BAB I Fe3o4
-
Upload
candlle-tha-tha-ita-hikari -
Category
Documents
-
view
488 -
download
13
Transcript of BAB I Fe3o4
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pasir besi (Fe3O4) berukuran nano memiliki sifat ferimagnetik memiliki peluang
aplikasi yang luas. pengaplikasian pasir besi (Fe3O4) yang berukuran partikel nano
merupakan alternative yang diperlukan untuk memenuhi kebutuhan bahan baku industri di
bidang elektronik yang dalam perkembangan dan kebutuhannya kian meningkat. Fe3O4
berukuran nano memiliki aplikasi pada bidang industri seperti; keramik, katalis, energy
storage, magnetic data storage, ferofluida, maupun dalam diagnosis medis.
Metode kimia basah pada pembuatan partikel nano Fe3O4 merupakan cara alternative
sejak diketahuinya kekurangan dari metode keramik konvensional. Sintesis kimia basah dari
tingginya reaktivitas serbuk ternyata merupakan cara sangat efektif untuk menurunkan
temperature sintering dari ferit. Macam-macam metode sintesis kimia antara lain:
kopresipitasi, sintesis hidrotermal, metode prekursor sitrat, metode keramik-gelas (glass
ceramic) dan proses sol-gel (Costaa,A. C. F. M, 2003). Dalam penelitian ini dikembangkan
metode sederhana dalam fabrikasi partikel nano Fe3O4 yang berasal dari Aldrich dengan
metode kopresipitasi, dengan menggunakan pasangan asam dan basa, yaitu HCl sebagai
pelarut dan NH4OH sebagai pengendapnya dengan harapan akan menghasilkan partikel nano
Fe3O4. Metode ini dilakukan pada suhu 70oC dengan peralatan yang sederhana.
1.2 Perumusan Masalah
Adapun permasalahan yang dihadapi dalam penelitian ini sebagai berikut :
1. Bagaimana mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal _ 100 nm berbahan dasar
Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi.
2. Bagaimana membandingkan komposisi fasa, morfologi dan sifat kemagnetan Fe3O4
dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam yang dihasilkan dari proses sintesis.
1
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dilakukan penelitian ini adalah:
1. Memperoleh partikel nano Fe3O4 dengan ukuran butir _ 100 nm berbahan dasar
Fe3O4 yang berasal dari pabrik (Aldrich).
2. Membandingkan komposisi fasa dan sifat kemagnetan Fe3O4 dari bahan pabrik
(Aldrich) dan alam yang dihasilkan dari proses sintesis.
2
BAB II
DASAR TEORI
Pasir merupakan bahan alam yang tersedia sangat melimpah di Indonesia. Pasir biasa
dimanfaatkan untuk bahan bangunan sebagai campuran semen dalam pembuatan tembok
sebagai pelapis batu bata. Pasir besi pada umumnya mempunyai komposisi utama besi oksida
(Fe2O3 dan Fe2O3), silikon oksida (SiO2), serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang
lebih rendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelah dilakukan pengujian,
misalnya dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence),
sehingga dapat digunakan dalam penelitian ini. Hal ini dapat menambah nilai jual pasir,
misalnya dengan memperkecil ukuran partikelnya menjadi partikel nano. Pasir besi umumnya
ditambang di areal sungai/dasar sungai atau tambang pasir (quarry) di pegunungan, tetapi
hanya beberapa saja pegunungan di Indonesia yang banyak mengandung pasir besi.
Transportasi di pegunungan juga sulit, karena medannya yang terjal dan berliku-liku. Hal ini
yang menyebabkan penambang pasir besi lebih memilih di areal sungai dari pada di
pegunungan, karena lebih mudah dijangkau.
(Anwar, 2007)
Sifat oksida besi yaitu:
Besi (II) oksida (FeO) atau oksida besi juga dikenal sebagai wustite dalam bentuk
mineral. Bubuk oksida hitam ini dapat menyebabkan ledakan seperti mudah terbakar.
Besi (III) oksida (Fe2O3) atau oksida besi juga dikenal sebagai bijih besi (bentuk alfa)
atau maghemite (bentuk gamma) dalam bentuk mineral. Sebagai bahan kimia industri
ini umumnya disebut rouge. Setelah dimurnikan, besi oksida digunakan sebagai
lapisan dalam media audio dan komputer. Dalam lingkungan yang kering atau alkali,
besi oksida itu dapat menyebabkan pengvasifan dan menghambat karat, namun juga
merupakan komponen utama karat.
Besi (II, III) oksida (Fe3O4) atau besi oksida besi juga dikenal sebagai magnetite atau
magnet dalam bentuk mineral (RM Cornell,2003).
Gambar 2.1 Struktur spinel Fe3O4
3
Krista magnetik Fe3O4 dengan struktur spinel dapat dilihat dari Gambar 2.1 . Struktur
tetrahedral: ion Fe dikelilingi oleh empat oksigen . Struktur oktahedral: ion Fe dikelilingi
oleh enam ion Oksigen. Material ferimagnetik atau biasa disebut ferit adalah bahan magnetik
yang mempunyai sifat khas yaitu keras, rapuh, tahan terhadap panas dan zat kimia,
mempunyai tahanan jenis listrik yang tinggi, sehingga banyak digunakan dalam bidang
elektronika. Ferit dapat termagnetisasi secara spontan pada temperature Currie dan bersifat
paramagnetic untuk temperatur di atas temperature Currie.
(Chrismant, J. Rhicard, 1988)
Dalam fasa ferimagnetik terbentuk domain magnetik dan terjadi hysteresis. Ferit
merupakan bagian terpenting dari ferimagnetik. Ferit adalah gabungan ion-ion dan memiliki
kemampuan magnetic berasal dari magnetic ion yang disebut kation. Berdasarkan struktur
kristalnya, ferit digolongkan menjadi 2 kelompok:
1. Kubik
Ferit yang mempunyai rumusan umum MO.Fe2O3, dengan M adalah ion logam divalent
seperti Mg, Mn, Fe, Ni, Zn, Co dan Cu. Ferit-ferit ini memiliki struktur spinel dan sering
disebut ferrospinel karena struktur kristalnya berhubungan erat pada spinel MgO.Al2O3,
dengan struktur komplek dan umumnya magnetik lunak (soft magnetic).
2. Heksagonal
Magnetit mempunyai rumus kimia Fe3O4 dan mempunyai struktur spinel dengan sel unit
kubik yang terdiri dari 32 ion oksigen, di mana celahcelahnya ditempati oleh ion Fe2+ dan
Fe3+. Delapan ion Fe3+ dalam tiap sel berada paa bagian tetrahedral (A), karena berlokasi di
tengan sebuah tetrahedron yang keempat sudutnya ditempati ion oksigen (Gambar 2.3a).
sisanya delapan ion Fe3+ dan delapan ion Fe2+ berada pada bagian oktahedral (B), karena
ion-ion oksigen disekitarnya menempati sudutsudut sebuah oktahedron (Gambar 2.3b) yang
sudut-sudutnya ditempati oleh enam atom oksigen (Hook, J, R & Hall, H, E, 1991). Tiap-tiap
unit sel berisi sejumlah ion, di mana secara kompleks sulit dibayangkan. Satu sel terbagi
menjadi 8 oktan (kubus spinel), masing-masing berukuran a/2 (Gambar 2.3c), empat oktan
yang berarsir memiliki ukuran isi yang sama, begitu pula dengan cara yang sama, tetrahedral
di oktan terarsir dan octahedral di oktan tidak terarsir (Cullity, B. D. 1972). Bentuk
heksagonal dari Fe3O4 dapat dilihat pada Gambar 2.4.
4
Gambar 2.3 struktur kubik ferit (cullity, B. D.1972), (a) posisi ion logam dalam kristal tetrahedral
(A), (b) posisi ion logam dalam octahedral (B), (c) gabungan tetrahedral dan octahedral, (d) kubik
magnet.
Gambar 2.4. struktur heksagonal Fe3O4 (Lemire.C, 2004). (a). gambar sisi samping dan atas
Fe3O4(1 1 1). (b) gambar STM Fe3O4(1 1 1) dari film (size 300 × 300 nm2) dengan ukuran atomik
sebesar 3 × 3 nm2.
Partikel nano magnetik memiliki sifat fisis dan kimia yang bervariasi dan dapat
diaplikasikan dalam berbagai bidang. Salah satu partikel magnetik tersebut yang dapat
dijadikan berukuran nanometer adalah besi oksida seperti Fe3O4 (magnetit). Lao et al., 2004,
meneliti bahwa partikel nano ini dapat dimanfaatkan sebagai material untuk kegunaan sistem
pengangkutan obat-obatan (Drug Delivery System = DDS), Magnetic Resonance Imaging
(MRI), dan terapi kanker. Agar dapat diaplikasikan dalam bebagai bidang tersebut, sangatlah
5
penting untuk mempertimbangkan ukuran partikel, sifat magnetik, dan sifat permukaan dari
partikel nano itu sendiri.
(a) (b)
Gambar 2.5 (a) Serbuk Fe3O4, (b) Struktur Fe3O4
Dalam beberapa tahun belakangan ini, para peneliti dapat mensintesis partikel nano
Fe3O4 dengan metode-metode yang berbeda. Seperti metode sol gel yang dikembangkan
oleh Xu et al., 2007. Lain lagi dengan dilakukan oleh Iida et al., 2007 yang memilih
mensintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode hidrolisis terkontrol sedangkan Hong et al.,
2007 memilih metode kopresipitasi dalam air. Di antara sekian metode sintesis tersebut,
metode kopresipitasi yang paling sederhana karena prosedurnya lebih mudah dilakukan dan
memerlukan suhu reaksi yang rendah (<100 oC). Metode kopresipitasi merupakan proses
kimia yang membawa suatu zat terlarut ke bawah sehingga terbentuk endapan yang
dikehendaki. Teknik ini sering dipakai untuk memisahkan analit dari pengotornya.
Untuk sintesis partikel nano Fe3O4 dengan metode kopresipitasi, perbandingan/rasio
antara ion ferrous (Fe2+) dan ion ferric (Fe3+) dalam medium basa (alkali) sangat
mempengaruhi hasil akhir sintesis. Efeknya meliputi rentang diameter ukuran partikel dan
sifat magnetik yang dihasilkan. Telah dilaporkan bahwa valensi garam logam yang digunakan
dalam sintesis memegang peranan penting dalam menentukan ukuran partikel. Dalam hal ini,
ukuran partikel nano Fe3O4 dengan variasi prosentase molar ion ferrous terhadap jumlah
total ion besinya dalam rentang ~9 nm sampai ~40 nm (Iida et al., 2007).
Pada penelitian yang lain diungkapkan bahwa pH awal dan suhu larutan garam besi
selama proses kopresipitasi sangat mempengaruhi pembentukan magnetit. Ukuran partikel
rata-rata yang diperoleh dengan pH awal larutan 0,7; 1,5; 3; 4,7 berturut-turut adalah 6,4; 7,6;
9,9; dan 9,9 nm. Penentuan ukuran partikel ini penting karena disesuaikan dengan aplikasinya
nanti. Misalnya, untuk mengontrol target seperti protein, gen, dan sel, diperlukan partikel
6
berukuran diameter berturut-turut 5-50 nm, 2 nm dan panjang 10-100 nm (Gnanaprakash et
al., 2007)
Proses magnetisasi bahan ferimagnetik salah satunya dapat menggunakan medan dari
luar (external). Gambar 2.4 mengilustrasikan proses magnetisasi sebagai akibat peningkatan
medan luar. Dimulai dari daerah asal, magnetisasi M meningkat secara lambat pada
permulaan, tetapi menjadi labih cepat seiring dengan meningkatnya medan, dan bahkan M
menjadi jenuh (saturasi) pada titik A.
Gambar 2.6 Kurva Histeresis bahan
Ferromagnetic
Jika sekarang medan dikurangi, kurva baru tidak kembali ke kurva asal OA, tetapi
melalui garis AD seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.4. Bahkan bilamana medan
dikurangi sampai nol, magnetisasi M diketahui sebagai “magnetisasi remanent”. Untuk
menghilangkan magnetisasi ini diperlukan medan negative -Hc , medan H berubah secara
periodic, sehingga bentuk kurvanya menjadi penuh seperti dalam Gambar 2.4 di atas.
Hysteresis ini menyatakan hilangnya energy dalam sistem. Hilangnya energy ini sebanding
dengan luas loop. (Darminto, 2002)
Pada kurva histeresis ada yang disebut remanensi (Hr). remanensi adalah medan
kebalikan, bila diterapkan dan kemudian dihapus, akan mengurangi remanensi saturasi ke
nol. Nilai Histeresis suatu bahan tergantung pada ukuran butir, domain, stres, dan suhu.
7
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Peralatan dan Bahan
3.1.1 Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam eksperimen ini antara lain adalah gelas beker, gelas
ukur, pipet, timbangan digital, ayakan, corong kecil, tissue, thermometer, kertas saring,
magnet permanent, oven untuk untuk pengeringan, furnace sebagai alat pemanas dan
pengaduk magnetik (hot plate dan magnetik stirrer). Untuk karakterisasi fasa dipakai
difraktometer sinar-X (XRD), TEM untuk mengamati morfologi ukuran parikelnya dan VSM
untuk memperoleh kurva magnetisasi suatu bahan.
3.1.2 Bahan
Bahan utama yang digunakan dalam sintesa Fe3O4 adalah pasir besi dari Aldrich,
Larutan HCl 12,07 M dan NH4OH 6,49 M dipakai dalam sintesa dengan metode
kopresipitasi. Aquades digunakan sebagai bahan pencuci dalam proses kopresipitasi
3.2 Prosedur Kerja
3.2.1 Sintesis Partikel Nano Fe3O4 dari Pasir Besi Alam
Partikel nano Fe3O4disintesis dengan metode kopresipitasi. Pasir besi yang telah
diekstrak diuji dengan XRD kemudian dilarutkan dalam HCl 12,07 M sebanyak 35 ml pada
suhu ~ 70° C dan diaduk sekitar 30 menit dalam magnetic stirrer. Adapun persamaan
reaksinya sebagai berikut:
3Fe3O4 (s) + 8HCl(l) _ 2FeCl3 (l) +
FeCl2 (l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l)+ H2(g )
Setelah larutan terbentuk, dilakukan penyaringan dengan menggunakan kertas saring.
NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di aduk dengan pengaduk magnetik dan
dipanaskan dengan magnetik stirrer pada suhu ~ 70° C selama 30 menit. Adapun persamaan
reaksinya sebagai berikut:
2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + H2O(l) + 8NH4OH(l) → Fe3O4(s)+ 8NH4Cl(l) + 5H2O(l)
8
Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian dicuci berulang-ulang dengan aquades sampai
bersih dari pengotornya kemudian disaring. Cara pencucian adalah dengan menempatkan
hasil reaksi pada gelas ukuran besar kemudian diberi aquades sebanyak yang bisa ditampung
gelas itu.
Magnet permanen ditempatkan dibawah gelas dengan tujuan bisa menarik Fe3O4
supaya mengendap lebih cepat dibandingkan Fe2O3. Bila sudah terjadi endapan didasar gelas
air di dalam gelas dibuang dengan penuangan yang hati-hati agar endapan kental yang
berwarna hitam (Fe3O4) tidak ikut terbuang. Kemudian bahan material hasil endapan ini
dikeringkan di dalam oven pada suhu 70° C sekitar 2 jam.
Gambar 3.1. Skema kerja penelitian partikel
nano Fe3O4 dari pasir besi alam
9
BAB IV
ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Data Hasil Pengamatan Difraksi Sinar X
Adapun data hasil pengamatan yang diperoleh dalam percobaan ini, terdapat pada
table 4.1.
Tabel 4.1 Data yang diperoleh dari refine
Software Maud
Bahan Parameterkisi
Ukuranrata-rata
(nm)
Varian
Pasir besi 0,839±4x10-4
384,2 ± 0,2
1,55±1,2
Pasir besi sintesis 8,377±3x1
0-4
10,9 ± 3,5 1,9 ± 0,3
Aldrich 8,391±2x1
0-4
77,2 ± 1,3 2,8 ± 0,015
Aldrich sintesis 8,383±7x1
0-4
5,5 ± 0,1 1,2 ± 0,1
4.2 Analisa Data
Dari data hasil pengamatan, didapatkan grafik sebagai berikut:
10
Gambar 4.2. Grafik distribusi ukuran kristal Fe3O4.
4.3 Pembahasan
Bubuk pasir yang mengandung besi diekstrak menggunakan besi permanen untuk
diambil biji Fe3O4 nya kemudian di uji dengan XRD untuk mengetahui fasa apa saja yang
terkandung.
Pengujian menggunakan XRD ini juga dilakukan pada Fe3O4 yang berasal dari Aldric, baik
sebelum disintesis maupun sesudah disintesis. Lebarnya puncak dari masing-masing grafik
sampel (gambar 4.1) menunjukkan banyaknya sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl
yang sama. Sehingga semakin tinggi puncak difraksi maka semakin banyak sinar-X yang
terhambur pada bidang dhkl yang sama. Lebar dan tinggi grafik XRD mengidentifikasikan
ukuran partikel dari suatu sampel. Hal ini terlihat dari XRD pada bahan Fe3O4 dari pasir besi
yang belum disintesis mengalami pelebaran grafik setelah disintesiss. Begitu pula pada Fe3O4
yang berasal dari Aldric yang belum disintesis memiliki FWHM yang lebih besar dari pada
yang telah disintesis. Dengan demikian bahan yang telah disintesis dengan metode
kopresipitasi memiliki sifat lebih nanokristalin dari pada yang belum disintesis.
Berdasarkan hasil pola difraksi sinar X pada gambar4.1 kemudian dilakukan analisa
secara kualitatif yaitu dengan identifikasi fasa yang didasarkan pada pencocokan data
posisiposisi puncak difraksi yang terukur dengan basis data (database). Fasa-fasa yang telah
dikompilasi yaitu dalam bentuk CD PDF (Powder Difraction File). Setelah itu pencarian
posisi puncak dan pencocokan pada fasa basis data dilakukan dengan langkah mencari dan
mencocokkan (search-mach) secara manual. Sehingga dapat diketahui kandungan fasa yang
ada di dalamnya selanjutnya dilakukan analisa kuantitatif untuk menentukan prosentase
Fraksi Volume Fe3O4 pada pasir besi dengan menggunakan metode hanawalt:
11
Dari perhitungan yang dilakukan didapatkan bahwa prosentase Fraksi Volume dari
Fe3O4 adalah sebesar 64.15%. Sedangkan pada serbuk Fe3O4 yang berasal dari Aldric tidak
dilakukan perhitungan untuk menentukan prosentase Fraksi Volumenya karena sudah
mendapat lisensi mengandung 100% Fe3O4. Pasir besi yang telah memiliki fasa Fe3O4
dilarutkan dalam larutan HCl menghasilkan senyawa-senyawa menurut reaksi berikut:
3Fe3O4(s) + 8HCl(l) → 2FeCl3(l) + FeCl2(l) + 3Fe2O3(s) + 3H2O(l) + H2(g)
Dari hasil larutan hasil reaksi tersebut, terdapat ion-ion Fe2+ dan Fe3+ sekaligus yang
menjadi dasar dari sintesis Fe3O4. Pembentukan partikel nano dengan cara kopresipitasi dari
larutan ini dilakukan melalui pengendapan dengan larutan basa NH4OH dengan reaksi
sebagai berikut:
2FeCl3(l) + FeCl2(l) + H2O(l) + 8NH4OH(l) → Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l) + 5H2O(l)
Endapan (presipitat) berwarna hitam akan terbentuk dengan segera saat larutan hasil
reaksi pertama dicampur dengan larutan basa. Reaksi pembentukan yang cepat ini yang
menjadi penyebab partikel Fe3O4 berukuran nano.
Pengujian XRD digunakan sebagai karakterisasi pertama yang dilakukan untuk
mengetahui fasa apa yang terkandung dalam sampel serbuk hasil sintesis dengan metode
kopresipitasi. Hasil XRD ini memperlihatkan bahwa terdapat fasa Fe3O4 dan tidak ditemukan
fasa lain. Data yang cocok pada saat searhmarch adalah JCPDS dari Fe3O4 (#19-0629).
Semua puncak pola difraksi untuk sampel tersebut teridentifikasi sebagai fasa Fe3O4
berstruktur kubik dengan konstanta kisi a = 8,356 Å, yang mendekati dengan data ICSD No.
82237 (a = 8,3873 Å).
Data hasil XRD juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal masing-masing
sampel dengan menggunakan software Maud. Hasil pengolahan Fe3O4 dari pasir besi alam
setelah disintesis ukuran kristalnya 10,9 ± 0,3 nanometer yang sebelumnya berukuran 384,2 ±
0,2 nm. Sedangkan hasil olah data dengan Maud untuk sampel Fe3O4 yang berasal dari
Aldrich memiliki ukuran kristal sebesar 77,2 ± 1,28 nanometer dan setelah disintesis dengan
metode kopresipitasi ukuran kristalnya menjadi 5,5 ± 0,1 nanometer.
12
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang di dapat dalam percobaan ini adalah:
Ukuran kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari sinteseis Fe3O4 Aldrich adalah 5,5 ± 1,3
nanometer dan dari pasir alam sebesar 10,9 ± 3,5. Dari hasil analisis sifat magnet diperoleh
nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4 dari pasir besi, Aldrich yang belum disintesis dan
Aldrich yang telah disintesis berturut-turut sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6
emu/gram dan medan koersifitas, HC sebesar 1,69x10-2 Tesla, 2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-2
Tesla.
5.1 SARAN
1. Perlu adanya kecermatan dalam proses sintesis untuk memperoleh hasil yang lebih baik.
2. Sampel yang hendak diuji sebaiknya disimpan dalam wadah yang benar-benar kedap udara
dan langsung diuji setelah disintesis (tidak menunggu waktu yang lama).
3. Perlu mengetahui perbandingan ukuran
partikel dengan ukuran kristalnya
13
DAFTAR PUSTAKA
Anwar, Muhammad. (2007). Sintesis dan Karakterisasi Ferofluida Berbahan Dasar Pasir
Besi Peg-400 Sebagai Media Template. Tugas Akhir, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember: Surabaya
Arisandi, Dhesi Mia (2007). Pengaruh Pemanasan dan Jenis Surfaktan Pada Sifat
Megnetik Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi. Tugas Akhir, Institut
Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya.
Cornell, RM, dkk (2003). The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences
and Uses. Wiley VCH.
http://en.wikipedia.org/wiki/Iron_o
xide
Darminto,dkk (2002). Fisika Zat Padat II. Institut Teknologi Sepuluh Nopember: Surabaya
14