpa memperhatikan
posisi atom di dalam sel) atau disebut framework ini ditetapkan sistem koordinat
x, y, z. Geometri unit sel secara lengkap didefinisikan dalam 6 parameter, 3 rusuk
a, b, c dan 3 sudut interaksial α, β, γ, seperti ditunjukan pada Gambar 8. Parameter
ini disebut dengan parameter kisi (Lattice parameters).
Gambar 8. Unit sel dengan sumbu koordinat (x, y, z), aksial (a, b, c),
dan sudut interaksial (α, β, γ)
Dalam hal ini ada tujuh kemungkinan kombinasi perbedaan dari rusuk a,
b, c, dan sudut interaksial α, β, γ, yang mewakili perbedaan sistem kristal. Tujuh
sistem kristal ini terdiri dari kubik, tetragonal, heksagonal, ortorombik,
rombohedral (trigonal), monoklinik, dan triklinik. Hubungan sistem kristal dengan
parameter kisi ditunjukan pada Tabel 1. Sistem kubik (a = b = c, α = β = γ = 90o)
merupakan sistem yang memiliki tingkat simetri yang terbaik, sedangkan sistem
triklinik (a ≠ b ≠ c, α ≠ β ≠ γ) merupakan sistem yang memiliki tingkat simetri
yang paling akhir.
Tabel 1. Hubungan sistem kristal dengan parameter kisi
Sistem kristal
Parameter kisi
Kisi Bravais
Kubik
a = b = c , α = β = γ = 90o
Simple Body-centered Face-centered
Tetragonal
a = b ≠ c , α = β = γ = 90o
Simple Body-centered
Ortorombik
a ≠ b ≠ c , α = β = γ = 90o
Simple Body-centered Base-centered Face-centered
Rombohedral (Trigonal)
a = b = c , α = β = γ ≠ 90o
Simple
Heksagonal
a = b ≠ c , α = β = 90o ,γ = 120 o
Simple
Monoklinik
a ≠ b ≠ c , α = γ = 90o, ≠ β
Simple Base-centered
Triklinik
a ≠ b ≠ c , α ≠ β ≠ γ ≠ 90o
Simple
2.5.4 Bidang Kristalografi (Indeks Miller)
Orientasi bidang dari struktur kristal telah digambarkan dengan cara yang
sama, yaitu dengan dasar unit sel dengan sistem tiga sumbu koordinat, seperti
yang ditunjukan pada Gambar 8.
Seluruh sistem kristal, kecuali heksagonal, bidang kristalografinya
ditetapkan dengan tiga Indeks Miller, yaitu h, k, dan l. Seperti ditunjukan pada
Gambar 9. Prosedur untuk menentukan Indeks Miller adalah sbb :
1) Tentukan sumbu awal (origin)
1
1
1
1
1
∞
2) Tentukan titik potong antara bidang dan sumbu : 1, 1, ∞
3) Tentukan kebalikannya : => 1, 1, 0
4) Tentukan kelipatan terkecil (faktorisasi) : (110)
Gambar 9. Bidang kristalografi (Indeks Miller)
2.6. X-Ray Diffraction (XRD)
Sinar-X ditemukan pertama kali oleh seorang fisikawan Jerman bernama
Rontgen pada tahun 1895 pada saat sedang melakukan percobaan dengan
melewatkan muatan listrik melalui tabung dengan kevakuman tinggi. Uniknya
dinamakan sinar-X karena sifat-sifat alami dari sinar-X belum dapat diketahui
pada saat itu (Cullity, 2001). Pada penelitian selanjutnya diketahui bahwa sinar-X
ini merupakan radiasi gelombang elektromagnetik, serupa dengan cahaya tampak
tapi memiliki panjang gelombang yang berbeda dengan panjang gelombangnya
berkisar pada 1 Å. Sinar-X berada pada daerah antara sinar gamma dan sinar
ultraviolet dalam spektrum gelombang elektromagnetik. Gambar 10.
memperlihatkan spektrum gelombang elektromagnetik.
Gambar 10. Spektrum gelombang elektromagnetik.
Adanya struktur kristal dapat dibuktikan dengan analisis difraksi sinar-X.
berkas gelombang elektromagnetik yang mengenai kristal mengalami difraksi
sesuai dengan hukum fisika. Penggunaan sinar-X sebagai sumber dalam proses
difraksi untuk meyelidiki struktur kristal material dikarenakan sinar-X adalah
spektrum gelombang elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang
0,1- 100 Å. Panjang gelombang ini seorde dengan jarak antar atom pada kristal
sehingga cahaya yang datang akan didifraksikan oleh atom-atom dalam kristalnya.
Jika digunakan cahaya yang panjang gelombangnya tidak seorde maka cahaya
yang datang tidak akan terdifraksi dan struktur kristalnya tidak dapat diketahui
(Cullity, 2001).
Perbedaan panjang gelombang menunjukan interaksi gelombang
elektromagnetik terhadap materi yang berbeda. Panjang gelombang yang
digunakan untuk XRD berbeda dengan yang digunakan untuk keperluan medis.
Untuk keperluan medis menggunakan soft x-ray dengan panjang gelombang
10 - 50 Å, sedangkan untuk XRD menggunakan panjang gelombang 0,5 - 2,5 Å
(Sumhaeni, 2005).
Ketika berkas sinar-X menumbuk permukaan kristal membentuk sudut θ,
maka akan dihamburkan oleh lapisan atom pada permukaan. Berkas sinar-X yang
tidak dihamburkan menembus ke lapisan atom kedua dimana berkas dihamburkan
lagi, dan berlanjut sampai ke lapisan ketiga (Gambar 11.) (Skoog, 1998). Jika
panjang gelombang hamburan sinar-X tidak berubah (foton sinar-X tidak
kehilangan banyak energi) dinamakan hamburan elastik (hamburan Thompson)
dan terjadi transfer momentum dalam proses hamburan (Afandi, 2006).
Persyaratan untuk difraksi sinar-X adalah, ruang antar lapisan atom harus keras
dan pusat hamburan harus terdistribusi meregang (Skoog, 1998).
Pada tahun 1912 W.L. Bragg mempelajari difraksi sinar-X oleh kristal
seperti ditunjukan pada Gambar 11. Disini terlihat bahwa berkas tipis radiasi
menumbuk permukaan kristal membentuk sudut θ, terjadi hamburan sebagai
konsekuensi terjadinya interaksi radiasi dengan atom pada posisi O, P, dan R. Jika
jarak AP + PC = n λ dimana n adalah integer, radiasi yang dihamburkan akan
berada pada O, C, D, dan kristal akan memantulkan radiasi sinar-X. Sedangkan
AP = PC = d sin θ dimana d adalah jarak antar bidang kristal. Sehingga kita dapat
menuliskan sebuah persamaan sebagai berikut :
n λ = 2d sin θ
dimana :
h2
a2
1
d2
k2 l2
n : nomor orde hamburan
λ : panjang gelombang
θ : sudut difraksi yang menggambarkan posisi puncak
d : jarak antar bidang
Persamaan tersebut dikenal dengan persamaan Bragg dan merupakan pokok yang
sangat penting dalam XRD. Perlu dicatat bahwa pantulan sinar-X dari kristal
terjadinya jika hanya sudut yang terjadi memenuhi kondisi berikut,
Sin θ = n λ / 2 d (Skoog 1998). Dalam pola difraksi XRD, sudut difraksi yang
ditampilkan adalah 2θ, dikarenakan sudut datang dianggap sama dengan sudut
difraksi.
Gambar 11. Proses Difraksi sinar-X.
Parameter kisi dapat dihitung dengan menggunakan prinsip persamaan
jarak antar bidang, yaitu :
Geometri kristal kubik
h
a2
l
c2
1
d2
k
b2
h2
a2
1
d2
k2
l2
c2
Geometri kristal tetragonal Geometri kristal heksagonal
= ( )+
Geometri kristal ortorombik
Dimana d adalah jarak antar bidang; h, k, l adalah Indeks Miller dan a, b, c adalah
parameter kisi
Derajat kristalinitas yaitu besaran yang menyatakan banyaknya kandungan
kristal dalam suatu material dengan membandingkan luasan kurva kristal dengan
total luasan amorf dan kristalit. Derajat kristalinitas dihitung menggunakan
parameter Full Width at Half Maximum (FWHM), ditunjukan pada Gambar 12.
Fraksi luas kristal atau amorf dihitung dengan mengkalikan FWHM (B) dengan
intensitas. FWHM dianggap sebagai setengah alas dan intensitas sebagai tingginya
(Nurmawati, 2007).
FWHM (B) =
Fraksi luas kristal = B kristal Intensitas
Fraksi luas amorf = B amorf Intensitas
K λ
B cos θ D
Gambar 12. Full Width at Half Maximum (FWHM)
Perhitungan ukuran kristal digunakan Persamaan Scherrer yaitu
Di mana D merupakan diameter rata-rata, K merupakan faktor keadaan, B
merupakan perluasan full width at half maximum (FWHM) puncak difraksi yang
dihitung dalam radian, merupakan panjang gelombang sinar-x dan θ merupakan
sudut difraksi Bragg (Skoog 1998).
2.7. Scanning Electron Microscope (SEM)
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah alat deteksi yang
menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk melihat objek pada skala yang
sangat kecil. Scanning Electron Microscope (SEM) memberikan penjelasan yang
detail dari suatu permukaan, memberikan informasi mengenai ukuran dan bentuk
dan ukuran dari suatu nanopartikel (Afandi, 2006).
Scanning Electron Microscope (SEM) adalah microscope yang
menggunakan hamburan elektron dalam membentuk bayangan. Alat ini memiliki
banyak keuntungannya jika dibandingkan dengan menggunakan mikroskop
cahaya. SEM menghasilkan bayangan dengan resolusi yang tinggi, yang
maksudnya adalah pada jarak yang sangat dekat tetap dapat menghasilkan
perbesaran yang maksimal tanpa memecahkan gambar. Persiapan sampel relatif
mudah. Kombinasi dari perbesaran kedalaman jarak fokus, resolusi yang bagus,
dan persiapan yang mudah, membuat SEM merupakan alat yang sangat penting
untuk digunakan dalam penelitian saat ini, skema SEM ditunjukan pada Gambar
13.
SEM terdiri dari dua bagian utama, yaitu konsol elektronik dan kolom
electron. Pada konsol terdapat tombol-tombol yang berguna untuk mengatur
fokus, perbesaran, dan intensitas gambar pada tampilan layar. Kolom merupakan
tempat berkas elektron dihasilkan, difokuskan ke suatu titik kecil dan di scan
melewati sampel untuk membuat sinyal yang dapat mengontrol intensitas gambar
pada layar. Di bawah ini adalah komponen-komponen penyusun SEM :
a. Penembak elektron (Electron gun)
Sumber elektron ditempatkan pada bagian atas kolom dimana
elektron diemisikan dari kawat tungstein dan diakselerasikan melewati
kolom vakum. Tiga komponen penghasil elektron yaitu, kawat pijar
(filament), wehnelt yang berguna mengatur jumlah elektron yang
dikeluarkan, dan anoda yang mempercepat electron pada tegangan 0,2 –
40 kV, vakum minimal mendekati 10-5 torr, karena elektron hanya dapat
melaju dalam jarak pendek di udara.
b. Lensa elektron (Electron lens)
Terdiri dari dua lensa kondensor dan satu lensa objektif yang
berguna untuk memperkecil berkas elektron menjadi titik kecil dengan
diameter 0,1 – 1 µm. Lensa kondensor ditempatkan di dekat penembak
elektron dan lensa objektif ditempatkan di dekat ruang sampel.
c. Sistem scanning (Scanning system)
Gambar dibentuk dengan melewatkan berkas elektron pada
permukaan sampel dengan cara yang sama dengan yang terjadi pada
tabung sinar-x. koil scan yang berada pada lensa objektif berguna untuk
membelokan berkas elekron.
d. Celah objektif (Objective aparture)
Plat tebal (dari platinum atau molybdenum) dengan lubang kecil
berdiameter 50 – 170 µm ditempatkan pada lensa objektif. Celah ini
berguna untuk membatasi pelebaran berkas elektron sehingga mengurangi
penyimpangan meningkatkan kedalaman pada gambar.
e. Ruang sampel (Specimen chamber)
Ruang kosong dibawah lensa objektif berisi tempat sampel
(holder) yang berdekatan dengan detektor dan sistem vakum.
f. Detektor elektron (electron detector)
Detektor elektron sensitif dengan elektron terpantul (backscattered
elecron) dan elektron kedua (secondary electron). Elektron terpantul
cukup berenergi untuk langsung tertarik ke detektor, sedangkan elektron
kedua tertarik ke detektor dengan positive charge yang berada di depan
detektor. Kedua berkas elektron tersebut diteruskan ke layar scintillator
dimana kedua elektron tersebut menghasilkan cahaya yang diperjelas oleh
tabung photomultiplier untuk menghasilkan sinyal elektron yang akan
digunakan untuk mengatur intensitas gambar pada layar.
g. Sistem vakum (vacuum system)
Sistem vakum pada kebanyakan instrumen SEM dihasilkan dengan
pompa difusi menggunakan pompa mekanik. Pompa mekanik dan sistem
klep digunakan untuk memvakumkan sistem, karena pompa difusi hanya
dapat beroperasi dalam keadaan vakum (Gabriel, 1992).
Gambar 13. Skema Scanning Electron Microscope (SEM)
Lokasi pada sampel yang diamati, atau dengan kata lain mikro-volume
yang dianalisis, diiradiasi dengan berkas elektron yang sangat terfokus (finely
focused electron beam), yang didapat dengan cara statik pada suatu lokasi saja
atau menyapu seluruh permukaan sampel. Bila berkas elektron ini menumbuk
sampel maka akibat interaksi antara elektron dengan material akan diemisikan
sinyal-sinyal seperti ditunjukan pada Gambar 14. Sinyal-sinyal tersebut adalah :
a. elektron sekunder (secondary electrons),
b. elektron terpantul (backscattered electrons),
c. Auger electrons,
d. Karakteristik sinar-X (characteristic x-ray), dan
e. foton dengan energi yang berbeda-beda.
Gambar 14. Sinyal – sinyal emisi pada SEM
Sinyal-sinyal ini berasal dari volume terkecil yang disebut volume emisi
spesifik dari sampel dan dapat digunakan untuk mengetahui beberapa karakteristik
dari sampel seperti: komposisi, topografi permukaan, kristalografi.
Untuk SEM, sinyal yang sangat penting adalah elektron sekunder dan
elektron terpantul karena kedua signal ini bervariasi sebagai akibat dari perbedaan
topografi permukaan ketika berkas elektron tersebut men-scan permukaan sampel.
Emisi elektron sekunder terkungkung pada volume di sekitar permukaan di mana
berkas elektron menumbuk, sehingga memberikan bayangan dengan resolusi yang
relatif tinggi. Penampakan tiga dimensi dari bayangan yang diperoleh berasal dari
kedalaman yang ditembus oleh medan SEM seperti juga efek bayangan dari
elektron sekunder.
Proses kerja SEM ditunjukan pada Gambar 15. Penembak elekron
(electron gun) menghasilkan pancaran elektron monokromatis. Lensa pemfokus
pertama menghasilkan pancaran dan batas arus, pada celah lensa berfungsi untuk
mengurangi pembelokan sudut. Lensa pemfokus kedua membentuk pelemahan
(pancaran sinar koheren), celah lensa dikendalikan untuk mengurangi pembelokan
sudut dari pancaran lensa pertama.
Gambar 15. Proses Kerja Scanning Electron Microscope (SEM)
Pancaran yang dilewatkan lensa kedua akan mengalami proses scan oleh
koil penyearah untuk membentuk ganbar dan diteruskan ke lensa akhir untuk
difokuskan ke sampel. Interaksi pancaran elektron dengan sampel dan elektron
yang diterima oleh detektor. Detektor akan menghitung elektron-elektron yang
diterima dan menampilkan intensitasnya (Afandi, 2006).
2.8. Rietveld Analysis (Rietan)
Rietveld Analysis (Rietan) adalah merupakan suatu paket perangkat lunak
(sofware) komputer yang telah dikembangkan penggunaannya dalam metode
Rietveld untuk menganalisis data difraksi neutron maupun difraksi sinar-x.
Dalam metode difraksi, analisis yang paling ideal adalah menggunakan
cuplikan kristal tunggal. Namun pada prakteknya sering ditemukan kesulitan
dalam menemukan kristal tunggal dikarenakan biaya yang sangat tinggi, dan
untuk mengatasi hal tersebut biasanya digunakan cuplikan serbuk polikristal.
Sekarang problem yang dihadapi dalam penggunaan cuplikan serbuk polikristal
adalah hilangnya sebagian informasi yang penting akibat saling bertumpuknya
beberapa puncak difraksi, sehingga hasil percobaannya kurang teliti dan akurat.
Untuk mengatasi hal ini, digunakan metode Rietvield. Keunggulan metode
Rietvield dibandingkan dengan metode lain (database Joint Commite Powder
Diffraction Standar), adalah dapat menganalisis dan memisahkan puncak-puncak
pola difraksi yang saling bertumpuk dan kompleks.
Prinsip dasar analisis Rietvield adalah mencocokan (fitting) profil puncak
perhitungan terhadap profil puncak pengamatan. Pencocokan profil tersebut
dilakukan dengan menerapkan prosedur perhitungan kuadrat terkecil non linier
yang diberi syarat batas. Jadi analisis Rietvield tidak lain adalah problem optimasi
fungsi non linier dengan pembatas (constrains). Sehingga meminimumkan fungsi
objektif, yang dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
f (x) = ∑ wi [yi (o) – yi (c)]2
dimana wi adalah faktor bobot, yi (o) adalah intensitas pengamatan (observation)
dan yi (c) adalah intensitas perhitungan (calculation) (Adi, 2009)
Metode Rietvield menganggap bahwa setiap titik pada pola difraksi
sebagai suatu pengamatan tunggal yang mungkin mengandung kontribusi
terhadap sejumlah refleksi Bragg yang berbeda. Untuk mewujudkan hal ini dipilih
fungsi yang sesuai dengan bentuk profil puncak-puncak yang muncul pada pola
difraksi suatu kristal. Jadi prinsip dasar dari metode Rietveld adalah membuat
model dugaan intensitas hasil perhitungan, kemudian dimodelkan/dicocokan
(fitting) dengan intensitas hasil percobaan (Izumi, 1989).
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Tugas Akhir
Penelitian ini dilakukan selama delapan bulan yang dilaksanakan dari
bulan Juli 2008 sampai dengan bulan Maret 2009, dilaksanakan setiap hari kerja
yaitu dari hari Senin sampai Jum’at. Penelitian tugas akhir ini dilakukan di Pusat
Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) Badan Tenaga Nuklir Nasional
(BATAN) kawasan PUSPIPTEK Serpong.
3.2 Alat dan Bahan
3.2.1 Alat yang digunakan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah gelas beaker, batang
pengaduk, cawan petri, buret, neraca analitik, oven, dan ultrasonic probe
(Sonics Vibracell), centrifuge (Medifriger,BL-s P-Selecta), SEM Coating Units
(Taab SEM S500).
Karakterisasi pada penelitian ini menggunakan X-Ray Diffraction (XRD)
Phillips PW 2213/30 dan Analytical Scanning Electron Microscope (SEM) JEOL
JSM 6510 LA.
3.2.2 Bahan yang digunakan
Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah CaCl2 (p.a),
Na2CO3 (p.a), Larutan AgNO3 10% dan aquadest.
3.3 Diagran Alir Penelitian
Pada Gambar 16 ditunjukan diagram alir penelitian. Dimulai dengan
penelusuran literatur dan penyusunan proposal, kemudian memasuki tahapan
kerja, dibuat larutan jenuh CaCl2 dan Na2CO3, kemudian direaksikan melalui
proses sonokimia, setelah sampel terbentuk dicuci, setelah itu sampel dianalisis
menggunakan XRD dan SEM, data yang diperoleh diolah untuk penyusunan
laporan.
Gambar 16. Diagran alir penelitian
Larutan CaCl2 jenuh
Larutan Na2CO3
jenuh
Pencucian sampel
Proses presipitasi dan Sonokimia
Analisis dan karakterisasi
Pengolahan data
Sampel CaCO3
SEM XRD
Penelusuran literatur dan penyusunan
proposal
Penyusunan Laporan
3.4.1 Pembuatan larutan CaCl2 dan NaCO3
Dibuat larutan CaCl2 jenuh sebanyak 100 ml dengan cara melarutkan
CaCl2 serbuk kedalam 100 ml aquadest hingga jenuh. Dengan cara yang sama
dibuat juga larutan Na2CO3 jenuh sebanyak 100 ml. Untuk mencapai kejenuhan
dibutuhkan 60 gram CaCl2 dan 30 gram Na2CO3.
3.4.2 Proses Presipitasi CaCO3 dengan Sonokimia
Ditempatkan larutan Na2CO3 jenuh dan CaCl2 jenuh masing-masing
sebanyak 15 ml ke dalam wadah beaker glass. Dimasukan alat ultrasonic probe
ke dalam larutan Na2CO3, diatur besar amplitudo 40% dan dinyalakan. Kemudian
dituangkan larutan CaCl2 ke dalam larutan Na2CO3. Waktu sonokimia
divariasikan, yaitu 0, 30, 60, 90, 120, 150, dan 180 menit. Diagram skematik
proses presipitasi dengan Sonokimia ditunjukan pada Gambar 17.
Persamaan reaksi : Na2CO3 + CaCl2 → CaCO3 + 2NaCl
Keterangan : 1) Statif
2) Larutan CaCl2 jenuh
3) Ultrasonik Probe
4) Panel control Ultrasonik
5) Larutan Na2CO3 jenuh
6) Wadah batu es
7) Penyangga
Gambar 17. Diagram skematik proses presipitasi.
3.4.3 Pencucian Sampel
Sampel CaCO3 yang telah terbentuk dicuci dengan aquadest untuk
menghilangkan NaCl yang terbentuk selama reaksi berlangsung. Setelah dicuci
diendapkan kembali menggunakan Centrifuge dengan kecepatan 9000 rpm selama
15 menit. Proses pencucian dilakukan sebanyak 4 kali untuk meyakinkan tidak
ada NaCl tersisa. Keberadaan NaCl pada sampel CaCO3 diuji dengan
menggunakan larutan AgNO3. Sampel CaCO3 yang telah bersih dari NaCl
dikeringkan di dalam oven 150 oC selama ± 60 menit dan disimpan di dalam
wadah plastik.
3.4.4 Karakterisasi dengan X ray Diffraction (XRD)
Pada pengukuran menggunakan XRD, sampel CaCO3
berbentuk serbuk yang telah dikeringkan. Sumber sinar-x yang
digunakan adalah tube anode Cu Kα ( λ=1,54056Å ), mode:
continuous-scan, step size : 0,02°, dan time per step: 0,5 detik.
Diagram skematik proses Difraksi Sinar-X ditunjukan pada Gambar
18.
Gambar 18. Diagram skematik proses Difraksi Sinar-X. Karakterisasi dilakukan dengan langkah-langkah berikut :
1. Disiapkan sampel CaCO3 yang sudah dikeringkan ± 2 gram.
2. Sampel dimasukkan ke dalam sample holder berukuran 2 x 2 cm2.
3. Sample holder dikaitkan pada lingkar diffraktometer.
4. Pada komputer diset nama sampel, sudut awal, sudut akhir, dan kecepatan
analisis, kemudian di-run.
3.4.5 Karakterisasi dengan Scanning Electron Microscope (SEM)
Pada pengukuran menggunakan SEM, sampel haruslah merupakan zat
yang dapat menghantarkan arus listrik seperti halnya logam, karena CaCO3 tidak
dapat menghantarkan arus listrik maka sebelum dianalisis terlebih dahulu dilapisi
logam. Logam emas lebih disukai karena emas merupakan logam inert dan
bersifat konduktif. Preparasi sampel dengan SEM dilakukan sebagai berikut :
1. Sampel dilekatkan diatas stube menggunakan carbon doubletape.
2. Kemudian sampel dilapisi dengan lapisan emas dengan menggunakan alat
SEM coatings unit dengan metode sputtering coating selama 3 menit
(Gabriel, 1992)
3. Sampel yang telah dilapisi emas kemudian diletakan dalam ruang sampel
pada SEM dan diamati dengan tegangan 5 kV dan perbesaran 2.000 x
dan 5.000 x.
3.4.6 Uji Statistik Korelasi Pearson
Data yang diperoleh dari hasil analisis ukuran kristal CaCO3 kemudian
diinput ke dalam program SPSS 16 menggunakan Korelasi Pearson untuk diuji
hubungan antara waktu sonokimia terhadap ukuran kristal. Adapun langkah-
langkahnya sebagai berikut :
1. Input data yang terdiri dari dua variabel, kolom 1 sebagai variabel x
(waktu sonokimia) dan kolom 2 sebagai variabel y (ukuran kristal) .
2. Klik analyze � correlate � Bivariate
3. Pindahkan kedua variabel ke dalam box variables
4. Centang koefisien Korelasi Pearson, klik OK
5. Output yang dihasilkan diinterpretasi dengan melihat nilai signifikansi
yang dibandingkan dengan α (0,05) dan dengan melihat koefisien
korelasinya.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Analisis Kualitatif Pola XRD Sampel CaCO3
Pada Gambar 19 dapat dilihat puncak-puncak difraksi hasil sampel
(CaCO3). Tampak dalam gambar pola difraksi sinar-x sampel CaCO3 hasil
penelitian terjadi beberapa puncak, tiga puncak tertinggi (intensitas besar) yaitu
pada sudut 2θ : 29,52 ; 48,58 ; 47,58. Mengacu pada referensi , puncak difraksi
29,52 dihasilkan oleh bidang 104, puncak difraksi 48,58 dihasilkan oleh bidang
116 dan puncak difraksi 47,58 dihasilkan oleh bidang 018. Referensi diambil dari
data calcium carbonate calculated from Inorganic Crystal Structure Database
(ICSD) using POWD-12++, (1997) maslen, E.N., streltsov, V.A., streltsova, N.R.,
Acta crystallography., Sec.B; structural science, 49, 636 (1993) dimana puncak
terjadi pada sudut 2θ: 29,394 (bidang 104) ; 48,494 (bidang 116) ; 47,499 (bidang
018). Kesesuaian nilai-nilai puncak difratksi hasil penelitian dengan puncak
difraksi pada referensi mengindikasikan bahwa sampel yang dibuat dengan proses
sonokimia pada penelitian ini adalah CaCO3. Ketiga puncak difraksi tertinggi
tersebut kemudian digunakan untuk analisis perhitungan ukuran kristal sampel
CaCO3 dengan menggunakan persamaan Scherrer.
Berdasarkan hasil identifikasi awal tersebut kemudian dilakukan
refinement menggunakan program Rietvield Analysis (RIETAN) untuk
memastikan bahwa puncak-puncak tersebut adalah puncak-puncak dari fasa
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Sudut 2θ / o
Inte
nsitas (arb
. unit)
CaCO3. Hasil refinement tersebut kemudian digambarkan menggunakan program
grafik IGOR Pro Wavemetrics dan diperoleh kurva pola difraksi sinar-x hasil
pengukuran (observasi) yang telah difitting dengan pola difraksi sinar-x hasil
perhitungan (kalkulasi) dari sampel CaCO3.
Gambar 19. Difraktogram CaCO3 (atas) standar ICSD, dan hasil penelitian (bawah).
Gambar 20 adalah pola difraksi sinar-x sampel CaCO3 hasil refinement
menggunakan program RIETAN. Kurva pola difraksi sinar-x hasil observasi
ditunjukkan dengan simbol plus (+) berwarna merah, pola difraksi sinar-x hasil
simulasi ditunjukkan dengan simbol line (-) berwarna hijau, titik-titik puncak fasa
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Inte
nsit
y
80604020
2θ / °
K λ
B cos θ D
atau indeks Miller ditunjukkan dengan simbol bar (I) berwarna hitam, dan kurva
selisih antara hasil observasi dengan kalkulasi ditunjukkan dengan simbol line (-)
berwarna biru. Kurva selisih ini yang kemudian digunakan untuk menunjukkan
kualitas hasil fitting dari pola difraksi sinar-x hasil observasi dan simulasi.
Semakin datar atau semakin lurus kurva selisih ini, maka kualitas fitting semakin
baik.
Gambar 20. Hasil refinement dari pola difraksi sinar-x sampel CaCO3.
4.2. Analisis ukuran kristal sampel CaCO3
Dalam analisis ukuran kristal sampel CaCO3, pola difraksi sinar-x
dianalisis menggunakan program Microcal Origin 3.5 scientific and technical
graphics dan program Rietvield Analysis (RIETAN) untuk menentukan ukuran
kristal CaCO3. Full Width at Half Maximum (FWHM) dari hasil pola difraksi
sinar-x dijadikan indikator untuk menghitung ukuran kristal dengan menggunakan
persamaan Scherrer :
Dimana : D = Diameter kristal K = Konstanta Scherrer λ = Panjang gelombang B = FWHM (radian) sinar-x θ = Sudut diffaksi Bragg
Tabel 2. Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi waktu sonokimia.
Ukuran kristal (nm)
Nama Sampel
Waktu
sonokimia
(menit) Microcal Origin RIETAN
0
(CaCO3 blanko)
45,17103 63,13760
30 43,32310 60,46959
60 47,74511 67,59576
90 42,67110 58,85468
120 37,49416 53,37478
150 36,11462 47,74212
(CaCO3)
180 33,43377 43,13037
Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi waktu sonokimia dapat
dilihat pada Tabel 2. Ukuran kristal sampel CaCO3 hasil análisis menggunakan
Microcal Origin, menurun seiring meningkatnya waktu sonokimia. Ukuran kristal
sampel CaCO3 pada waktu sonokimia 0 menit (blanko) sebesar 45,17103 nm, dan
terus mengalami penurunan dengan meningkatnya waktu sonokimia. Ukuran
kristal sampel CaCO3 terkecil terjadi pada waktu sonokimia 180 menit, yaitu
sebesar 33,43377 nm. Hal yang sama terjadi pada ukuran kristal sampel CaCO3
dengan varisasi waktu sonokimia hasil análisis menggunakan program RIETAN.
Ukuran kristal sampel CaCO3 menurun seiring meningkatnya waktu proses
sonokimia. Ukuran kristal sampel CaCO3 pada waktu sonokimia 0 (blanko) menit
sebesar 63,1376 nm, dan terus mengalami penurunan dengan meningkatnya waktu
sonokimia. Ukuran kristal sampel CaCO3 terkecil terjadi pada waktu sonokimia
180 menit, yaitu sebesar 43,13037 nm. Terdapat satu data hasil pengukuran yang
menyimpang, yaitu pada waktu sonokimia 60 menit. Ukuran kristal sampel
CaCO3 mengalami kenaikan dari 43,32310 nm (pada waktu sonokimia 30 menit)
menjadi 47,74511 nm untuk hasil pengolahan data menggunakan Microcal
Origin, dan dari 60,46959 nm (pada waktu sonokimia 30 menit) menjadi
67,59576 nm untuk hasil pengolahan data menggunakan program RIETAN. Hal
tersebut mungkin disebabkan kesalahan dalam proses preparasi sampel.
Gambar 21. Grafik hubungan waktu sonokimia terhadap ukuran kristal sampel CaCO3
Terjadinya penurunan ukuran kristal pada sampel CaCO3 disebabkan
karena semakin lama waktu sonokimia maka makin banyak gelembung kavitasi
yang terbentuk. Pecahnya gelembung kavitasi memperluas permukaan zat padat
menjadi non-sperik dan menimbulkan shockwave. Kavitasi dan shockwave dapat
membuat pergerakan partikel-partikel zat padat menjadi lebih cepat. Tumbukan
antar partikel yang dihasilkan menyebabkan perubahan yang signifikan di dalam
morfologi permukaan, komposisi, dan reaktivitas [Suslick, et al, 1999]. CaCO3
yang terbentuk selama reaksi berlangsung akan terus menerus mengalami
tumbukan antar partikelnya yang disebabkan oleh gelombang ultrasonik, sehingga
menyebabkan perubahan ukuran kristal menjadi lebih kecil. Perubahan ukuran
kristal sampel CaCO3 dapat dilihat pada Gambar 21
Tabel 3. Persentase penurunan ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi waktu sonokimia
Persentase penurunan
ukuran kristal (%)
Sampel
Waktu Sonokimia
(menit) Microcal
Origin RIETAN
0 0 0
30 4,10 4,22
60 - -
90 5,53 6,78
120 16,99 14,70
150 20,05 24,38
CaCO3
180 25,98 31,69
Persentase penurunan ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi waktu
sonokimia dapat dilihat pada Tabel 3. Penurunan ukuran kristal pada waktu 0
menit sebesar 0 %, hal ini disebabkan sampel CaCO3 berupa blanko dan tidak
melewati proses sonokimia. Pada saat waktu sonokimia 30 menit mulai terjadi
penurunan persentase sebesar 4,10 % untuk hasil pengolahan data dengan
menggunakan Microcal Origin dan 4,22 % untuk hasil pengolahan data dengan
program RIETAN., dan terus mengalami penurunan sampai pada waktu sonokimia
180 menit. Persentase terbesar penurunan ukuran kristal sampel CaCO3 terjadi
pada saat waktu sonokimia 180 menit yaitu sebesar 25,98 % untuk hasil
pengolahan data dengan menggunakan Microcal Origin dan 31,69 % untuk hasil
pengolahan data dengan program RIETAN.
Pada penelitian ini, peneliti juga mencoba melakukan pembuatan CaCO3
dengan cara lain, yaitu dengan meneteskan larutan kalsium klorida (CaCl2) ke
dalam natrium karbonat (Na2CO3) dengan variasi jumlah tetesan 2, 4 dan 6 tetes,
waktu sonokimia dibuat tetap yaitu 180 menit, mengacu pada hasil terbaik yang
didapat pada pengaruh waktu sonokimiaterhadap ukuran kristal. Hal ini dilakukan
untuk melihat pengaruh jumlah tetesan CaCl2 terhadap ukuran kristal CaCO3dan
juga sebagai additional data. Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi
jumlah tetesan per menit dengan waktu sonokimia 180 menit dapat dilihat pada
lampiran 9. Terlihat pada tabel, ukuran kristal sampel CaCO3 menurun seiring
meningkatnya jumlah tetesan per menit. Hal ini di luar dugaan peneliti yang
beranggapan dengan sedikitnya jumlah tetesan per menit maka akan memperkecil
ukuran kristal, dikarenakan reaksi yang terjadi antara Na2CO3 dan CaCl2
berlangsung dengan perlahan dan lebih homogen, sehingga kemungkinan
terbentuk ukuran kristal yang lebih kecil. Namun hasil yang terjadi sebaliknya,
ukuran kristal semakin kecil seiring bertambahnya jumlah tetesan per menit, hal
ini bisa terjadi dikarenakan jika dengan menggunakan tetesan, reaksi berlangsung
secara bertahap sehingga pasokan energi sonokimia yang diterima menjadi tidak
merata antara reaksi yang berlangsung sejak awal dengan reaksi yang berlangsung
belakangan
4.3. Analisis Mikrograf Sampel CaCO3 menggunakan Scanning Elektron
Microscopy (SEM)
Hasil analisis dengan menggunakan SEM untuk sampel CaCO3 dapat
dilihat pada Gambar 22. Terlihat pada gambar 22 (a) bahwa sampel CaCO3
dengan waktu sonokimia 60 menit partikel-partikelnya berbentuk kubus dengan
ukuran yang cukup merata dan homogen dengan prediksi ukuran
per partikel ± 3 µm..
Pada sampel CaCO3 dengan waktu sonokima 120 menit (Gambar 22 b),
partikel-partikelnya berbentuk kubus yang berukuran lebih kecil bila
dibandingkan dengan sampel CaCO3 dengan waktu sonokimia 60 menit, dengan
prediksi ukuran per partikel ± 1 µm.
(a) Sampel CaCO3 dengan waktu sonokimia 60 menit.
(b) Sampel CaCO3 dengan waktu sonokimia 120 menit.
(c) Sampel CaCO3 dengan waktu sonokimia 180 menit.
Gambar 22. Mikrograf SEM sampel CaCO3 dengan waktu Sonokimia (a) 60, (b) 120 dan (c) 180 menit.
Pada sampel CaCO3 dengan waktu sonokima 180 menit (Gambar 22 c),
partikel-partikelnya semakin bertambah kecil bila dibandingkan dengan sampel
CaCO3 dengan waktu sonokimia 60 dan 120 menit, dengan prediksi ukuran per
partikel < 1 µm. Hasil analisis SEM ketiga variasi waktu sonokimia tersebut
menunjukan ukuran partikel yang lebih kecil dan bentuk partikel yang lebih yang
lebih homogen bila dibandingkan dengan CaCO3 blanko (ditunjukan pada
Gambar 23). Hasil analisis SEM ini juga dapat memperkuat hasil analisis XRD
yang menunjukan bahwa semakin lama waktu sonokimia maka akan semakin
memperkecil ukuran kristal CaCO3 karena menurunnya ukuran partikel
mengindikasikan menurunnya ukuran kristal.
Gambar 23. Mikrograf SEM CaCO3 blanko (merck)
4.4. Hasil Pengujian Statistik
Pengujian statistik dilakukan dengan program SPSS 16 menggunakan Uji
Korelasi Pearson untuk mencari hubungan antara waktu sonokimia terhadap
ukuran kristal CaCO3. Output yang dihasilkan dapat dilihat pada Tabel 4 dan 5 di
bawah ini.
Tabel 4. Deskripsi Statistik
Mean Std. Deviation N
Waktu Sonokimia (menit) 90.00 64.807 7 Ukuran Kristal CaCO3 (nm) 4.0850413E1 5.23342499 7
Tabel 5. Korelasi Pearson
Waktu Sonokimia
(menit) Ukuran
Kristal (nm)
Pearson Correlation 1 -.883**
Sig. (1-tailed) .004
Waktu Sonokimia (menit)
N 7 7
Pearson Correlation -.883** 1
Sig. (1-tailed) .004
Ukuran Kristal CaCO3 (nm)
N 7 7
Interpretasi output: • Nilai signifikansi 0.004 < 0.05 menunjukkan bahwa terdapat hubungan
yang signifikan antara waktu sonokimia terhadap ukuran kristal CaCO3.
• Koefisien korelasi bernilai - 0.883 (bertanda minus), menunjukkan arah
hubungan antara waktu sonokimia terhadap ukuran kristal yaitu semakin
tinggi waktu sonokimia maka akan semakin kecil ukuran kristal CaCO3.
Berdasarkan hasil pengujian statistik menggunakan Korelasi Pearson yang
ditunjukan pada Tabel 5, didapat nilai signifikansi 0,004 yang artinya, terdapat
hubungan yang signifikan antara waktu sonokimia terhadap ukuran kristal
CaCO3. Sedangkan hubungannya dapat dilihat dari nilai koefisien Korelasi
Pearson sebesar – 0,883 yang artinya, garis korelasi yang dibentuk akn bergerak
turun. Dengan melihat nilai signifikansi dan koefisien korelasi tersebut, maka
dapat disimpulkan bahwa H0 diterima dan H1 ditolak.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat ditarik beberapa
kesimpulan, di antaranya adalah :
1. Peningkatan waktu sonokimia pada pembuatan CaCO3 semakin
memperkecil ukuran kristal CaCO3.
2. Waktu sonokimia berpengaruh signifikan terhadap ukuran kristal
CaCO3, dimana nilai signifikansi pada uji Korelasi Pearson sebesar
0,004 yang jauh dibawah α (0,05) sehingga hipótesis nol (Lamanya
waktu sonokimia berpengaruh terhadap ukuran kristal CaCO3) pada
penelitian ini diterima.
3. Arah hubungan antara waktu sonokimia dengan ukuran kristal
CaCO3. bernilai – 0,884 sehingga semakin lama waktu sonokimia
maka semakin kecil ukuran kristal CaCO3.
5.2. Saran
Perlu dilakukan pengembangan terhadap metode penelitian ini sehingga
memberikan hasil yang lebih baik, seperti dengan menambahkan parameter lain
seperti energi sonokimia dan kontrol suhu.
DAFTAR PUSTAKA
Adi, Wisnu Ari. 2009. Analisis Fasa dan Struktur Mikro Paduan
Sistem Mg-Ni dan Mg-Al Untuk Aplikasi Hygrogen Storage.
Badan Tenaga Nuklir Nasional : Tangerang.
Affandi, S. 2006. Sintesa dan Karakterisasi Partikel Magnetik
Submikron Berbasis Oksida Fe dan Polimer Polilaktat (PLA).
Skripsi. Institut Pertanian Bogor : Bogor.
Alger, Mark S.M. 1989. Polymer Science Dictionary. Elsevier Applied
Science : London and New York.
Anonimous. 2008. Calcium Carbonate. The Columbia Encyclopedia,
sixth edition.
Anonimous. Electroacoustic Behaviour of Calcium Carbonate. Colloidal
Dinamics Inc.
Anonimous. Nanoparticle Technology program. Industrial Partnership for
Research in Interfacial and Material Engineering (IPRIME).
University of Minnesota.
Ariyandi, Nono. 2006. Pembuatan Nanosfer Berbasis Biodegradable
Polilaktat dengan Metode Sonofikasi. Skripsi. Institut Pertanian
Bogor : Bogor
B.D. Cullity. 2001. Element of X ray diffraction 3rd edition. Addition
Wesley Publishing Company Inc.: London.
Brennen, C.E. 1995. Cavitation and Bubble Dynamics. California
Institute of Technology. Oxford University Press : New York.
Callister, William. D, Jr. 2007. Materials Science and Engineering an
Introduction 7th Edition. John Willey and Son, Inc.: Salt Lake
City, Utah.
Douglas A. Skoog et. al. 1998. Principles of Instrument Analysis 5th
edition. Harcourt Brace College Publisher : USA
Gabriel, B.L. 1992. SEM : A User’s Manual for Materials Science.
American Society for Metals : USA
Gareth, J.P. 1995. Ultrasonically Enhanced Polymer Synthesis. Elsevier
Ultrasonic Chemistry.
Gupta, R. 2004. Synthesis of Precipicated Calcium Carbonate
Nanoparticles Using Modified Emulsion membranes. Thesis.
Georgia Institute of Technology.
Izumi, F. 1989. Rietvield Analysis System “ RIETAN” Part I, A Software
Package for The Rietvield Analysys and Simulation of X-Ray and
Neutron Diffraction Patterns.
Miura, Y. 2007. Formations of CaCO3 by Natural and Artificial
Shockwave Impact. Yamaguchi University : Japan.
Nurmawati, M. 2007. Analisis Derajat Kristalinitas, Ukuran Kristal, dan
Bentuk Partikel Mineral Tulang Manusia Berdasarkan Variasi
Umur dan Jenis Tulang. Skripsi. Institut Pertanian Bogor : Bogor.
Sofyan, Bondan.T. 2007. Cristallography. Lecture Notes. Department of
Metallurgy and Materials Engineering, Faculty of Engineering,
University of Indonesia : Depok
Sumhaeni. 2005. Pembuatan dan Karakterisasi Kristalografi Bubuk dan
Lapisan Tipis PZT Doping Indium. Skripsi. FMIPA. Universitas
Indonesia : Depok.
Suslick. S.K. 1994. The Chemistry of Ultrasound. The Yearbook of
Science and The Future. Encyclopedia Britannica. Page 138-155.
Suslick. S.K, M.M. Fang T. Hyeon, M.M. Mdleleni. 1999. Application of
Sonochemistry to Material Synthesis. Sonochemistry and
Sonoluminescene. Kluwer Publisher : Netherlands. Page 291-320. .
Tipler, P.A. 1990. Fisika Untuk Sains. Erlangga : Jakarta.
Tsuzuki, T, Pethick. K, Mc Cormick, G.P. 2000. Synthesis of CaCO3
Nanoparticles by Mechanochemical Processing. Journal of
Nanoparticle Research 2. page 375-380.
Yulianti, Evy. 2008. Enkapsulisasi nanopartikel magnetic Fe3O4
menggunakan polimer poli asam laktat dengan ultrasonik probe.
skripsi. Universitas Indonesia : Depok.
Lampiran 3. Data hasil perhitungan ukuran Kristal sampel CaCO3
menggunakan program Microcal Origin
Lampiran 4. Data hasil perhitungan ukuran Kristal sampel CaCO3
menggunakan program RIETAN
Waktu Sonokimia
CaCO3 (menit)
Bidang h,k,l (Indeks Miller)
2θ
FWHM
Ukuran kristal (nm)
Rata –rata Ukuran kristal (nm)
104 29,211 0,19016 43,17197 116 48,327 0,20533 42,40591
0
018 47,302 0,17368 49,93521
45,17103
104 29,436 0,16871 48,68591 116 48,530 0,23544 37,01217
30
018 47,504 0,17543 49,47536
45,05781
104 29,721 0,15418 53,30909 116 48,789 0,21951 38,73876
60
018 47,758 0,17311 50,18750
47,74511
104 29,716 0,15878 51,71408 116 48,780 0,22840 38,19065
90
018 47,771 0,22829 38,05858
42,67110
104 29,447 0,18183 45,17411 116 48,552 0,24325 35,82692
120
018 47,541 0,27574 31,48145
37,49416
104 29,671 0,17726 46,36266 116 48,731 0,24257 35,55695
150
018 47,504 0,32872 26,42425
36,11462
104 29,342 0,20940 39,21697 116 48,419 0,23180 37,57669
180
018 47,424 0,36911 23,50735
33,43377
Waktu Sonokimia
CaCO3 (menit)
Bidang h,k,l (Indeks Miller)
2θ
FWHM
Ukuran kristal (nm)
Rata –rata Ukuran kristal (nm)
104 29,332 0,13030 63,02261 116 48,389 0,13770 63,24851
0
018 47,390 0,13740 63,14169
63,13760
104 29,367 0,13850 59,29065 30 116 48,447 0,14260 61,08908
60,46959
Lampiran 5. Data Parameter kisi sampel CaCO3
CaCO3 Waktu
Sonokimia (menit)
a
b c
0 (blanko) 5,00040 5,00040 17,10072
30 4,99467 4,99467 17,08106
60 5,00291 5,00291 17,10409
90 4,99991 4,99991 17,09302
120 4,99870 4,99870 17,08778
150 4,99962 4,99962 17,09169
180 4,99795 4,99795 17,08278
Lampiran 6. Data criteria and goodness of fit sampel CaCO3
018 47,447 0,14220 61,02365 104 29,322 0,11090 74,04561 116 48,369 0,13170 66,12481
60
018 47,376 0,13050 66,47665
68,88236
104 29,340 0,15470 53,08336 116 48,401 0,14060 61,94687
90
018 47,408 0,14100 61,53380
58,85468
104 29,349 0,14860 55,26356 116 48,415 0,16190 53,79993
120
018 47,423 0,16050 54,06084
54,37478
104 29,342 0,18160 45,22045 116 48,405 0,17760 49,04204
150
018 47,412 0,17720 48,96388
47,74212
104 29,355 0,17280 47,52475 116 48,426 0,21390 40,72270
180
018 47,436 0,21090 41,14336
43,13037
Waktu Sonokimia
CaCO3
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Intensitas (arb. unit)
Sudut 2� / o
Lampiran 7. Diffraktogram sampel CaCO3
Lampiran 8. Hasil refinement pola XRD sampel CaCO3
Lampiran 9. Ukuran kristal sampel CaCO3 dengan varisasi jumlah tetesan
per menit.
Ukuran kristal (nm) Nama Sampel Waktu sonokimia
(menit)
Jumlah
tetesan
(per menit) Microcal
Origin
RIETAN
0 0 45,17103 63,13760
Sonokimia (menit)
Rwp
Rp
S
0 (blanko) 29,23 21,09 1,28
30 24,20 15,70 1,10
60 25,35 16,52 1,12
90 25,43 17,37 1,13
120 25,23 16,18 1,08
150 25,66 17,42 1,10
180 26,10 17,45 1,10
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Inte
nsity
80604020
2θ / °
2 47,82803 69,82719 4 44,88564 56,43853
(CaCO3) 180
6 39,93101 53,91743
Lampiran 10. Alat-alat yang digunakan.
Gambar 26. Ultrasonic probe Gambar 27. Neraca Analitik
Gambar 28. X- Ray Diffractometer (XRD)
Gambar 29. Centrifuge Gambar 30. Scanning Electron Microscope
