## IDENTIFIKASI STRUKTUR KRISTAL DAN MORFOLOGI ENDAPAN KALSIUM KARBONAT (CaCO 3 ) PADA PIPA TEMBAGA
1 Eri Widianto, 2 Kardiman, 3 A. P. Bayuseno, 4 Stefanus Muryanto 1, 2 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang
3 Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang
4 Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas 17 Agustus 1945 Semarang
1 eri.widi46@gmail.com, 2 kardimandiman@staff.unsika.ac.id, 3 bayuseno@undip.ac.id, 4 stefanusmuryanto@yahoo.com

## I. P ENDAHULUAN
Proses  pengerakan (scaling) pada  pipa  menjadi  salah  satu permasalahan yang serius di bidang industri. Pengendapan kerak umumnya  dijumpai  pada  peralatan  industri  minyak  dan  gas, industri kimia, proses destilasi serta industri yang menggunakan ketel [1,2]. Pengerakan juga terjadi pada peralatan seperti w ater reservoir, boiler, heat exchanger dan condenser [3]. Salah satu  perusahaan  minyak  di  Indonesia  menghabiskan  biaya sekitar  6-7  juta  dolar  untuk  mengganti  pipa  pada  bagian geothermal tiap  10  tahun  untuk  menanggulangi  masalah kerak [4].
Endapan  kerak  terjadi  secara  alami  akibat  reaksi kimia  antara  senyawa  anorganik  yang  terdapat  dalam  air. Senyawa yang sering menyebabkan pengerakan antara lain senyawa  dengan  unsur  kalsium,  sulfat,  alkalin,  klorida, nitrat,  besi  dan  fosfat  [5,6].  Beberapa  faktor  yang mempengaruhi  proses  pengerakan  yaitu  laju  aliran, temperatur,  pH,  waktu  induksi  dan  zat  aditif  [7].  Jumlah endapan  senyawa  pembentuk  kerak  yang  semakin  banyak dan  melebihi  kelarutannya,  dapat  memperkecil  diameter yang  dapat  memperlambat  aliran  fluida  pada  pipa. Terhambatnya  aliran  fluida  menyebabkan  perpindahan panas  terganggu (overheating) yang  dapat  menurunkan efisiensi.  Tekanan  pada  pipa  akan  meningkat  sehingga memungkinkan pipa cepat rusak atau pecah [8].
Beberapa  metode  untuk  mengontrol  pembentukan kerak  telah  dilakukan,  seperti  pengendalian  pH  larutan. Namun  penggunaan  asam  dengan  konsentrasi  tinggi  dapat meningkatkan  laju  korosi  [9].  Metode  lain  yaitu  dengan penambahan  bahan-bahan  penghambat  kerak (scale inhibitor) seperti  asam  tanat  [10],  asam  turunan  ortofosfat dan  polifosfat  [11].  Selain  itu,  senyawa  aditif  golongan karboksilat, asam  benzoat dan asam  sitrat dapat mencegah pertumbuhan  kerak  karena  mampu  memperkecil  ukuran kristal [10].
Pada  penelitian  ini  dilakukan  simulasi  pembentukan kerak  kalsium  karbonat  (CaCO 3 )  menggunakan Closed Circuit  Scale  Simulator dengan  penambahan  aditif  berupa asam tartrat (C 4 H 6 O 6 ). Analisis difokuskan pada identifikasi  morfologi,  sturktur  dan  parameter-parameter kristal  CaCO 3 yang  terbentuk.  Karakterisasi  sampel  kerak menggunakan X-Ray  Diffaction (XRD)  dan Scanning Electron Microscopy (SEM).

## II. METODE PENELITIAN
A. Pembentukan kerak CaCO 3 Pembentukan kerak CaCO 3 menggunakan set up peralatan Closed  Circuit  Scale  Simulator seperti  yang  digunakan peneliti sebelumnya, ditunjukan pada Gambar 2.1 [7].
Gambar 2.1 Set up peralatan Closed Circuit Scale Simulator pembentukan kerak CaCO 3 [7]

## I N F O  A R T I K E L
Diterima : 9 Juni 2017 Direvisi : 4 Juli 2017 Disetujui : 24 Juli 2017
Kata Kunci : Kerak kalsium karbonat (CaCO 3 ), aditif asam tartrat (C 4 H 6 O 6 ), sturktur kristal

## A B S T R A K
Telah  dilakukan  penelitian  tentang  penumbuhan  kerak  kalsium  karbonat  (CaCO 3 )  pada  pipa  uji tembaga  menggunakan  peralatan Closed  Circuit  Scale  Simulator .  Kerak  CaCO 3 dihasilkan dengan mereaksikan kristal CaCl 2 dan NaNO 3 yang dialirkan pada pipa uji dengan laju aliran tetap 35 ml/menit. Pada penelitian ini dilakukan penambahkan aditif berupa asam tartrat (C 4 H 6 O 6 ) dengan konsentrasi 6 ppm. Karakterisasi sampel kerak menggunakan X-Ray Diffaction (XRD) dan Scanning Electron Microscopy (SEM) menunjukan bahwa endapan kerak yang dihasilkan merupakan kristal CaCO 3 dengan fasa calcite berbentuk rhombohedral . Penambahan aditif asam  tartrat  6  ppm  mempengaruhi  derajat  kristalin  CaCO 3 ,  terlihat  jelas  pada  puncak intensitas  yang  menurun  dan  puncak-puncak  bergeser  ke  arah  sudut yang  lebih  besar.
Morfologi  kerak  CaCO 3 dengan  penambahan  aditif  terlihat  tidak  homogen,  menunjukkan bahwa  penambahan  aditif  dapat  menghambat  proses  kristalisasi.  Dengan  kata  lain, penambahan aditif mampu menghambat laju pertumbuhan kristal, sehingga memungkinkan  kerak  yang  terbentuk  merupakan  jenis softscale yang  mudah  untuk dibersihkan.
Keterangan: 1. Bejana bawah CaCl 2 2. Bejana bawah NaCO 3 3. Bejana atas CaCl 2 4. Bejana atas NaCO 3 5. Pompa air 6. Temperatur control 7. Kupon pipa uji
8. Pengaduk
Langkah  awal  yaitu  membuat  larutan  CaCl 2 dan  NaCO 3 dengan konsentrasi 4000 ppm dalam aquades. Penambahan aditif dilakukan  dengan  menambahkan  larutan  asam  tartat (C 4 H 6 O 6 )  dengan  konsentrasi  6  ppm  ke  dalam  larutan CaCl 2 .  Selanjutnya  larutan  CaCl 2 dan  NaCO 3 dialirkan  dengan laju  aliran  35  ml/menit.  Penumbuhan  kerak  CaCO 3 dideposisi pada  pipa  uji  tembaga,  kemudian  endapan  kerak  diambil  dan dikeringkan.  Sampel  yang  sudah  dikeringkan  selanjutnya dikarakterisasi menggunakan XRD dan SEM untuk mengetahui struktur kristal dan morfologi kerak CaCO 3 .

## B. Karakterisasi  struktur  kristal  dan  morfologi  kerak
CaCO 3 Struktur morfologi permukaan kerak CaCO 3 menggunakan SEM. Karakterisasi kerak CaCO 3 menggunakan XRD digunakan untuk menentukan fasa dan konstanta kisi kristal yang  terbentuk.  Konstanta  kisi  dihitung  melalui  proses fitting terhadap  puncak  utama  hasil  difraktogram  XRD  sampel menggunakan Software Origin 9. Proses fitting memudahkan dalam memperoleh nilai sudut Bragg dalam yang lebih teliti  serta  lebar  dari  setengah  puncak  (FWHM).  Sudut Bragg pada  grafik  XRD  masih  menunjukkan  sudut  dalam
,  sehingga  perlu  diubah  menjadi agar  dapat disubstitusikan dalam persamaan Bragg . Persamaan Bragg digunakan  untuk  mencari  jarak  antar  bidang  kristal dituliskan:
(1)
dengan d adalah jarak antar bidang kristal, n adalah urutan difraksi,  adalah  panjang  gelombang  sinar-X,  dan  adalah sudut difraksi [11].
Perhitungan indeks Miller dilakukan untuk memperkuat  dugaan  terbentuknya  fasa  CaCO 3 pada  kerak yang  dihasilkan.  Setiap  puncak  pada  hasil  pola  XRD diidentifikasi  indeks  Miller  yang  selanjutnya  dilakukan pencocokan  dengan  data  standar  JCPDS  CaCO 3 (47  - 1743).  Puncak  tertinggi  hasil  karakterisasi  XRD  dapat digunakan  untuk  mengestimasi  ukuran  kristal  melalui persamaan  Scherrer , dengan  menghubungkan  ukuran kristal  dengan  lebar  setengah  puncak  difraksi.  Persamaan Scherrer dituliskan:
(2)
dengan t adalah  ukuran  rata-rata  kristalin  (nm), k merupakan  konstanta  Scherrer  (0,89), λ adalah  panjang gelombang  sinar-X  yang  digunakan  (nm), B adalah  lebar setengah puncak maksimum difraksi atau full width at half maximum (FWHM)  dihitung  dalam  radian,  dan θ adalah posisi puncak difraksi.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Telah  berhasil  dideposisi  kerak  CaCO 3 pada  pipa  uji tembaga  menggunakan  skema  peralatan Closed  Circuit  Scale Simulator dengan  mereaksikan  larutan  CaCl 2 dan  NaCO 3 konsentrasi  4000  ppm  dan  penambahan  aditif  asam  tartrat (C 4 H 6 O 6 )  konsentrasi  6  ppm.  Hasil  endapan  kerak  CaCO 3
yang  dihasilkan  berbentuk  serbuk  berwarna  putih  yang merupakan  salah  satu  karakteristik  kerak  CaCO 3 ,  seperti pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Pipa uji penumbuhan kerak a). sebelum ada kerak b). setelah terdeposisi  kerak CaCO 3
Karakterisasi  X-Ray  Diffaction  (XRD)  dilakukan  untuk mengetahui  sifat  struktural  sampel  kerak  CaCO 3 .  Hamburan sinar-X  yang  terpantul  dari  permukaan  sampel  dideteksi  oleh detektor,  sehingga  diperoleh  pola-pola  difraksi  sampel  yang diukur.  Pola  XRD  berupa  puncak-puncak  orientasi  kristal  pada sampel. Gambar 3.2 merupakan pola XRD sampel kerak CaCO 3 dengan dan tanpa penambahan aditif.
In te n si ta s (a .u ) 70 60 50 40 30 20 2 teta (derajat) 104 012 006 110 113 202 018 116 121 122 208 300 215 012
Gambar 3.2 Pola XRD kerak CaCO 3 tanpa aditif ( line merah), penambahan adifit asam tartrat (C 4 H 6 O 6 ) 6 ppm ( line biru)
Karakterisasi  XRD  pada  sampel  endapan  kerak  CaCO 3 dalam rentang sudut = 20° - 75° menunjukan bahwa sampel yang  dihasilkan  memiliki  derajat  kristalin  yang  tinggi.  Hal  ini ditunjukan dengan puncak utama yang memiliki intensitas tinggi pada sudut = 29,41° (tanpa aditif) dan = 29,52° (aditif) yang  menunjukan  fasa calcite dengan  bidang  (104).  Puncak- puncak lain yang merupakan karakteristik CaCO3 juga teramati dengan  intensitas  yang  lebih  rendah  berkaitan  dengan  bidang (012), (006), (110), (113), (202), (018), (116) seperti tampak pada Gambar 3.2 di atas.
Berdasarkan  posisi  puncak,  intensitas  tampak  mengalami penurunan dan posisi puncak-puncak menunjukan pergeseran ke arah sudut yang lebih besar setelah ditambahkan aditif asam tartrat  6  ppm,  meskipun  tidak  terlalu  signifikan.  Hal  ini menunjukan  bahwa  penambahan  aditif  asam  tatrat  dapat menghambat  pembentukan  kristal  CaCO 3 walaupun  masih berada pada fasa yang sama yaitu fasa calcite yang kemungkinan terjadi karena konsentrasi aditif yang kecil.
104 tanpa aditif aditif 6 ppm a b
Tabel  1  menunjukan  nilai  konstanta-konstanta  kisi,  yaitu jarak antar bidang d yang dihitung menggunakan persamaan (1)
dan orientasi bidang dicocokan dengan standar JCPDS  CaCO 3 (47  -  1743).  Hasil  menunjukan  adanya  kecocokan  antara sampel CaCO 3 hasil deposisi dengan standar.
T ABEL I K ONSTANTA - KONSTANTA KISI KERAK CaCO 3
Selain  mengindentifikasi  jarak  antar  bidang  dan  orientasi kristal,  data  XRD  dapat  digunakan  untuk  mengestimasi  ukuran partikel  dengan  menggunakan  metode  Scherrer  pada persamaan  (2),  Dari  hasil  perhitungan  diperoleh  ukuran  kristal CaCO 3 tanpa aditif (107,489 ± 1,2) nm dan setelah penambahan aditif ukuran kristalnya (101,4143 ± 0,7) nm, Morfologi endapan kerak  CaCO 3 diamati  menggunakan Scanning  Electron Microscopy (SEM), seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Struktur morfologi kerak CaCO 3 menggunakan SEM a). tanpa aditif b). penambahan aditif asam tartrat (C 4 H 6 O 6 ) 6 ppm
Gambar  3.3  tampak  jelas  perbedaan  morfologi  kerak CaCO 3 sebelum  dan  sesudah  ditambahkan  asam  tartrat (C 4 H 6 O 6 )  6  ppm,  Kristal  yang  terbentuk  merupakan  fasa calcite dengan  bentuk kristal rhombohedral ,   Penambahan aditif asam tartrat mempengaruhi morfologi kristal, terlihat jelas dengan penambahan aditif jenis kristal yang terbentuk
tidak  beraturan  atau  tidak  homogen,  Hal  ini  disebabkan kehadiran asam tartrat yang teradopsi di permukaan kristal dan  menghambat  kristal  mencapai  ukuran  kritisnya (menghambat  proses  kristalisasi),  Unit-unit  pertumbuhan inti  kristal  terhalang  oleh  molekul-molekul  C 4 H 6 O 6 secara merata  di  permukaan  kristal  CaCO 3 untuk  melangsungkan pertumbuhan  secara  normal,  Penambahan  aditif  C 4 H 6 O 6 dapat  mengurangi  laju  pertumbuhan  kerak  CaCO 3 , sehingga  menghasilkan  ukuran  kristal  yang  lebih  kecil, Penambahan  aditif  dapat  menekan  pembentukan  kristal fasa calcite yang  merupakan  fasa hardscale [7],  Dengan kata  lain,  penambahan  aditif  memungkinkan  kerak  yang terbentuk jenis softscale yang mudah untuk dihilangkan.

## IV. KESIIMPULAN
Simulasi  penumbuhan  kerak  kalsium  karbonat  (CaCO 3 ) berhasil  dilakukan  menggunakan  alat Closed  Circuit  Scale Simulator pada  pipa  uji  tembaga,  Karakterisasi  sampel kerak  menunjukkan bahwa endapan yang dihasilkan merupakan kristal CaCO 3 fasa calcite berbentuk rhombohedral , Penambahan aditif  asam  tartat  (C 4 H 6 O 6 )  mampu  menekan  pertumbuhan kristal CaCO 3 .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  (EW)  mengucapkan  terimakasih  kepada  tim peneliti scale teknik  mesin  UNDIP,  (K)  ucapan  terimakasih kepada  LPDP  atas  dukungan  financial,  dan  semua  pihak  yang mendukung dalam pembuatan paper ini.

## DAFTAR RUJUKAN
[1]  Badr,  A.,  and  M,  A,  A.  Yassin,  2007, Barium  Sulfate Scale  Formation  in  Oil  Reservoir  during  Water Injection at High-Barium Formation Water , Journal of
Applied Sciences , 7(17): 2393-2403.
[2]  Lestari,  D,  E,  G,  R,  Sunaryo,  Y,  E,  Yulianto,  S, Alibasyah, dan S, B, Utomo, 2004, Kimia Air Reaktor Riset G, A, Siwabessy , Makalah Penelitian P2TRR dan P2TKN BATAN, Serpong.
[3]  Jamialahmadi,  M,  and  M,  Muller-Steinhagen,  2007, Heat  Exchanger  Fouling  and  Cleaning  in  the Dihydrate  Process  for  the  Production  of  Phosphoric Acid , Chemical Engineering Research Design , Pp 245- 255,
[4]  Suharso,  Buhani,  S,  Bahri  and  T,  Endaryanto,  2010. The Use of Gambier Extracts from West Sumatra as a Green  Inhibitor  of  Calcium  Sulfate  (CaSO 4 )  Scale Formation , Asian  Journal  Research  Chemistry ,  1(3): 183-187.
[5]  Weijnen,  M,  P,  C,  W,  G,  J,  Marchee,  and  G,  M,  V, Rosmalen, 1983, A Quantification of the Effectiveness of  an  Inhibitor  on  the  Growth  Process  of  a  Scalant, Desalination , (47): 81-92.
[6]  Maley,  M,  1999, Inhibition  of  Calcite  Nucleation  and Growth  Using  Phosphonate ,  Curtin  University  of Technology Western Australia, Australia.
[7]  Muryanto,  S,  A,  P,  Bayuseno,  W,  Sediono,  W, Mangestiyono, and W, Sutrisno, 2012, Development of
Tanpa aditif Aditif asam tartrat 6 ppm 2θ (°) Jarak antar bidang d (Å) Orientasi bidang (hkl) 2θ (°) Jarak antar bidang d (Å) Orientasi bidang (hkl) 23,06 3,853793114 012 23,16 3,83737897 012 29,41 3,03456058 104 29,52 3,02350279 104 31,44 2,843101903 006 31,56 2,832564793 006 35,98 2,494082915 110 36,06 2,488732983 110 39,43 2,283441231 113 39,5 2,279555757 113 43,17 2,093882908 202 43,2 2,092498298 202 47,13 1,926765484 024 47,62 1,908076533 018 47,53 1,911479354 018 47,21 1,923686852 024 48,53 1,874402901 116 48,6 1,871866641 116 b a
a  Versatile  Laboratory  Project  for  Scale  Formation and Control , Education for Chemical Engineers, p 7.
[8]  Asnawati,  2001, Pengaruh  Temperatur  Terhadap Reaksi  Fosfonat  dalam  Inhibitor  Kerak  pada  Sumur
Minyak, Jurnal Ilmu Dasar, (2): 20-26.
[9] Lestari, D, E, 2008, Kimia Air, Pelatihan Operator dan Supervisor  Reaktor  Riset ,  Pusat  Pendidikan  dan Pelatihan BATAN, Serpong.
[10]  Suharso  dan  Buhani,  2011, Efek  Penambahan  Aditif Golongan  Karboksilat  dalam  Menghambat  Laju Pembentukan  Endapan  Kalsium  Sulfat ,  Jurnal  Natur
Indonesia, 13(2): 100-104.
[11] Puri, R,  K, dan Babbar V,  K, 2007, Solid State  Physic , S,
Chand & Company Ltd, New Delhi.