Sintesa dan Karakterisasi Membran Keramik Berbasis Kaolin Sabang Serta Aplikasinya pada Pengolahan Air Gambut dengan Sistem Cross Flow

Abstract

Penggunaan membran keramik pada pengolahan air masih terbatas karena harga bahan baku seperti alumina, titania dan zirconia yang mahal. Oleh karena itu, dilakukan penelitian untuk mencari bahan baku pengganti, salah satunya dengan memanfaatkan kaolin alam. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji kemampuan kaolin yang berasal dari kota Sabang Aceh sebagai material pembuatan membran keramik. Permasalahan utama yang dihadapi untuk dapat memanfaatkan kaolin sabang adalah komposisi alumina yang relatif rendah dan berbanding terbalik dengan tingginya kadar silika. Penggunaan langsung kaolin sabang akan menyebabkan kekuatan membran keramik sangat rendah atau mudah patah. Untuk itu diperlukan pengolahan terhadap kaolin sabang sebelum digunakan pada sintesa membran keramik, salah satunya dengan penambahan sumber alumina. Pada penelitian ini diteliti penggunaan tawas (Al2(SO4)3) yang akan diproses sebagai sumber alumina dan ditambahkan ke dalam kaolin sabang. Karbon yang berasal dari cangkang sawit digunakan sebagai agen pembentuk pori untuk meningkatkan permeabilitas membran, sedangkan polivinil alcohol (PVA) 5% digunakan sebagai binder. Metode pembuatan membran yang digunakan adalah press method dengan tekanan 34-38 MPa. Membran dibuat dengan variasi komposisi antara kaolin, alumina dan karbon. Dari hasil penelitian diperoleh membran kaolin dengan komposisi bahan 2:3:1 memberikan permeabilitas yang paling baik yakni sebesar 3,54 x10-2 mL/cm2.s.bar. Hasil pengukuran dengan menggunakan XRF, kaolin sabang mempunyai kadar silika dan alumina sebesar 83% dan 3%, komposisi K2O, Fe2O3, TiO2, MgO dan SO3 dibawah 1% sedangkan dari hasil FTIR menunjukkan adanya vibrasi ulur Si-O pada panjang gelombang 1010 dan 1020 cm-1 yang merupakan serapan khas dari mineral kaolinit. Alumina hasil sintesa dari bahan baku tawas menunjukkan kemiripan struktur kristal dengan gamma alumina (γ-Al2O3) dengan tingkat kristalinitas sebesar 45,9%. Hasil analisis XRD ini juga diperkuat dengan spektra FTIR alumina yang diperoleh. Karbon yang dihasilkan dari reaksi pirolisis cangkang sawit mencapai kadar 84,93% (analisis EDX), sedangkan hasil XRD menunjukkan puncak intensitas difraksi (2θ) paling tajam ditunjukkan pada 2θ = 26.50o yang berasal dari SiO2. Hasil karakterisasi membran keramik dengan uji TEM menghasilkan diameter rata-rata partikel penyusun pori sebesar 16,06 nm, sedangkan dari hasil analisa BET diperoleh luas permukaan membran kaolin sebesar 39,654 m2/g, diameter pori 38,632 Å (3,8632 nm) dan volume pori 0,173 cc/g. Aplikasi membran keramik dengan menggunakan unit mikrofiltasi untuk mengolah air gambut diperoleh persen penyisihan kekeruhan, TDS, DHL dan organik masing-masing sebesar 71%, 80%, 70% dan 84%.

The use of ceramic membranes in water treatment is still limited because the price of raw materials such as alumina, titania and zirconia are expensive. Therefore, research is conducted to find replacement raw materials, one of which is by utilizing natural kaolin. This study aims to examine the ability of kaolin originating from the city of Sabang, Aceh as a material for making ceramic membranes. The main problem faced in being able to utilize sabang kaolin is the composition of alumina which is relatively low and inversely proportional to high levels of silica. The direct use of sabang kaolin will cause the strength of the ceramic membrane to be very low or break easily. For this reason, processing of sabang kaolin is needed before it is used in the synthesis of ceramic membranes, one of which is by adding alumina sources. In this study the use of alum (Al2(SO4)3) was examined as an alumina source and added to sabang kaolin. Carbon from palm shells is used as a pore forming agent to increase membrane permeability, while polyvinyl alcohol (PVA) 5% is used as a binder. Method of making a membrane used is a press method with the pressure of 34-38 MPa. Membranes are made with variations in composition between kaolin, alumina and carbon. From the research results obtained by kaolin membrane with a composition of 2:3:1 material gives the best permeability that is equal to 3.54 x10-2 mL/cm2.s.bar. The measurement results using XRF, sabang kaolin has silica and alumina levels of 83% and 3%, the composition of K2O, Fe2O3, TiO2, MgO and SO3 below 1% while the FTIR results show the existence of stretching Si-O at wavelengths of 1010 and 1020 cm-1 which is a typical absorption of the kaolinite mineral. Alumina synthesized from alum raw material showed similarity in crystal structure with gamma alumina (γ- Al2O3) with a crystallinity of 45.9%. The XRD analysis results were also strengthened by the FTIR alumina spectra obtained. The carbon produced from the pyrolysis reaction of the palm shell reaches 84.93% (EDX analysis), while the XRD results show the sharpest peak of diffraction (2θ) shown at 2θ = 26.50o originating from SiO2. The results of the characterization of the ceramic membrane by TEM test resulted in an average diameter of pore constituents of 16.06 nm, while the BET analysis results obtained kaolin membrane surface area of 39,654 m2/g, pore diameter of 38,632 Å (3,8632 nm) and pore volume 0.173 cc/g. The application of ceramic membranes by using microfiltation units to treat peat water obtained turbidity, TDS, DHL and organic allowance of 71%, 80%, 70% and 84%, respectively.