1
Influence of Carbon Concentration on Carbon Encapsulated Nanosilica from Rice Husk to Solar Steam Conversion
Nurhayati Ayu Lestari1, Nandang Mufti2, Siti Zulaikah3
Faculty of Mathematics and Natural Sciences, State University of Malang Semarang Street number 5 Malang 65145. Gedung O6
ABSTRACT
Solar steam conversion is converting sunlinght into heat which is used to produce steam. Steam can be applied in many technological applications such as sterilization of medical devices, energy, etc. One of methods to produce steam is by converting solar to heat in water environment. In this research nanosilica is used as solar steam converter due to high stability of this compound. Source of silica that used is rice husk which is one of the largest silica abundant. The silica purification was done by alkali extraction method and sol gel method to synthesis nanosilica. Carbon encapsulated nanosilica synthesized by sonochemical method with glucose as source of carbon. The samples has been characterized by XRF, SEM-EDX, and XRD. The effectivity of solar steam conversion performed by measuring time dependent of temperature and pressure. Based on XRF and XRD result shown that nanosilica has purity of 96% in amorphous phase. Based on SED-EDX at carbon encapsulated nanosilica (SiO2@C) that amount of carbon increasing by increasing glucose concentration. Structure
morphology of nanosilica is agglomerated and average particle size is 66.49 nm. Based on solar steam conversion, carbon encapsulated nanosilica influence of temperature and pressure rise. Within two minutes the sample of carbon encapsulated nanosilica mixed with water can be produce steam at high temperature. Carbon concentration on carbon encapsulated nanosilica influence the temperature and pressure on solar steam conversion. This is indicated from the result of carbon encapsulated nanosilica test with 41.34% percent carbon produce steam temperature 114.2 ° C and pressure of 0.37 bar.
Keywords : solar steam, rice husk, nanosilica
PENDAHULUAN
Saat ini nanoteknologi telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Pada tahun 2006, lebih dari 300 buah produk komerisal tersedia di
pasaran yang dilklaim behwa
terjadinya peningktan sifat-sifatnya
dikarenakan adanya peran
nanomaterial di dalamnya. Pada tahun 2008 mencapai dua kali lipat dari nilai
sebelumnya (Fernandez, 2012).
Ukuran partikel yang seragam dan homogen dalam skala nano sangat penting baik dalam bidang sains maupun dalam bidang industri, seperti katalis, pigmen, farmasi (Zawrah, 2009). Salah satu material yang menjadi perhatian peneliti adalah
nanopartikel silikia (SiO2). Hal ini
disebabkan karena nanopartikel silika memilliki kestabian yang bagus, iner secara kimia, bersifat biokompatibel yang mampu bekerja selaras dengan sistem kerja tubuh, dan membentuk sperik tunggal (Yuan, 2010).
Salah satu sumber penghasil silikaterbesar adalah sekam padi. Sekam padi mengandung sekitar 90% -
98% silika setelah mengalami
pembakaran sempurna (Hanafie,
2013). Indonesia merupakan negara yang mayoritas penduduknya adalah
petani dimana menjadikan beras
sebagai makanan pokok. Beras yang dihasilkan dari industri penggilingan padi adalah 65%, 20% adalah sekam padi dan sisanya hilang (Ismunadji dalam Hanafie, 2013). Sekam padi sering dikatakan sebagai limbah atau
2
bahan buangan sisa dari proses
pengolahan hasil pertanian.
Pemanfaatan sekam padi saat ini masih sangat terbatas, sehingga sekam tetap
menjadi bahan limbah yang
mengganggu lingkungan. Sekam padi sering dianggap sebagai bahan yang kurang bermanfaat dan bernilaigizi rendah karena mengandung abu yang cukup tinggi (Houston dalam Hanafie, 2013).
Nanoteknologi merupakan
aplikasi baru yang memiliki dampak besar pada dunia. Nanopartikel silika
yang dibungkus Au kemudian
dimasukkan ke dalam air dan dikenai sinar matahari dapat meningkatkan suhu secara drastis sehingga muncul uap yang disebut dengan nanobubbles. Dalam hal ini, nanopartikel berperan sebagai converter panas matahari
sehingga menyebabkan suhu air
meningkat secara drastis (Halas, 2012). Uap dengan suhu tinggi dapat digunakan sebagai desalinasi dan pemurnian air minum. Uap juga dapat digunakan untuk sterilisasi alat - alat medis. Pada percobaan yang dilakukan oleh Halas dkk, temperatur uap yang
dihasilkan adalah 140 oC dimana
dengan suhu sekian cukup tinggi untuk sterilisasi. Selain itu, uap dapat digunakan untuk menggerakkan turbin langsung untuk pembangkit listrik.
Dengan menggunan logam
nanopartikel sebagai absorber, suhu uap yang dihasilkan akan naik secara drastis (Polman, 2012).
Berdasarkan uraian di atas,
bahwa SiO2 yang digunakan sebagai
inti (core) dan emas sebagai pelapis (shell) dapat meningkatkan suhu uap dengan waktu yang relatif cepat dan
menghasilkan temperatur tinggi.
Sedangkan pelapis yang menggunakan emas memakan biaya yang cukup besar, maka perlu dilakukan suatu
penelitian untuk mensiasati hal
tersebut. Dalam penelitian ini
digunakan karbon sebagai pelapis
(shell) dimana karbon juga memiliki
stabilitas tinggi pada berbagai ruang lingkup kimia dan fisika baik pada suasana asam maupun basa. Metode yang digunakan untuk pelapisan nano silika adalah metode sonokimia dengan
glukosa sebagai sumber karbon.
Metode sonokimia merupakan metode
yang dapat digunakan untuk
mensintesis berbagai macam
nanostruktur material carbon seperti nanotubes, nano-unions, nanoscrolls dan lain sebagainya. Selain dilakukan pada temperatur ruang dan tekanan atmosfer yang rendah, metode ini juga tidak menggunakan katalis logam. Berdasarkan uraian di atas, maka penelitian ini berjudul “Pengaruh Jumlah Karbon Pada Pembungkusan Nanosilika Berbasis Abu Sekam Padi Terhadap Konversi Solar Steam”.
METODE PENELITIAN
Tahap ekstraksi silika murni dari abu abu sekam padi
Membersihkan sekam padi
sampai benar-benar bersih kemudian dijemur sampai kering. Selanjutnya
sekam dibakar di atas tungku
kemudian digerus mengguakan ayakan 200 mesh. Hasil ayakan difurnace pada
suhu 700oC selama 4 jam. Abu sekam
yang sudah difurnace diuji XRF untuk mengetahui kandungan silika dalam abu tersebut.
Tahap awal dalam
mengekstraksi silika adalah
mencampurkan 20 gram abu sekam padi dengan 160 ml NaOH 3N lalu
distirer selama 3 jam pada suhu 95oC
dengan kecepatan 400rpm. Setelah homogeny larutan disaring dan sisa saringan ditetesi dengan aquades hangat. Hal ini dikarenakan masih ada silika yang tertinggal dalam kertas saring. Hasil tetesan dicampur dengan filtrat yang lolos saringan tadi.
3
Selanjutnya filtrat ditetesi H2SO4
5N sambil distirer sampai pH
larutannya 2. Kemudian menambahkan larutan NaOH 2.5 M sampai pH 7.5. Setelah pH netral distirer selama 3 jam dan didiamkan selama 18 jam. Silika yang sudah menjadi gel tadi disaring lalu residunya dibilas dengan aquades sebanyak 5 kali dan dikeringkan
selama 3 jam pada suhu 90oC. Bubuk
silika yang sudah jadi diuji XRF guna mengetahui kandungan silika.
Tahap sintesis nanosilika
Bubuk silika yang dihasilkan
dari proses di atas diekstraksi
menggunakan alat soxhlet dengan pelarut HCl 6N selama 4 jam. Setelah
proses ini selesai silika dicuci
menggunakan air deionisasi sampai bebas asam. Melarutkan siika ke dalam 2.5N NaOH dan distirer selama 10
jam. Selanjutnya ditambahkan H2SO4
sampai pH 7.5. silika yang sudah
diendapkan dicuci berulang kali
sampai bebas alkali. Bubuk silika
dikeringkan pada suhu 50oC selama 48
jam dalam oven. Nanosilika yang
sudah jadi dikarakterisasi
menggunakan XRD dan SEM-EDX.
Tahap pelapisan nanosilika menggunakan karbon
Membuat larutan glukosa
dengan variasi molar yaitu 0,5M, 1 M, 1,5M, dan 2M. mencampurkan 50mL larutan glukosa dengan 5 gram nanosilika lalu distirer Selama 3 jam agar homogeny. Larutan disonikasi selama 2 jam dengan suhu sonikasi
50oC. nanosilika yang telah terbungkus
karbon dikeringkan pada suhu 80oC
selama 4 jam. Hasil dikarakterisasi menggunkan SEM-EDX untuk masing molaritas glukosa.
Tahap uji pengaruh nanosilika terhadap laju kenaikan suhu
Mencampurkan 1 gram
nanosilika dengan 1mL air, kemudian dimasukkan ke dalam tes tube dengan diameter 1 cm. memfokuskan cahaa matahari dengan loop, pastikan jarak loop dengan nanosilika tetap pada setiap pengukuran. Cahaya matahari yang telah difokuskan menggunakan loop diarahkan pada sampel nanosilika selanjutnya diamatai kenaikan suhu setiap 5 detik selama 2 menit.
HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi Silika Dari Abu Sekam Padi
Tahap awal pada proses
ekstraksi silika dari abu sekam padi adalah pembakaran sekam padi yang telah dicuci dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Sekam yang sudah dibakar selanjutnya dikalsinasi pada
suhu 700oC selama 4 jam. Dari 10
gram abu sekam padi setelah
dikalsinasi abu sekam padi yang tersisa adalah sebesar 4,62 gram.
Abu sekam padi yang sudah dikalsinasi mengandung 58,7% Si, 13,7% K, 6,9% Fe, dan pengotor lain yang persentasenya kurang dari 1%.
Abu sekam padi selanjutnya
diekstraksi menggunakan metode
ekstraksi alkali. Berikut hasil uji XRF silika murni setelah diekstraksi. Silika murni mengandung 92,9% Si dan pengotor yang persentasenya rendah. Silika masih mengandung pegotor karena adanya unsur yang tidak larut dalam air sehingga perlu dilakukan pemurnian kembali agar persentase silika meningkat.
4
Sintesis Nanosilika Dengan Metode Sol Gel
Pada tahap sintesis nanosilika
dilakukan soxhletasi dengan
menggunakan pelarut HCl. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengekstrak oksida-oksida logam pengotor yang terdapat pada silika, sehingga sampel yang dihasilkan lebih murni. Silika
murni yang sudah disoxhletasi
mengandung 96,5% Si. Hal ini menunjukkan bahwa banyak pengotor yang hilang saat proses soxhletasi.
Berikut hasil uji XRD pada nanosilika.
Gambar 4.1 Pola Difraksi Nanosilika
dari Gambar 4.1 yang dihasilkan
menunjukkan pola difraksi yang
cenderung amorf dengan puncak 22,67 (2θ). Untuk mengetahui morfologi serta ukuran nanopartikel dilakukan karakterisasi SEM-EDX. Berikut hasil uji SEM-EDX nanosilika.
Gambar 4.2 Hasil SEM Nanosilika
Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa ukuran partikel kurang dari 50 nm. Dari hasil
SEM nanosilika teraglomerasi
sehingga tidak homogen. Berikut ditampilkan hasil EDX nanosilika pada tabel 4.1.
Tabel 4.1 Kandungan Unsur Nanosilika
Element Wt % At %
OK 53,42 66,57
NaK 02,12 01,84
AlK 01,06 00,78
SiK 43,40 30,81
Matrix Correction ZAF
Berdasarkan Tabel 4.1 unsur dalam nanosilika sudah tepat dengan
perbandingan atom 1:2. Dalam
nanosilika masih mengandung Na dan Al. hal ini disebabkan karena pada saat
penyaringan kertas saring yang
digunakan mengandung Al.
Pembungkusan Nanosilika Dengan Karbon Menggunakan Metode Sonoimia
Pada proses ini yang digunakan sebagai sumber karbon adalah larutan glukosa. Pada penelitian ini dilakukan
variasi molaritas glukosa guna
mengetahui pengaruh variasi molaritas glukosa terhadap persen atom karbon pada nanosilika. Berikut hasil SEM untuk berbagai molaritas glukosa pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Hasil SEM 0,5M, 1M, 1,5M, dan 2M (dari kiri atas)
Dari hasil SEM keempat sampel terlihat bahwa nanosilika teraglomerasi sehingga menggumpal. Akan tetapi dilihat dari gambar keempat sampel cenderung sama.
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
10 20 30 40 50 60 70 80
Counts
0 200 400
5
Pengaruh molaritas glukosa terhadap persen atom karbon dapat dilihat pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Perbandingan Persen Karbon Untuk Masing-Masing Molaritas
SiO2 0.5M 1M 1.5M 2M 0% 25,65 % 30,10 % 34,69 % 41,34 %
Dari Tabel 4.2 terlihat bahwa semakin tinggi molaritas glukosa maka persen atom karbon juga semakin tinggi.
Untuk mengetahui nanosilika telah terbungkus karbon atau belum dilakukan uji kelarutan basa yaitu dengan melarutkan nanosilika ke dalam NaOH 3N. nanosilikayang belum dibungkus karbon larut dalam NaOH 3N, sedangkan nanosilika yang sudah dibungkus karbon tidak larut dalam larutan NaOH 3N. Hal ini menunjukkan bahwa nanosilika sudah terbungkus dengan karbon. Berikut ditampilkan hasil uji kelarutan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Hasil Uji Pada NaOH 3M Sebelah kiri sebelum dibungkus karbon Sebelah kanan setelah dibungkus karon
Karakterisasi Konversi Solar Steam
Nanosilika yang sudah
dibungkus dengan karbon selanjutnya diuji efek termalnya dengan cara memfokuskan cahaya matahari pada sampel nanosilika. Pada tahap ini
dibandingkan laju kenaikan suhu antara air tanpa nanosilika, nanosilika tanpa dilapisi karbon, dan nanosilika yang dilapisi karbon persen karbon
yang berbeda-beda. Berikut
ditampilkan grafik hubungan suhu dengan waktu untuk masing-masing sampel pada Gambar 4.5.
Gambar 4.5 Grafik Hubungan Waktu-Suhu Uap Air
Dari Gambar 4.5 terlihat bahwa semakin tinggi persen karbon, laju kenaikan suhu solar steam semakin tinggi. Hal ini membuktikan bahwa molaritas glukosa berpengaruh terhadap laju kenaikan suhu.
Selanjutnya untuk konversi tekanan ditampilkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Grafik Hubungan Waktu-Tekanan Uap Air
Dari Gambar 4.6 terlihat bahwa semakin tinggi persen karbon maka tekanan uap air juga semakin tinggi. Hal ini berarti semakin tinggi suhu, tekanan naik mengikuti kenaikan suhu.
6
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis data yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut. 1. Nanosilika berpengaruh terhadap
laju kenaikan suhu pada solar
steam dibandingkan dengan air
yang tidak ditambahkan dengan nanosilika.
2. Nanosilika yang dibungkus karbon
dengan persen karbon yang
berbeda berpengaruh terhadapa laju kenaikan suhu pada solar steam. 3. Semakin tinggi molaritas glukosa
maka laju kenaikan suhu pada
solar steam semakin drastis. SARAN
Dengan memperhatikan hasil dalam penelitian ini, maka berikut ini adalah beberapa saran yang diharapkan bisa memberikan manfaat bagi banyak pihak diantaranya :
1. Diasarankan untuk penelitian
selanjutnya dilakukan pada musim panas sehingga tidak menghambat saat penelitian.
2. Disarankan jarak antara loop
dengan setiap sampel sama
sehingga mendapatkan data yang akurat.
3. Disarankan waktu untuk setiap pengambilan data sama sehingga mendapatkan hasil yang sama.
DAFTAR RUJUKAN
Fernandez, Benny Rio. 2011. Sintesis
Nanopartikel. Makalah Sintesis
Nanopartikel, Jurusan Kimia
Pascasarjana Universitas
Andalas, Padang.
Fernandez, Benny Rio. 2012. Sintesis
Nanopartikel SiO2
Menggunakan Metode Sol-Gel
dan Aplikasinya Terhadap
Aktifitas Sitotoksik Sel. Review
Jurnal Nanoteknologi, Jurusan Kimia Pascasarjana Universitas Andalas, Padang.
Halas, Naomi J. 2012. Solar Vapor
Generation Enabled by
Nanoparticles : 1-21
Hanafi, A. 2010. Studi Pengaruh Bentuk Silika dari Abu Amas
Tebu terhadap Kekuatan
Produk keramik. Jurnal Kimia
Indonesia, Vol.5 No.1: 35-38.
Harsono, Heru. 2002. Pembuatan Silika Amorf dari Limbah
Sekam Padi. Jurnal Ilmu
Dasar, Vol.3 No.2: 98-103.
Husnain. 2010. Publikasi Badan
Litbang Pertanian Indonesia,
Vol.32 No.3.
Kalapathy, U. 2002. An Improved Method for Production of Silica
from Rice Hull Ash.
Bioresource Technology,
Vol.85 : 285-289.
Rafiee, Ezzat. 2012. Optimization of Synthesis and Characterization of Nanosilica Produced from Rice Husk (a common waste material). International Nano
Letters, Vol.2 No.29: 2-8.
Yuan, Huihui. 2010. Study on
Controllable Preparation of
Silica Nanoparticles with
Multi-sizes and Their
Size-dependent Cytotoxicity in
Pheochromocytoma Cells and
Human Embryonic Kidney
Cells. Journal of Health
Science, Vol.56 No.6 :
632-640.
Zawrah, M. F. 2009. Facile And Economic Synthesis Of Silica
Nanoparticles. Journal of
Ovonic Research, Vol.5 No.5 :
