PENGARUH PENAMBAHAN ADITIF PADA MEMBRAN DATAR ASIMETRIS OKSIDA PEROVSKIT LaCo0.8Ni0.2O3 dan LaCo0.8Cu0.2O3
THE ADDITIVE EFFECT IN ASYMMETRIC FLAT MEMBRANE FROM PEROVSKITE OXIDE LaCo0.8Ni0.2O3 AND LaCo0.8Cu0.2O3
Endang Purwanti, Hamzah Fansuri dan M. Yusran Jurusan Kimia FMIPA ITS Surabaya Jl. Raya ITS (60111), Telp. 031-5994251
Email : [email protected]
Abstrak. Oksida perovskit LaCo0,8Ni0,2O3 dan LaCo0,8Cu0,2O3 (LCN 82 dan LCC 82) dibuat dengan metode solid state menggunakan suhu kalsinasi 1000 °C. Difraktogram sinar-X menunjukkan bahwa LCN 82 dan LCC 82 yang dibuat memiliki struktur seperti oksida perovskit LaCoO3. Hasil analisa Scanning Electron Microscopy-Energy Diversive X-Ray (SEM-EDX) menunjukkan bahwa LCC 82 hanya mengandung logam La, Co, Cu dan O sedangkan LCN 82 hanya mengandung logam La, Co, Ni dan O yang tersebar secara merata.LCC 82 dan LCN 82 yang dihasilkan kemudian dibuat menjadi membran datar asimetris dengan metode inversi fasa. Membran dibuat dengan aditif yang berbeda: metanol, etanol dan propanol. Dilakukan sintering pada membran yang dihasilkan dengan suhu 1250 °C selama 2 jam. Penyusutan yang terjadi pada membran mengindikasikan bahwa telah terjadi sintering pada membran. Analisa SEM menunjukkan bahwa aditif membuat pori pada lapisan pendukung menjadi lebih teratur. Membran yang ditambahkan metanol memiliki pori yang lebih banyak dan teratur daripada membran yang ditambahkan etanol maupun propanol.
Kata kunci: Aditif, Inversi Fasa,LaCo0,8Ni0,2O3, LaCo0,8Cu0,2O3, Membran Datar Asimetris, Oksida Perovskit
Abstract LaCo0,8Ni0,2O3 and LaCo0,8Cu0,2O3 (LCN 82 and LCC 82) perovskite oxides prepared by the solid state method with 1000 °C calcination. X-ray diffractogram shows that LCC 82 and LCN 82 are made with the perovskite oxide LaCoO3structure. Results of analysis of Scanning Electron Microscopy - Energy Diversive X-Ray (SEM - EDX) showed that LCC 82 only contain metals La, Co, Cu and O while the LCN 82 only contain metals La, Co, Ni and O are distributed evenly. LCC 82 and LCN 82 then made flat asymmetric flat membranes by phase inversion method. Membranes made with the different additives: methanol, ethanol and propanolwith 1250 °C sintering for 2 hours. Shrinkage that occurs in the membrane indicates that there has been a sintering process in the membrane. SEM analysis showed that additive makes pore support be more organizely. It is also known membrane with methanol as an additive having muchand organizelypore than membrane were added ethanol altough propanol.
Keywords: Additives, Asymmetric Flat Membrane, LaCo0,8Ni0,2O3, LaCo0,8Cu0,2O3, Perovskite Oxides, Phase Inversion
PENDAHULUAN
Oksida perovskit merupakan bahan membran penghantar oksigen yang dapat digunakan untuk mengatur jumlah oksigen. yang dilibatkan dalam reaksi-reaksi oksidasi parsial. Sifat tersebut muncul sebagai akibat dari sifat oksida yang dapat menyumbangkan oksigen kisinya kepada pereaksi lain secara reversibel tanpa mengakibatkan kerusakan pada struktur kristalnya.
Salah satu oksida perovskit yang banyak diteliti adalah LaCoO3. Oksida perovskit ini dilaporkan memiliki sifat oksidasi dan reduksi yang baik, dapat menghantarkan ion oksigen serta memiliki aktivitas dan selektivitas tinggi. Selain itu, oksida perovskit ini juga dapat mempertahankan integritas strukturnya walaupun saat berada dalam keadaan tereduksi. Oksida perovskit berbasis oksida kobalt telah terbukti memiliki kemampuan menghantarkan ion oksigen yang tinggi [1].
Kharton (1999) membuat membran LaCoO3 yang disubstitusi dengan nikel. Substitusi tersebut menyebabkan pengurangan drastis terhadap konduktivitas ion oksigen walaupun konduktivitas elektronik padatnya justru semakin meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi nikel [2].
Kelebihan lain dari oksida perovskit adalah kemampuannya untuk disubstitusi dengan banyak kation dari golongan unsur-unsur transisi. Salah satu substituen yang pernah dilaporkan adalah Cu2+. Substitusi Cu dalam oksida perovskit sangatlah cocok jika diaplikasikan untuk reaksi parsial oksidasi metana karena tembaga memiliki aktivitas yang sangat rendah untuk memutuskan ikatan C-O menjadi ikatan C-C (Twigg, 2003)[3].
Kemampuan oksida perovskit yang digunakan sebagai membran MIEC dalam reaksi oksidasi parsial gas metana menjadi syngas sangat dipengaruhi oleh fluks oksigen dari membran tersebut. Fluks oksigen dipengaruhi
oleh sifat-sifat kimia oksida perovskit dan ketebalan membran. Sifat-sifat kimia oksida perovskit sangat ditentukan oleh komposisi unsur-unsur penyusunnya. Dalam hal ketebalan, semakin tipis membran yang dibuat maka semakin besar fluks oksigennya. Akan tetapi, membran MIEC yang tipis sangat mudah pecah dan tidak mampu bertahan pada suhu dan tekanan tinggi.
Untuk meningkatkan fluks oksigen maka dikembangkan membran rapat berpendukung untuk membuat membran yang tipis namun kuat. Namun, membran yang dihasilkan tidak rapat dan retak karena adanya perbedaan struktur dan ketidaksesuaian sifat muai panas antara membran dan pendukung berpori.
Untuk mengatasi hal tersebut maka dibuatlah membran dengan struktur asimetris yang mengandung lapisan tipis membran rapat pada pendukung berpori dengan komposisi yang sama. Karena membran dan pendukung berpori memiliki bahan dan komposisi yang sama maka tidak terjadi ketidaksesuaian sifat muai panas. Selain itu, reaksi yang mungkin terjadi antara membran dengan pendukung tidak akan menghasilkan fasa baru karena keduanya terbuat dari bahan yang sama.
Beberapa penelitian sebelumnya mengenai metode pembuatan membran asimetris telah banyak dilakukan. Pembuatan membran asimetris dengan teknik sputtering yakni pelapisan membran tipis pada pendukung berpori yang telah disinter seperti yang dilakukan oleh Teraoka dkk [4] ternyata tidak menghasilkan fluks oksigen yang diinginkan. Hal ini terjadi karena membran mengalami
sintering yang terhambat pada saat pemadatan.
Ketidaksesuaian dalam penyusutan antara membran dan pendukung berpori akan mengakibatkan pemadatan membran menjadi sulit sehingga dengan mudah dihasilkan cacat
pada membran ketika membran berpendukung tersebut disinter.
Berdasarkan kejadian tersebut, dikembangkan penelitian untuk pembuatan membran asimetris dengan metode lain yakni metode inversi fasa. Inversi fasa merupakan proses dimana polimer mengalami transformasi terkontrol dari fasa cairan ke fasa padatan. Metode ini menggunakan tiga komponen penting yaitu pelarut, non-pelarut, dan polimer. Setelah proses difusi pelarut dan non-pelarut terjadi, maka didapatkan membran asimetris yakni membran yang memiliki permukaan rapat, tipis dan tergabung pada pori berpendukung dengan material sama (Li dkk, 2008) [5].
Bentuk membran asimetris dapat dimodifikasi dengan penambahan aditif. Penambahan bahan aditif pada membran berguna untuk meningkatkan atau memodifikasi sifat-sifat mekanik, kimia dan fisik membran (Kim dan Ho Lee, 1997) [6]. Sehingga pada penelitian ini dilakukan analisa pengaruh penambahan aditif terhadap bentuk membran dari oksida perovskit LaCo0.8Cu0.2O3 (LCC 82) dan LaCo0.8Ni0.2O3 (LCN 82).
BAHAN DAN METODE Alat
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan preparasi dan peralatan karakterisasi. Peralatan yang digunakan antara lain neraca analitik, krusibel porselin, mortar agat serta peralatan gelas umum lainnya yang digunakan untuk preparasi bahan baku. Alat-alat yang digunakan dalam proses pembuatan serbuk serta membran perovskit meliputi furnace, stirrer serta cetakan. Untuk karakterisasi, digunakan peralatan yang meliputi
X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscopy-Energy Diversive X-Ray
(SEM-EDX).
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain La2O3, Co3O4, NiO (untuk pembuatan LCN 82), CuO (untuk pembuatan LCC 82), Selulosa Asetat, Aseton, Aditif (Metanol, Etanol dan Propanol) dan Aquades. Prosedur Penelitian
Sintesis Oksida Perovskit
Oksida perovskit LaCo0.8Ni0.2O3 (LCN 82) dan LaCo0.8Cu0.2O3 (LCC 82) disintesis dengan metode solid state masing-masing sebanyak 50 gram. Bahan untuk LCN 82 adalah oksida logam La2O3, Co3O4 dan NiO sedangkan untuk LCC 82 adalah oksida logam La2O3, Co3O4 dan CuO.
Ketiga padatan tersebut dicampur kemudian digerus hingga homogen. Setelah telah tercampur sempurna, serbuk dipindahkan ke dalam krusibel keramik 100 mL. Kemudian serbuk ini dikalsinasi dengan furnace pada suhu 900°C dan laju kenaikan suhu 3°C/menit dengan dua kali pengulangan dan penggerusan di antara pengulangan.
Serbuk yang telah dikalsinasi pada suhu 900°C kemudian dikalsinasi kembali menggunakan furnace pada suhu 1000°C dengan dua kali pengulangan dan penggerusan di antara pengulangan. Setelah dikalsinasi, serbuk tersebut diayak hingga didapatkan serbuk berukuran < 120 mesh.
Karakterisasi Oksida Perovskit
Penentuan fasa dilakukan dengan menggunakan analisis difraksi sinar-X.
Penentuan morfologi serta komposisi dilakukan dengan menggunakan SEM-EDX. Preparasi Membran Datar Asimetris
Metode ini dimulai dengan mencampurkan selulosa asetat dan aseton perlahan – lahan dan distirer sampai membentuk larutan polimer.
Kemudian dimasukkan perlahan – lahan serbuk perovskit, distirer hingga tercampur sempurna. Setelah itu ditambahkan aditif dan kembali distirer. Selanjutnya larutan yang dihasilkan dituang ke dalam cetakan dan diratakan sampai membentuk membran berbentuk datar. Membran hasil pencetakan ini langsung dimasukkan dalam bak berisi aquades. Membran datar asimetris yang dihasilkan tersebut kemudian disinter pada 1250 °C.
Pengaruh Penambahan Aditif
Struktur pori, kerapatan, serta morfologi permukaan dan penampang lintang dari membran datar asimetris LCN 82 pra-sintering dianalisis dengan SEM.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil penelitian yang dibahas meliputi sintesis oksida perovskit , karakterisasi oksida perovskit, preparasi mebran datar asimetris, pengaruh penambahan aditif.
Sintesis Oksida Perovskit
Percobaan ini menggunankan serbuk halus oksida perovskit LaCo0,8Ni0,2O3 (LCN 82) dan LaCo0,8Cu0,2O3 (LCC 82). LCN 82dan LCC 82 digunakan karena memiliki kestabilan yang lebih tinggi dibandingkan dengan komposisi LCN dan LCC lainnya. Sedangkan sintesis oksida perovskit dilakukan dengan metode solid
state. Oksida logam penyusun LCN 82 adalah
La2O3, Co3O4 dan NiO sedangkan oksida logam penyusun LCC 82 adalah La2O3, Co3O4 dan CuO. Oksida-oksida dan garam nitrat ditimbang dengan perhitungan stokiometri yang tepat untuk menghasilkan LCN 82 dan LCC 82 masing-masing sebanyak 50 gram. 50 gram LCN 82 dibuat dari 33,139 gram La2O3, 13,077 gram Co3O4 dan 3,035 gram NiO. 50 gram LCC 82 dibuat dari oksida logam 33,080 gram La2O3, 13,013 gram Co3O4 dan 3,241 gram CuO.
Kemurnian dari perovskit yang dihasilkan dipastikan dengan proses kalsinasi. Proses kalsinasi dapat kembali dilakukan dengan
penggerusan di antara pengulangan untuk membentuk bidang reaksi baru. Dengan penggerusan diharapkan partikel–partikel yang belum bereaksi dapat bereaksi kembali sehingga terbentuk perovskit dengan jumlah yang lebih banyak. Setelah proses kalsinasi, baik campuran padatan LCN 82 maupun LCC 82 menjadi berwarna hitam dan berbentuk bongkahan. Perubahan bentuk sampel dari bentuk serbuk menjadi bongkahan terjadi karena adanya reaksi
solid state antar oksida logam yang memiliki
titik lebur tinggi. Setelah dikalsinasi, serbuk tersebut diayak hingga didapatkan serbuk berukuran < 120 mesh. Pengayakan dilakukan agar didapatkan serbuk dengan ukuran yang spesifik sehingga dapat dihasilkan membran dengan ukuran yang sama. Gambar 1. menunjukkan telah terjadi reaksi padat-padat
Gambar 1. Campuran oksida logam setelah kalsinasi
Karakterisasi Oksida Perovskit
Campuran padatan LCN 82 dan LCC 82 masing-masing dimasukkan secukupnya ke dalam holder berbentuk bulat dengan diameter 2,5 cm dan bervolume 22 mm3. Permukaan cuplikan dihaluskan dengan cara ditekan, dicetak dalam holder sampel berbentuk bulat tersebut. Analisis dilakukan dengan rentang sudut 2θ antara 20° hingga 60°. Gambar 2. menunjukkan bahwa terbentuk fasa oksida perovskit LCN 82 dan LCC 82 dengan munculnya puncak pada 2θ: 23.2°, 32.8°, 33.2°, 38.9°, 40.6°, 41.3°, 47.5°, 53.2°, 53.8°, 58.7°, 58.9° dan 59.7° yang sesuai dengan pola difraksi pada Joint Committee on Powder Diffraction
Standart (JCPDS) 01-084-0848 (Yarbay dkk.,
2012) [7]. Hal ini menunjukkan bahwa substitusi Cu pada LCC 82 dan Ni pada LCN 82 dengan
basis LaCoO3 tidak mengubah struktur oksida perovskit secara signifikan.
Gambar 2. Difraktogram XRD Oksida Perovskit: LCC 82 dan LCN 82
Bentuk dan ukuran partikel LCN 82 dan LCC 82 diamati menggunakan Scanning Electron
Microscopy-Energy Dispersive X-Ray
(SEM-EDX) dan ditunjukkan oleh Gambar 3. Bedasarkan gambar tersebut, terlihat bahwa serbuk LCC 82 dan LCN 82 memiliki bentuk dan ukuran partikel yang spesifik sehingga dapat digunakan untuk membuat membran dengan ukuran yang sama. Dari gambar tersebut juga terlihat bahwa ukuran partikel LCC 82 lebih besar daripada ukuran partikel LCN 82. Hal ini terjadi karena jari-jari substituen LCC 82 yaitu Cu2+ (0.73 Å) lebih besar daripada jari–jari substituen LCN 82 yaitu Ni2+ (0.69 Å).
(a) (b)
Gambar 3. Bentuk dan Ukuran Partikel Oksida Perovskit:
(a) LCC 82 (b) LCN 82
Preparasi Membran Datar Asimetris
Membran yang dibuat adalah membran datar asimeteris LCN 82 dan LCC 82 dengan ukuran < 120 mesh, ketebalan membran 1 mm, panjang 1 cm dan lebar 1 cm. Membran asimetris tersebut dibuat dengan metode inversi fasa. Dari percobaan yang dilakukan didapatkan komposisi paling tepat sebagai berikut: 52% serbuk perovskit, 7.5% selulosa asetat, 40% aseton, 0.5% aditif dengan satuan persen berat. Percobaan ini menggunakan variasi aditif, aditif – aditif yang digunakan adalah metanol, etanol dan propanol. Metode ini diawali dengan mencampurkan selulosa asetat dan aseton perlahan – lahan sampai membentuk larutan polimer. Kemudian dimasukkan serbuk perovskit, distirer kembali untuk penyempurnaan campuran larutan polimer. Setelah itu campuran ditambahkan aditif dan distirer hingga tercampur sempurna. Campuran tersebut kemudian dicetak pada cetakan dan membran hasil pencetakan ini langsung dimasukkan dalam bak berisi aquades sebagai non-pelarut untuk membentuk membran yang keras. Membran tersebut didiamkan hingga proses difusi keluarnya pelarut dari larutan polimer dan difusi non-pelarut pada larutan telah berjalan seluruhnya. Setalah proses tersebut telah berjalan sempurna, membran yang dihasilkan dipotong dengan panjang 1 cm dan lebar 1 cm seperti yang terlihat pada Gambar 4.
(a) (b)
Gambar 4. Membran Datar Asimetris Pra-Sintering (a) LCC 82 (b) LCN 82
Membran datar asimetris yang telah dipotong tersebut kemudian disinter pada 1250 °C selama 2 jam. Sintering membran dilakukan dengan laju
pemanasan bertahap untuk menghindari lonjakan kondisi lingkungan yang ekstrem selama reaksi. Membran datar asimetris pasca-sintering ditunjukkan pada Gambar 5.
(a) (b)
Gambar 5. Membran Datar Asimetris Pasca Sintering
(a) LCC 82 (b) LCN 82
Gambar 5. memperlihatkan bahwa ukuran membran menjadi lebih kecil daripada Gambar 4. Hal ini terjadi karena penyusutan yang diakibatkan adanya penghilangan pori–pori antar partikel, penghilangan selulosa asetat, penghilangan pengotor–pengotor yang mungkin masih tersisa dan penggabungan antara dua permukaan atau lebih. Penyusutan yang terjadi mengindikasikan bahwa telah terjadi sintering pada membran.
Pengaruh Penambahan Aditif Pra-Sintering
Pada percobaan ini, digunakan membran datar asimetris La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3 (LSCF 7382) berukuran partikel < 120 mesh pra-sintering sebagai pembanding. Dalam metode inversi fasa, komponen yang mempengaruhi bentuk membran adalah polimer, pelarut, aditif, dan non-pelarut. Pada penelitian ini, oksida perovskit bertindak sebagai filler. Dalam metode inversi fasa, pori akan selalu terbentuk pada lapisan pendukung akibat proses difusi yang terjadi pada pelarut dan non-pelarut. Namun, dari Gambar 6. terlihat bahwa pori dari membran datar asimetris LSCF 82 tanpa aditif yang dihasilkan tidak teratur.
Gambar 6. Penampang Lintang Membran Datar Asimetris LSCF 7382 Tanpa Aditif Pra-Sintering
Pada Gambar 7. terlihat bahwa penambahan aditif membuat pori pada lapisan pendukung menjadi lebih teratur. Hal ini terjadi karena aditif bekerja dengan cara menaikkan kekuatan pelarut untuk melarutkan polimer (Mulder, 1996) [8]. Kekuatan pelarut inilah yang kemudian menyebabkan proses inversi fasa menjadi lebih sempurna. Sehingga, tercipta membran dengan lapisan pendukung yang memiliki pori teratur dan tidak rapuh.
(a) (b)
(c)
Gambar 7. Penampang Lintang Membran Datar Asimetris LCN 82 Pra-Sintering Variasi: (a) Metanol (b) Etanol (c) Propanol
Pasca Sintering
Pada penelitian ini dibandingkan membran datar asimetris LCN 82 dan LCC 82 pasca-sintering. Gambar 8. memperlihatkan bahwa membran pori yang terbentuk pada membran datar asimetris LCN 82 menjadi semakin terlihat setelah terjadinya proses sintering. Bedasarkan gambar tersebut terlihat bahwa pori yang terbentuk pada membran akibat
penambahan metanol lebih banyak dan merata daripada penambahan etanol sedangkan pori yang terbentuk akibat penambahan propanol lebih sedikit dan tidak merata dibandingkan dengan penambahan etanol. Peristiwa ini juga terjadi pada membran datar asimetris LCC 82. Gambar 9. menunjukkan bahwa penambahan metanol juga menghasilkan pori yang lebih banyak dan merata daripada penambahan etanol dan propanol.
(a) (b)
(c)
Gambar 8. Penampang Lintang Membran Datar Asimetris LCN 82 Pasca-Sintering Variasi: (a) Metanol (b) Etanol (c) Propanol
(a) (b)
(c)
Gambar 9. Penampang Lintang Membran Datar Asimetris LCC 82 Pasca-Sintering Variasi: (a) Metanol (b) Etanol (c) Propanol
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa :
1. Aditif membuat bentuk pori pada lapisan pendukung membran menjadi lebih teratur. Hal ini terjadi karena aditif bekerja dengan cara menaikkan kekuatan pelarut untuk melarutkan polimer.
2. Membran yang ditambahkan metanol memiliki pori yang lebih banyak dan teratur daripada membran yang ditambahkan etanol atau propanol. Hal ini terjadi karena kelarutan metanol dalam air lebih tinggi daripada kelarutan etanol maupun propanol dalam air. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada Hamzah Fansuri M.Si, Ph.D dan Muhammad Yusran.
DAFTAR PUSTAKA
1. Maulidah, N., 2010. Sintesis dan Karakterisasi Oksida Perovskit La1-xSrxCo 1-yFeyO3-δ (0,0≤x,y≤0,5) dengan Metode Solid-State. Skripsi. Surabaya: Kimia FMIPA ITS.
2. Kharton, V. V., Naumovich, E. N.,
Kovalensky, A. V., Viskup, A. P. dan Figueiredo, 1999. Mixed Electric and
Ionic Conductivity of LaCoOMO3
(M=Ga, Cr, Fe, or Ni) : IV. Effect
Preparation Method on Oxygen
Transport in LaCoO3-δ, Solid State
Ionic, Vol. 138, pp. 144-152
3. Twigg, M. V., Spencer, M. S., 2003. Deactivation of Copper Metal Catalysts for Methanol Decomposition, Methanol Steam Reforming and Methanol Synthesis, Topic in Catalysis, 22(3-4), 191-203.
4. Teraoka, Y., Fukuda, T., Miura, N. danYamazoe, N., 1989.Development of Oxygen Semipermeable Membrane Using Mixed Conductive Perovskite-Type Oxides
(Part 2). Journal of the Ceramic Society of Japan,97, 523.
5. Li, N., Boseave, A., Deloume, J. P. dan Gaillard, F., 2008. Catalytic combustion of toluene over a Sr and Fe substitued LaCoO3 perovskit. Solid state Ionics, 179, 1396– 1400.
6. Kim, J. H. dan Ho Lee, K. H. 1997. Effect
of PEG Additive on Membrane Formation by Phase Inversion. J. Membr. Sci 138:
153-163.
7. Yarbay, R.Z., Figen, H.E., Baykara, S.Z., 2012. Effects of Cobalt and Nickel substitution on physical properties of perovskite type oxides prepared by the sol-gel citrate methode. Acta Physica Polinica A, 121, 1
8. Mulder, M. 1996.Basic Principles of
Membrane Technology. Kluwer
