Pengaruh Perlakuan Mekanik Pada Emisi Analit Dari
Batubara Menggunakan Teknik
Laser-Induced Plasma
Spectroscopy
Nasrullah Idris
1, Muliadi Ramli
2dan Mahidin
31
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Syiah Kuala
Jl. Syech Abd. Rauf No. 3 Darussalam, Banda Aceh 23111 Aceh, Indonesia 2
Jurusan Kimia, Fakultas Mahematika dan Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala, Jl. Syech Abd. Rauf No. 8 Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia
3
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Jl. Syech Abd. Rauf No. 7 Darussalam, Banda Aceh 23111, Aceh, Indonesia
Email: [email protected]
Abstrak. Pada penelitian terdahulu telah didapatkan bahwa emisi dari trace element dapat dideteksi dalam batubara menggunakan teknik laser-induced plasma spectroscopy. Dalam penelitian tersebut analisa dilakukan langsung pada sampel batubara (fresh sample) tanpa sembarang perlakuan (without any sample preparation). Pada penelitian sekarang, batubara akan diberikan perlakuan awal yaitu sampel padat digerus menjadi bubuk kemudian ditekan untuk membuat pelet. Studi ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh perlakuan mekanik tersebut terhadap kinerja analitik teknik ini dalam analisa batubara. Pada dasarnya, perangkat teknik ini terdiri dari sebuah laser berdaya tinggi yaitu laser neodium yttrium aluminum garnet (Nd-YAG) untuk pembangkitan plasma dari sampel tersebut dan sebuah spektrograf dan intensified charge coupled device, ICCD untuk deteksi emisi plasma. Garis emisi spektral memberikan informasi mengenai jenis konstituen (unsur kimia) sementara dan intensitasnya garis emisi spektral tersebut memberikan informasi jumlahnya (konsentrasi) dalam batubara tersebut. Dalam penelitian ini, studi dilakukan untuk analit konstituen anorganik dalam batubara, seperti Fe, Si dan lain-lain. Didapatkan bahwa intensitas emisi analit unsur-unsur anorganik dalam laser plasma yang dibangkitkan dari sampel batubara meningkat dengan sangat signifikan dibandingkan dengan yang dari sampel tanpa sembarang perlakuan. Hal ini menyiratkan bahwa perlakuan mekanik sangat berpengaruh pada emisi analit untuk sampel sulit seperti batubara.
Kata kunci: teknik spektroskopi plasma laser, teknik analitik, batubara, pelet, trace element
PENDAHULUAN
Batubara mengandung hampir semua elemen dalam tabel periodik kimia baik sebagai elemen utama (major), minor maupun trace element. Elemen utama terdiri dari elemen (unsur) organik seperti C, H, O, N dan S. Sementara minor elemen adalah unsur kimia anorganik seperti Fe, Si, Ca dan lain-lain. Sementara trace elemen
adalah elemen-elemen yang kandungannya kurang dari 100 ppm (part per million) dalam batu bara termasuk logam berat [1].
Seperti telah diketahui bahwa kandungan ketiga jenis elemen ini (major, minor dan
trace element) sangat mempengaruhi kualitas batu bara. Kandungan elemen-elemen utama tersebut akan sangat menentukan jumlah kalori dari suatu batubara dan juga emisi sulfurnya. Pada sisi lain, emisi elemen anorganik minor dan
trace elemen termasuk logam berat dari penambangan, penyimpanan, benefikasi dan pembakaran batubara merupakan salah
lingkungan, yang memunculkan resiko bahaya bagi manusia dan makhluk hidup lainnya. Mengingat penggunaan utama batu bara sekarang adalah untuk pembangkit listrik di berbagai belahan dunia, maka diperkirakan ada jutaan ton emisi polutan ke atmosfir akibta penggunaan batu bara tersebut. Bahkan pelepasan polutan ke atmosfir akibat pemanfaatan batubara akan semakin meningkatkan di masa- masa yang
akan datang seiring peningkatan
pemanfaatan batu bara sebagai bahan baku
utama pembangkit listrik yang
menggantikan sumber-sumber energi
hidrokarbon karena minyak bumi
diperkirakan akan habis dalam jangka waktu 60 tahunan ke depan [2]. Dengan demikian, pemanfaatan batubara untuk pembangkit energi listrik dan lain-lain yang meningkat tersebut juga akan meningkatkan pencemaran antropogenik lingkungan oleh unsur-unsur kimia (minor and trace element) termasuk unsur-unsur logam berat (heavy metal) akan meningkat. Oleh karena itu analisa elemen major, minor dan trace
sangat penting dilakukan baik pada saat penambangan dan pemanfaatannya. Namun karena, seperti diuraikan di atas, batubara adalah sampel yang sangat kompleks, mengandung hampir semua elemen dalam tabel periodik dan juga matriks lemah dibandingkan zat padat yang lain, maka analisa sulit. Dengan demikian dibutuhkan suatu alat analitik yang efektif dan efisien untuk dapat melakukan analisa batubara. Salah satu teknik analitik yang sedang berkembang dengan pesat (emerging analtyical tool) adalah teknik spektroskopi plasma laser.
Teknik spektroskopi plasma laser ( laser-induced plasma spectroscopy) sekarang sangat populer dan sedang berkembang dengan pesat, sehingga disebut sebagai
emission spectroscopy (ICP AES), dan
inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP MS). Keunggulan yang
sangat utama teknik ini adalah
kemampuannya untuk menganalisa sampel dalam berbagai keadaan baik padat, gas dan cair. Keunggulan utama lainnya adalah kemampuan deteksi serempak banyak elemen. Keunggulan selanjutnya adalah
susunan perangkat eksperimen dan
pengambilan datanya sederhana. Analisa dilakukan dengan cepat dan seketika (real time), memungkinkan analisa di tempat atau lapangan (in situ), dan lain-lain. Keunggulan-keunggulan ini sangat penting dan dibutuhkan untuk analisa sampel-sampel sulit atau kompleks seperti sampel-sampel geologis (geoanalysis), yakni batu, batubara, dan mineral-mineral lainnya
[4-7]. Kemampuan teknik ini untuk
menganalisa sampel-sampel sulit tersebut belum banyak diteliti sehingga keefektifan teknik ini untuk kasus sampel sulit belum dapat dinyatakan secara pasti. Penelitian terus dilakukan untuk mendapatkan sebuah teknik analitik yang paling baik untuk analisa kandungan unsur-unsur anorganik baik minor maupun trace element termasuk logam berat dalam batubara [1, 8-10]. Beberapa studi penerapan teknik ini untuk analisa elemen minor dalam batubara telah dilakukan [11-13] dan juga trace element
[14-15]. Studi-studi tersebut dilakukan pada sampel batubara langsung (fresh sample) tanpa sembarang perlakuan awal (no sample pretreatment). Penelitian sekarang dilakukan untuk mengivestigasi pengaruh perlakuan mekanik minimal pada kinerja analitik teknik spektroskopi plasma laser untuk analisa batubara. Untuk tahap pertama, analisa dilakukan untuk elemen anorganik minor dalam batubara.
perangkat optik pemfokus berkas laser, serat optik atau sistem lensa, spektrograf dan sistem pendeteksi (detektor optik) dan perangkat perekam dan pengolah spektrum.
Susunan peralatan teknik LIPS yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada dasarnya sama seperti susunan teknik LIPS yang digunakan studi-studi terdahulu [14-16]. Dalam teknik ini sumber laser adalah yang digunakan adalah sebuah laser Nd-YAG (Quanta Ray; LAB SERIES; 1,064 nm; 500 mJ) dengan durasi pulsa 8 ns dan laju repitisi 10 Hz. Energi berkas laser dapat divariasikan dalam jangkauan 1-500 mJ dengan melakukan pengaturan secara halus tegangan lampu lucutan. Dalam penelitian ini energi laser ditetapkan sebesar 68 mJ. Pengukuran energi berkas laser dilakukan dengan joulemeter (Duo watt-joule).
Berkas laser tersebut difokuskan menggunakan sebuah lensa (f=+25cm) pada
permukaan sampel batubara yang
dilekatkan pada pemegang sampel yang ditempatkan dalam bilik sampel untuk memproduksi plasma sampel. Tempat tersebut dilekatkan pada sumbu yang dapat digerakkan.
Emisi plasma tersebut dikumpulkan dengan seutas serat optik (optical fibre bundle) dan dikirimkan bagian masukkan spektrograf (sistem optical multichannel analyzer, OMA) (McPherson model 2061 dengan panjang fokus 1,000 mm, f/8.6
Czerny-Turner). Sistem OMA ini
dilengkapi dengan intensified charge couple device, ICCD 1024x256 piksel (Andor I*Star), 26-mm kuadrat (960 x 256 piksel aktif), yang dikopling dengan penguat resolusi tinggi 25-mm Grade 1 Gen 2 serta dengan generator penunda waktu
digital yang mampu untuk gatung yang sangat cepat< 7 ns. Sistem OMA tersebut diperasikan pada kisi 1800 garis/mm dengan jangkauan panjang gelombang spektral yang berguna untuk tiap-tiap celah panjang gelombang pengukuran (window) adalah 12 nm. Waktu tunda dan lebar gerbang ICCD dalam percobaan ini masing-masing diset pada 3 s dan 50 s.
Sampel batubara diambil dari Kabupaten Aceh Barat dan Kabupaten Aceh Jaya, Aceh. Berbeda dengan penelitian terdahulu, dimana pengukuran dilakukan langsung pada batubara yang diambil dari tempat penambangan tanpa sembarang perlakuan fisika maupun kimia, pada penelitian ini sampel batubara tersebut digerus dan kemudian dibuat dalam bentuk pelet menggunakan mesin tekan. Tekanan mesin tersebut berkisar dari 1 ton sampai 10 ton.
Pengujian dan ukuran dengan teknik LIPS telah dilakukan di Laboratorium CV. Maju Makmur Mandiri Research Centre, Jakarta. Data spektral yang direkam tersebut diolah dan dianalisa di Laboratorium Gelombang, Optika dan Aplikasi Laser (GOAL) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Syiah Kuala, Darussalam, Banda Aceh.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam penelitian sebelumnya pada sampel batubara langsung (fresh sample) tanpa sebarang perlakuan (without pretreatment) telah didapatkan bahwa garis-garis emisi spektral baik atomik maupun ionik dari elemen-elemen anorganik dapat dideteksi dengan sangat jelas dan tidak
meragukan pada beberapa jangkauan
panjang gelombang pengukuran (spectral window) bersamaan dengan garis-garis emisi spektral dari trace element.
(a)
(b)
GAMBAR 1 Spektrum garis-garis emisi spektral yang diambil dari plasma yang dibangkitkan pada sampel batubara yang diambil dari Aceh Barat, Aceh dengan jangkauan panjang gelombang pengukuran berpusat pada panjang gelombang 200 nm, yang dideteksi dari sampel batubara langsung (fresh sample) tanpa sebarang perlakuan (without pretreatment); (a) spektra lengkapnya; (b) spektra yang yang diperbesar.
Pada penelitian ini pengukuran garis-garis emisi spektral juga dilakukan pada jangkauan-jangkauan panjang gelombang pengukuran (spectral window) yang sama seperti ketika pengukuran dilakukan untuk sampel batubara langsung (fresh sample) tanpa sebarang perlakuan (without pretreatment). Hal ini dilakukan untuk
mendapatkan perbandingan langsung
features garis-garis emisi spektral yang berasal dari elemen-elemen anorganik kedua sampel yang berbeda tersebut
pretreatment) pada jangkauan panjang gelombang pengukuran yang berpusat pada 400 nm. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 1(a) garis-garis emisi spektral dari elemen anorganik dapat dideteksi dengan jelas, seperti garis-garis emisi spektral aluminium (Al I 394.40 nm dan Al I 396.18 nm), calcium (Ca II 396.84 nm) dan besi (Fe I 400.52 nm dan Fe I 404.58 nm). Ini berarti batubara tersebut mengandung elemen-elemen minor anorganik tersebut pada
konsentrasi tertentu. Gambar 1(b)
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 393 395 397 399 401 403 405 Panjang Gelombang (nm) In te n s it a s ( a . u .) Al I 394.40 nm Al I 396.18 nm Ca II 396.84 nm Fe I 404.58 nm Fe I 400.52 nm 0 10000 20000 30000 40000 50000 393 395 397 399 401 403 405 Panjang Gelombang (nm) In te n s it a s ( a . u .) Al I 394.40 nm Al I 396.18 nm Ca II 396.84 nm Fe I 404.58 nm Fe I 400.52 nm
(a)
(b)
GAMBAR 42Spektrum garis-garis emisi spektral yang diambil dari plasma yang dibangkitkan pada sampel batubara yang diambil dari Aceh Barat, Aceh dengan jangkauan panjang gelombang pengukuran berpusat
pada 200 nm, yang dideteksi dari sampel batubara dalam bentuk pelet (perlakuan mekanik); (a) spektra lengkapnya; (b) spektra yang yang diperbesar.
Gambar 2 menunjukkan spektrum garis-garis emisi spektral yang dideteksi dari sampel batubara dalam bentuk pelet (perlakuan mekanik) pada jangkauan
panjang gelombang pengukuran yang
berpusat pada panjang gelombang 400 nm. Dalam Gambar 2(a) dapat dilihat dengan jelas garis-garis emisi spektral dari elemen anorganik, yaitu garis-garis emisi spektral aluminium (Al I 394.40 nm dan Al I 396.18 nm), calcium (Ca II 396.84 nm) dan besi (Fe I 400.52 nm dan Fe I 404.58 nm). Garis-garis emisi spektral yang terdeteksi ini sama seperti garis-garis emisi yang terdeteksi dari sampel langsung (fresh
sample). Sementara Gambar 2(b) merupakan pembesaran bagian bawah dari spektra dalam Gambar 2(a). Perbandingan secara langsung Gambar 1(a) (sampel batubara langsung) dan Gambar 2(a) (sampel batubara dalam bentuk pelet) memperlihatkan bahwa secara keseluruhan intensitas emisi dalam kasus batubara dalam bentuk pelet meningkat sangat signifikan dibandingkan dengan intensitas emisi dalam kasus batubara langsung. Selanjutnya dapat diamati bahwa secara kualitatif rasio antara intensitas emisi atomik (Al dan Fe) dan ionik (Ca) meningkat. Selanjutnya kalau perbandingan
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 393 395 397 399 401 403 405 Panjang Gelombang (nm) In te n s it a s ( a . u .) Al I 394.40 nm Al I 396.18 nm Ca II 396.84 nm Fe I 404.58 nm Fe I 400.52 nm 0 10000 20000 30000 40000 50000 393 395 397 399 401 403 405 Panjang Gelombang (nm) In te n s it a s ( a . u .) Al I 394.40 nm Al I 396.18 nm Ca I 396.84 nm Fe I 404.58 nm Fe I 400.52 nm
dilakukan antara Gambar 1(b) dengan Gambar 2(b), terlihat dengan jelas bahwa intensitas garis-garis emisi meningkat dengan sangat signifikan, bahkan garis-garis emisi yang sebelumnya tidak nyata ketika sampel batubara langsung, muncul dengan nyata dan jelas pada kasus batubara dalam bentuk pelet. Ini berarti tidak hanya intensitas emisi yang meningkat, namun jumlah garis emisi juga meningkat dalam kasus batubara dalam bentuk pelet
dibandingkan dengan kasus sampel
batubara langsung.
Perbandingan kedua kasus tersebut menunjukkan bahwa perlakuan mekanik sangat berpengaruh pada features garis emisi analitik (analit). Fenomena ini mungkin dapat dipahami menggunakan
model gelombang kejut dalam
pembangkitan plasma [17-19]. Dalam model gelombang kejut, kekerasan sampel sangat mempengaruhi proses pembangkitan plasma, dimana sampel yang keras akan menghasilkan plasma yang kuat dan besar sementara sampel yang lunak menghasilkan plasma yang kecil atau bahkan tidak daapt
membangkitkan plasma. Karenanya
intensitas emisi lemah dan jumlah garis emisi juga lebih sedikit.
KESIMPULAN
Perbandingan spektrum emisi plasma yang diambil dari sampel batubara langsung (fresh sample) tanpa sebarang perlakuan dengan sampel batubara dalam bentuk pelet menunjukkan bahwa intensitas emisi sangat berbeda, dimana emisi untuk kasus sampel batubara dalam bentuk pelet jauh lebih
tinggi. Selain intensitas emisi,
perbandingan secara lebih terperinci memperlihatkan bahwa jumlah garis emisi
mempengaruhi emisi analit elemen-elemen anorganik dalam batubara, dimana features
spektrum emisi dalam kasus batubara dalam bentuk pelet jauh lebih dibandingkan kasus sampel batubara langsung. Fenomena ini
mungkin dapat diintepretasikan
menggunakan model gelombang kejut dalam pembangkitan plasama laser.
DAFTAR PUSTAKA
D. J. Swaine, Why trace elements are important, Fuel Processing Technology 65–66 (2000) 21–33.
F. Vejahati, Z. Xu, and R. Gupta, Trace elements in coal: Associations with coal and minerals and their behavior during coal utilization – A review, Fuel (2009) in press.
J. D. Winefordner, I. B. Gornushkin, T. Correll, E. Gibb, B. W. Smith, and N. Omenetto, Comparing several atomic spectrometric methods to the super stars:
special issue on laser-induced
breakdown spectrometry, LIBS, a future super star. J. Anal. Atom. Spectrom., 19 (2004), 106-108.
D. A. Cremers, and L. J. Radziemski, Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, John Wiley and Sons, Ltd, England, 2006.
A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I.
Schechter (Eds), Laser-Induced
Breakdown Spectroscopy (LIBS),
Fundamentals and Applications,
Cambridge University Press, New York, 2006.
F. Y. Yueh, J. P. Singh, and H. Zhang, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Elemental Analysis in Encyclopedia of
induced plasma spectroscopy, J. Plasma Fusion Research 83 (2007) 401-412 H. E. Belkin, and S. J. Tewalt,
Geochemistry of selected coal samples from Sumatra, Kalimantan, Sulawesi, and Papua, Indonesia, U.S. Geological Survey Open-File Report 2007-1202, 34 M. Xu, Yan R, and C. Zheng, Status of trace element emission in a coal combustion process: a review. Fuel Process Technol 2004;85(2–3):215–37. F. E. Huggins, Overview of analytical
methods for inorganic constituents in coal, International Journal of Coal Geology 50 (2002) 169– 214.
M. Gaft, E. Dvir, H. Modiano, U. Schone, Laser Induced Breakdown Spectroscopy machine for online ash analyses in coal, Spectrochimica Acta Part B 63 (2008) 1177–1182
H. Zhang, J. P. Singh, F. Y. Yueh, and R. L. Cook, Laser-Induced Breakdown Spectra in a Coal-Fired MHD Facility, Applied Spectroscopy 49 (1995) 1617-1623
B. Chadwick, D. Body, Development and commercial evaluation of Laser-Induced
Breakdown spectroscopy chemical
analysis technology in the coal power
generation industry, Applied
Spectroscopy 56 (2001) 70–74
N. Idris, F. Colao, R. Fantoni, and Mahidin, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) for trace element analysis in coal, Book of Abstracts of the 5th EMSLIBS,
September 28-October 1, 2009, Rome, Italy, p. 104
N. Idris, M. Ramli, Mahidin, R. Hedwig, M. Pardede, M. M. Suliyanti and K. H. Kurniawan, Direct analysis of trace elements in coal by means of
laser-induced breakdown spectroscopy
(LIBS), Asian Journal of Physics, Vol. 21, No. 1 (2012) 25-32.
N. Idris, M. Ramli, Mahidin, R. Hedwig, M. Pardede, M. M. Suliyanti, K. H. Kurniawan, Heavy Metal Detection in Aceh Coal by Means of Laser-Induced
Breakdown Spectroscopy (LIBS)
Technique, Proceeding of 6th Annual International Workshop & Expo on Sumatra Tsunami Disaster & Recovery 2011 in Conjunction with 4th South China Sea Tsunami Workshop, 23 November 2011.
K. Kagawa, and S. Yokoi, Application of N2 laser microprobe spectrochemical Analysis, Spectrochim. Acta B 37 (1982) 789.
K. Kagawa, S. Yokoi, and S. Nakajima,
Metal plasma induced by the
bombardment of 308 nm excimer and 585 nm dye laser pulses at low pressure, Opt. Comm. 45 (1983) 261
Y. I. Lee, N. Idris, K. H. Kurniawan, T. J. Lie, K. Tsuyuki, S. Miura, and K. Kagawa, Subtarget Effect in Film Analysis Using TEA CO2 Laser-Induced Plasma, Curr. Appl. Phys. 7, 5 (2007) pp.540-546.
