Stannum : Jurnal Sains dan Terapan Kimia, 2 (1) (2020) 7-12

## Stannum : Jurnal Sains dan Terapan Kimia
Website: https://journal.ubb.ac.id/index.php/stannum doi: 10.33019/jstk.v2i1.1701 Research paper
Synthesis of CuO-based Nanofluids Mediated by Egg White for Ethanol Distillation Applications
Sintesis Nanofluida Berbasis CuO Termediasi Putih Telur untuk Aplikasi Destilasi Etanol
Aliefia Noor 1 , Evi J 1 , Aisyah D. A. T. Safitri 1 , Rifqi A. Rafsanjani 2 , and Yuant Tiandho 1,3*
1 ) Department of Physics, Universitas Bangka Belitung Kampus Terpadu Universitas Bangka Belitung, Bangka, Bangka Belitung, 33172
2) Department of Physics, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, Kota Depok, Jawa Barat 16424
3) Research Center for Energy and Information Technology, Universitas Bangka Belitung Kampus Terpadu Universitas Bangka Belitung, Bangka, Bangka Belitung, 33172
* Corresponding author: yuant@ubb.ac.id

## ABSTRACT
The use of solar energy to satisfy renewable energy in Indonesia has great potential. To improve the efficiency of solar collectors, some researchers proposed solar collectors that equipped by nanofluids as working fluids. CuO-based nanofluids are known as nanofluids that have excellent conductivity. The purpose of this study is to synthesize CuO nanofluids through egg white mediation methods, and it will be applied to simple distillation systems. Generally,  the synthesizing process  is  arranged  based  on  the  modification  of  the  sol-gel method, and by the calcination, it will leave metal oxides, namely CuO-nanoparticles. The calcination  temperature  variation  used  is  150 ℃ ;  300 ℃ ;  500 ℃ and  700 ℃ .  According  to Debye-Scherrer equations, it is known that, in optimal condition, we obtain CuO crystallite by the size is 42 nm. The use of CuO nanofluids can increase the conductivity of fluids and can increase the effectiveness of ethanol distillation by 81%.
Keywords : energi terbarukan, nanofluida, nanopartikel.

## PENDAHULUAN
Keberlanjutan  energi  merupakan  salah satu  tantangan  terpenting  yang  dihadapi  oleh berbagai negara di dunia. Di sisi lain, isu terkait penggunan  energi  rendah  karbon  terus berkembang  seiring  dengan  meningkatnya dampak  negatif  perubahan  iklim.  Karena terletak  di  daerah  tropis,  Indonesia  memiliki energi  surya  yang  cukup  melimpah.  Oleh karena  itu  penggunaan  energi  surya  untuk memenuhi  energi  terbarukan  di  Indonesia
memiliki potensi yang cukup besar (Tiandho et al ., 2018).
Pada umumnya, pemanfaatan energi surya dapat dilakukan melalui cahaya dan panas yang dihasilkan.  Pemanfaatan  cahaya  surya  lebih sering  diaplikasikan  pada  divais  berbasis fotovoltaik  dengan  keluaran  berupa  energi listrik  (Handayani et  al ., 2019).  Adapun  panas yang  dihasilkan  oleh  matahari  dimanfaatkan oleh  sistem  kolektor  surya  dengan  keluaran berupa  energi  panas.  Kolektor  panas
merupakan  sistem  penghasil  energi  yang sering  digunakan  untuk  memenuhi  kebutuhan air  panas  dan  sistem  pendestilasian  alkohol (Budiana, et  al .,  2011).  Permasalahan  yang kerap ditemui dari penggunaan kolektor panas terletak pada tingkat efisiensi yang bergantung pada  jumlah  fluks  energi  surya  dan  metode pengkonversian yang diterapkan. Tipe kolektor surya  yang  banyak  dikembangkan  terdiri  dari permukaan  hitam  sebagai  absorben  untuk mentransfer  panas  pada  fluida  (biasanya  air) yang  mengalir  pada  tabung  yang  terkoneksi dengan  permukaan  tersebut  (Otanicar, et  al ., 2010). Karena menggunakan air yang memiliki konduktivitas cukup rendah maka akan cukup banyak  kehilangan  energi  dalam  sistem kolektor  surya  konvensional.  Penelitian sebelumnya  menunjukkan  bahwa  sistem kolektor  surya  ini  hanya  menghasilkan temperatur  sekitar  70°C  pada  puncak  panas matahari (Budiana, et al ., 2011).
Inovasi  yang  dapat  dilakukan  untuk meningkatkan  efisiensi  kolektor  surya  adalah mengembangkan  kolektor  surya  berbasis nanofluida  dengan  sistem  absorpsi  secara langsung (Nagarajan, et al ., 2014; Mahian et al ., 2013).  Nanofluida  adalah  suatu  fluida  dengan nanopartikel  yang  terdispersi  di  dalamnya dalam jumlah yang relatif kecil (Tiandho et al ., 2019;  Yu  &  Xie,  2012).  Namun,  meskipun dalam jumlah yang kecil, kehadiran nanopartikel  tersebut  akan  meningkatkan konduktivitas fluida secara signifikan (Tiandho &  Afriani,  2020;  Jang  &  Choi,  2007).  Oleh karena  itu,  penggunaan  nanofluida  dalam kolektor surya diharapkan dapat memperbaiki nilai  efisiensinya  melalui  peningkatan  sifat konduktivitas  yang  lebih  besar  dari  air.  Salah satu nanopartikel dengan konduktivitas paling tinggi adalah CuO  (Agarwal, et al ., 2016). Oleh karena  itu  penggunaan  nanopartikel  CuO dalam  fluida  diharapkan  dapat  meningkatkan konduktivitasnya secara signifikan.
Untuk  menghindari  dampak  negatif terhadap lingkungan maka di dalam penelitian ini diajukan sebuah metode sintesis nanopartikel  dengan  menggunakan  mediasi putih  telur (ovalbumin) dari ayam. Metode ini disusun berdasarkan modifikasi metode sol-gel (Thangaraj et  al ., 2011). Melalui pencampuran larutan prekursor nanopartikel dengan polimer  putih  telur  akan  diperoleh  matriks yang dapat berperan untuk mendispersi kation (Dhara,  2005).  Sehingga  dengan  proses pemanasan akan terjadi evaporasi polimer dan diharapkan  tertinggal  logam  oksida  berupa CuO  berukuran  nanometer.  Selain  itu,  untuk
mengetahui potensi peningkatan konduktivitas nanofluida yang disintesis dalam penelitian ini maka  nanofluida  tersebut  diintegrasikan dengan sistem destilasi etanol sederhana.

## METODE PENELITIAN

## Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini terdiri  dari:  tembaga  sulfat  pentahidrat (CuSO 4 •5H 2 O), putih telur, NaOH, akuades, dan etanol.

## Alat
Alat  yang  digunakan  pada  penelitian  ini terdiri  dari:  peralatan  gelas,  neraca  analitik, kertas saring Whatman no. 1, magnetic stirrer , oven , furnace ,  pH  meter,  EC  meter,  sistem distilasi  etanol  sederhana  yang  terbuat  dari aluminium  dan  tembaga,  serta  peralatan difraksi sinar-x (XRD).

## Prosedur
Secara  ringkas,  metode  dari  penelitian  ini terdiri  dari  dua  tahapan:  (i)  sintesis nanopartikel  termediasi  putih  telur  dan  (ii) pengujian performa nanofluida yang dihasilkan.
Seberat  50  gram  CuSO 4 •5H 2 O  dilarutkan ke dalam 100 mL akuades dengan suhu 100 ℃ . Selanjutnya untuk sintesis nanopartikel, CuSO 4 terlarut  tersebut  dipisah  menjadi  dua  bagian. Bagian  pertama  untuk  kebutuhan  sintesis dengan  mediasi  putih  telur  ayam  dan  lainnya sebagai  kontrol  (tanpa  mediasi  putih  telur). Sejumlah 15 mL putih telur ayam ditambahkan dalam larutan CuSO 4 pertama pada temperatur 50 ℃ dan diaduk hingga homogen. Sejumlah 15 mL  NaOH  5  M  ditambahkan  ke  dalam  larutan tersebut  pada  temperatur  80 ℃ .  Setelah homogen larutan kemudian di- aging selama 24 jam  agar  diperoleh  gel.  Selanjutnya,  gel  yang diperoleh  dikeringkan  pada  temperatur  150 ℃ selama  1  jam  dan  dikalsinasi  pada  variasi temperatur  150 ℃ ,  300 ℃ ,  500 ℃ ,  dan  700 ℃ selama  3  jam.  Karakteristik  sampel  dianalisis menggunakan  XRD  untuk  mengetahui  fasa yang  terbentuk  serta  ukuran  kristalitnya berdasarkan persamaan Debye-Scherrer.
Karakteristik konduktivitas termal nanofluida yang disintesis dalam penelitian ini ditentukan  berdasarkan  model  konduktivitas nanofluida:
      3 1 1 2 1 nf f k k                    (1)
dengan k adalah  konduktivitas, α adalah  rasio konduktivitas  antara  nanopartikel  dengan fluida  basis,  yaitu  air, ν adalah  rasio  volume antara  nanopartikel  dengan  fluida,  dan subscript nf adalah  nanofluida  sedangkan f adalah  fluida  basis.  Untuk  memvalidasi,  nilai konduktivitas termal yang diperoleh dibandingkan  dengan  nilai  konduktivitas listriknya berdasarkan hukum hukum Wiedemann-Franz.
Performa  nanofluida  dalam  mendistilasi etanol  ditentukan  melalui  pendispersian nanopartikel  CuO  kedalam  campuran  etanol dengan  air  (rasio  1:2).  Selanjutnya  campuran tersebut  dipanaskan  menggunakan hotplate pada  temperatur  85 ℃ menggunakan  sistem distilasi  etanol  sederhana.  Tingkat  efektivitas nanofluida  dalam  distilasi  etanol  ditentukan berdasarkan  perbandingan  antara  jumlah etanol yang diperoleh pada nanofluida CuO dan kontrol (tanpa CuO).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil analisis XRD pada sintesis CuO, baik menggunakan  putih  telur  sebagai  pemediasi maupun  tanpa  putih  telur,  ditunjukkan  oleh Gambar  1.  Melalui  hasil  tersebut  dapat dikonfirmasi  terbentuknya  CuO  melalui metode    yang    dikembangkan    dalam penelitian  untuk  seluruh  temperatur,  yaitu 150 ℃ ;  300 ℃ ;  500 ℃ dan  700 ℃ .    Intensitas tertinggi  pada  hasil  sintesis  CuO  baik  tanpa mediasi  putih  telur  maupun  dengan  mediasi putih telur terjadi pada puncak-puncak sekitar 35,62°  dan  38,80°.  Kedua  puncak  tersebut merupakan indikasi bahwa CuO yang disintesis dalam  penelitian  ini  memiliki  struktur monoklinik  dan    sesuai    dengan    CuO    yang dipreparasi dalam beberapa penelitian sebelumnya (Padil & Cernik, 2013; Ashok et al ., 2014). Selain fasa CuO juga terbentuk senyawa garam  Na 2 SO 4 dalam  proses  sintesis  yang ditunjukkan  oleh  puncak-puncak  yang  tidak diberi tanda bulat.
Terbentuknya  garam  Na 2 SO 4 merupakan hasil  samping  yang  diperoleh  akibat  adanya sisa  reaksi  antara  CuSO 4 dengan  NaOH  yang tidak  ikut  terlarut  pada  proses  pencucian. Terbentuknya  hasil  samping  tersebut  sesuai dengan reaksi kimia:
CuSO 4 + 2NaOH → Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 Sedangkan  terbentuknya  CuO  pada  penelitiani ini akibat dekomposisi senyawa Cu(OH) 2 akibat proses kalsinasi:
Cu(OH) 2 → CuO + H 2 O
(a)
(b) Gambar 1. Hasil  analisis  XRD  CuO:  (a)  tanpa mediasi putih telur; (b) termediasi putih telur
Melalui  hasil  analisis  XRD  juga  dapat diindikasikan  bahwa  penggunaan  mediasi putih  telur  dalam  proses  sintesis  nanopartikel CuO  tidak  menyebabkan  terbentuknya  fasa kristal  lain.  Secara  umum  putih  telur  tidak mengganggu  proses  dekomposisi  Cu(OH) 2 menjadi  CuO  karena  putih  telur  juga  turut terdekomposisi akibat pemanasan.
Dengan  menggunakan  persamaan  Debye- Scherrer  dan  data  puncak  kristal  CuO  dapat ditentukan  ukuran  kristalit  dari  CuO  yang disintesis  dalam  penelitian  ini  seperti ditunjukkan  oleh  Gambar  2.  Tampak  bahwa CuO  yang  disintesis  memiliki  ukuran  kristalit dalam rentang sekitar 28 – 149 nm.
Ketika  proses  sintesis  CuO  dilakukan tanpa menggunakan putih telur tampak bahwa proses  pemanasan  secara  efektif  akan meningkatkan  ukuran  kristalit  CuO  akibat adanya interaksi antar partikel sehingga saling beraglomerasi  membentuk  partikel  yang  lebih besar.  Oleh  karena  itu  ukuran  kristalit  CuO terkecil  ketika  proses  sintesis  tidak  dimediasi oleh putih telur terjadi pada temperatur 150 ℃ .
Hal  yang  berbeda  ditunjukkan  oleh  hasil sintesis CuO yang dimediasi dengan putih telur. Proses  pemanasan  hingga  500 ℃ akan mereduksi  ukuran  kristalit  CuO.  Mediasi dengan  putih  telur  akan  membantu  partikel terhindar  dari  aglomerasi  (Moshafi et  al ., 2019).  Di  atas  temperatur  500 ℃ sintesis  CuO yang dimediasi putih  telur akan menghasilkan ukuran partikel yang semakin besar dikarenakan  semakin  menipisnya  penghalang yang  dibentuk  oleh  putih  telur.  Temperatur optimal yang dapat menghasilkan partikel CuO terendah  pada  sintesis  dengan  mediasi  putih telur  adalah  500 ℃ dengan  ukuran  partikel sekitar 42 nm.
Gambar 2. Ukuran  kristalit  CuO  terhadap temperatur kalsinasi
Melalui  pers.  (1)  dan  berdasarkan  data empiris  konduktivitas  nanopartikel  CuO diperoleh nilai konduktivitas termal nanofluida sebagai  fungsi  volume  nanopartikel  seperti ditunjukkan  oleh  Gambar  3(a).  Melalui pengujian  EC  meter  pada  Gambar  3(b)  juga tampak  bahwa  semakin  tinggi  nanopartikel CuO  yang  ditambahkan  dalam  fluida  air  akan meningkatkan  nilai  konduktivitas  listriknya. Tampak  bahwa  semakin  tinggi  kadar  CuO  di dalam  nanofluida  CuO  maka  semakin  tinggi konduktivitas  listriknya.  Hal  ini  dapat dipahami  karena  serbuk  nanopartikel  CuO memiliki  nilai  konduktivitas  listrik  yang  lebih tinggi  dibandingkan  dengan  nanopartikel  air (Kumar et  al .,  2014).  Hubungan  antara konduktivitas  listrik  dengan  konduktivitas termal  nanofluida  CuO  ditunjukkan  oleh Gambar  3(c).  Tampak  bahwa  semakin  tinggi konduktivitas  listrik  ( σ )  nanofluida  maka semakin tinggi konduktivitas termalnya ( k ) dan hal  ini  sesuai  dengan  hukum  Wiedemann- Franz. Berdasarkan relasi tersebut maka dapat ditentukan  konstanta  Wiedemaan-Franz  ( C WF ) dalam nanofluida CuO bernilai:
0,12 WF k
C    (2) (a) (b)
(c)
Gambar 3. Hubungan  antara  jumlah  volume CuO  terhadap  konduktivitas:  (a) termal;  (b)  listrik  dari  nanofluida; dan (c) hubungan antara konduktivitas listrik dengan konduktivitas termal
Hasil pengukuran temperatur cairan pada proses  distilasi  etanol  ditunjukkan  oleh Gambar  4.  Pada  Gambar  4  tampak  bahwa nanofluida CuO dan air keduanya akan menuju nilai  asimptotik  di  sekitar  temperatur  85 ℃ . Namun  temperatur  nanofluida  CuO  berada dibawah  temperatur  campuran  berbasis  air
(akuades)  sebagai  indikasi  pada  nanofluida CuO  proses  penguapan  etanol  lebih  mudah terjadi  karena  konduktivitasnya  lebih  tinggi. Hal    ini      dibuktikan      oleh      jumlah      etanol yang  diperoleh  dari  kedua  sistem  tersebut. Pada  larutan    berbasi    air    diperoleh    etanol sejumlah  2,2  mL  sedangkan  pada  nanofluida CuO    diperoleh    etanol    sejumlah  4  mL. Sehingga  dapat  dinyatakan  bahwa  uap  etanol yang  dihasilkan    pada    proses    distilasi menggunakan  nanofluida  CuO  lebih  banyak dibandingkan  dengan  proses  distilasi  tanpa perlakuan.  Berdasarkan  nilai  tersebut  juga dapat  dikalkukasi    bahwa  penggunaan nanofluida  CuO    dapat    meningkatkan efektivitas distilasi etanol hingga 81%.
Gambar 4. Hubungan  temperatur  terhadap fungsi waktu  pada proses destilasi etanol

## KESIMPULAN
Melalui perbandingan ukuran kristalit CuO yang   disintesis   dengan  mediasi  putih   telur dan  tanpa  mediasi  putih  telur,  tampak  bahwa keduanya  memiliki  pola  perubahan  ukuran kristalit  terhadap  temperatur  yang  berbeda. Penggunaan  putih  telur  dapat  menahan  laju aglomerasi    partikel    CuO    pada    temperatur yang  lebih  tinggi  tanpa  mengubah  fasa  CuO serta  impuritas  yang  menyertainya.  Ukuran kristalit  CuO  paling  optimal  yang  diperoleh dalam  penelitian  ini  adalah  42  nm.  Semakin tinggi  kadar  nanopartikel  CuO  dalam nanofluida  maka  semakin  tinggi  konduktivitas termal  nanofluida  tersebut.  Selanjutnya, efektivitas  distilasi  etanol  menggunakan nanofluida CuO mengalami peningkatan hingga 81%.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini difasilitasi oleh Laboratorium  Fisika,  Universitas  Bangka Belitung dan Laboratorium UPP-IPD, Universitas Indonesia.

## REFERENSI
Agarwal,  R.,  Verma,  K.,  Agrawal,  N.  K., Duchaniya,  R.  K.,  &  Singh,  R.,  2016. Synthesis, characterization, thermal conductivity  and  sensitivity  of  CuO nanofluids. Applied  Thermal  Engineering , Volume 102, pp. 1024-1036. Ashok,  C.  H.,  Rao,  K.  V.,  Chakra,  C.  H.  S.,  2014.
Structural  analysis  of  CuO  nanomaterials prepared  by  novel  microwave  assisted method. Journal  of  Atoms  and  Molecules , Volume 4(5), pp. 803-806. Budiana,  E.,  Kristiawan,  B.  &  Dyartanti,  E.,
2011.  Pengembangan  teknologi  hemat energi  dengan  memanfaatkan  solar  oil heater  (SOH)  pada  pilot  plant  distilasi bioetanol. Mekanika, Volume  10(1),  pp.  45- 50.
Dhara,  S.,  2005.  Synthesis  of  nanocristalline alumina using egg white. J. Am. Ceram. Soc.,
Volume 88(7), pp. 2003-2004.
Handayani,  T.P.,  Hulukati,  S.A.,  Jaya,  R.,
Tiandho,  Y.  &  Abdullah,  R.,  2019.  The prototype  of  solar-powered  building lighting IoT. IOP Conference Series: Materials
Science  and  Engineering ,  Volume  486(1),  p.
012079. Jang,  S.  &  Choi,  S.,  2007.  Effects  of  various parameters on nanofluid thermal conductivity. Journal  of  Heat  Transfer, Volume 129, pp. 617-623.
Kumar, S., Sokhal, G.S., Singh, J., 2014. Effect of Cuo-distilled  water  based  nanofluids  on heat  transfer  characteristics  and  pressure drop  characteristics. Int.  Journal  of Engineering  Research  and  Applications , Volume 4(9), pp. 28-37.
Mahian,  O. et  al .,  2013.  A  review  of  the application  of  nanofluids  in  solar  energy. International  Journal  of  Heat  and  Mass Transfer, Volume 57, pp. 582-594.
Moshafi,  M.  H.,  Ranjbar,  M.,  Ilbeigi,  G.,  2019. Biotemplate  of  egg  white  albumen  for synthesized  iron  oxide  quantum  dots nanoparticles  (QDNPs)  and  investigation  of antibacterial  effect  againts  pathogenic microbial  strains. International  Journal  of Nanomedicine , Volume 14, pp. 3273-3282.
Nagarajan, P., Subramani, J., Suyambazhahan, S. &  Sathyamurthy,  R.,  2014.  Nanofluids  for solar  collector  applications:  a  review. Energy Procedia, Volume 61, pp. 2416-2434. Otanicar, T. et al ., 2010. Nanofluid-based direct absroption  solar  collector. Journal  of Renewable  and  Sustainable  energy, Volume 2(3), p. 033102.
Padil,  V.  V.  T.  &  Cernik,  M.,  2013.  Green synthesis  of  copper  oxide  nanoparticles using gum karaya as a biotemplate and their antibacterial application. International Journal of Nanomedicine , Volume 8, pp. 889-
898.
Thangaraj,  P.,  Rajan,  J.,  Durai,  S.,  Kumar,  S., RatnaPhani, A., & Neri, G. 2011. The role of albumen  (egg  white)  in  controlled  particle size  and  electrical  conductivity  behavior  of zinc  oxide  nanoparticles. Vacuum ,  Volume
86(2), 140-143..
Tiandho,  Y.  &  Afriani,  F.,  2020.  Model konduktivitas termal nanofluida berdasarkan  grup  tak-berdimensi  dengan parameter  termofisika  kompleks. Jurnal Fisika  Flux:  Jurnal  Ilmiah  Fisika  FMIPA Universitas  Lambung  Mangkurat ,  Volume 17(1), pp. 30-36.
Tiandho, Y., Afriani, F. & Puriza, M. Y. 2019. An explicit  model  of  temperature-dependent thermal  conductivity  for  nanofluids. IOP Conference  Series:  Earth  and  Environmeteal Science , Volume 353(1), p. 012013. Tiandho,  Y.,  Gusa,  R.,  Dinata,  I.  &  Sunanda,  W., 2018.  Model  for  nanofluids  thermal conductivitu based on modified nanoconvective  mechnism. E3S  Web  of Conferences, Volume 73, p. 01015.
Yu,  W.  &  Xie,  H.,  2012.  A  review  on nanoﬂuids:preparation, stability,
mechanisms,  and  applications. Journal  of Nanomaterials, Volume 2012, p. 435873.