PENGARUH PENAMBAHAN ADDITIVE TERHADAP KEMURNIAN DAN UKURAN HYDROXYAPATITE POWDER DENGAN METODE FLAME SPRAY PYROLYSIS

PENGARUH PENAMBAHAN

ADDITIVE

TERHADAP KEMURNIAN DAN

UKURAN

HYDROXYAPATITE

POWDER

DENGAN METODE

FLAME SPRAY PYROLYSIS

Dosen Pembimbing :

Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Widiyastuti, ST., MT

Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran Jurusan Teknik Kimia

Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Oleh:

Taufan Sumantri (2306 100 025) Abdul Halim (2306 100 140) Skripsi- TK091383

2

LATAR BELAKANG PENELITIAN

Hydroxyapatite (HA) -Morfologi partikel -Kemurnian partikel -Ukuran partikel Organ Implan Bioaktive Bioinnert

Solid Face

Metode Liquid Solution

Metode Aerosol

Temperatur pembakaran

Additive

Spray pyrolysis

Pulse combution

•

Flame spray pyrolysis

Peneliti

Tema

Wang dkk

(2006) Sinthesis nano Hydroxyapatite high cristalinity denganNaNO₃ sebagai aditif dengan metode Ultrasonic Spray

Pyrolysis

Cho dkk (2007) Sinthesis nano Hydroxyapatite high cristalinity pada

high temperatur dengan PEG sebagai aditif dengan

metode flame spray pyrolysis Warsito & Adhi

(2009) Sinthesis HAp aditif dengan metode flame spray pyrolysissubmicron size tanpa menggunakan

Shofiyuddin &

Andy (2010) Sintesis Hydroxyapatite submicron menjadinanopartikel (bimodal size) menggunakan additive

Urea, Ethylene glycol, dan Glukosa dengan metode flame spray pyrolysis.

4

METODE PENELITIAN

Bahan :

1. Kristal Ca(NO

₃

)

₂

.4H

₂

O

2. Kristal (NH

₄

)

₂

HPO

₄

3. Gas LPG

4. Udara

5. Additive (Ethylene glycol,

Etanol, dan Urea)

Variabel Percobaan

1. Laju alir LPG

2. Jenis Additive

3. Konsentrasi

additive

4. Post Treatment

Mekanisme Pembentukan Partikel

Flame Assisted Spray Pyrolysis

Flame Spray Pyrolysis

Vapour Fed Aerosol Spray Pyrolysis

Small partikel (nanosize) Large partikel (submicron) Small partikel (nanosize)

100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 d_av=162 nm % N u m b e r d_g [nm] 6

Pengaruh Rate LPG Terhadap Produk Partikel

Laju alir LPG

(liter/menit) 0,5 (a) 1 (b)

Waktu tinggal (s) 31,65 15,83 Hydroxyapatite (% berat) 92,375 94,564

Ukuran (nm) 178 162 Morfologi bulat bulat

(a) _(b)

Perbandingan prekursor – urea = 1:1

ukuran kristal 23 nm ukuran kristal 9 nm 2Ɵ 101 102 103 104 0 5 10 15 20 25 d_av= 178 nm d_g [nm] % N u m b e r σ = 2,443 σ = 2,049 Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 (a) (b)

Pertikel berbentuk cincin (f) (e) (d) (c) (b) Partikel teragglomerasi (a)

Laju Alir LPG 1 liter/menit

Pengaruh Konsentrasi Urea

Perbandingan Prekursor - urea

1:0,5

(a) 1:1(b) 1:2(c) 1:3(d) 1:4(e) 1:5(f)

Ukuran Partikel

100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 d_av=183 nm dg [nm] % N u m b e r 100 101 102 103 104 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 d_av=134 nm % N u m b e r d_g [nm] 8 Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 23 nm 7 nm 9 nm 9 nm 9 nm 23 nm Perbandingan

precursor - urea Hydroxyapatite(%berat) Ca(%berat)3(PO4)2 1:0,5 93,754 % 6,246% 1:3 92,658 % 7,342% 1:5 90,957% 9,043 % 100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 d_av=172 nm % N u m b e r d_g [nm] 100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 d_av=162 nm % N u m b e r d_g [nm]

Pengaruh Konsentrasi Urea

100 101 102 103 104 0 10 20 30 40 _d av=231 nm d_g [nm] % N u m b e r 101 102 103 104 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 d_av=187 nm d_g [nm] % N u m b e r Perbandingan Prekursor - urea 1:0,5 (a) 1:1 (b) 1:2 (c) 1:3 (d) 1:4 (e) 1:5 (f) σ 2,080 2,049 2,144 1,690 2,222 2,670 (a) (b) (c) (d) (e) (f)

Pengaruh Konsentrasi Ethylene Glycol

(b)

(a) (c)

Laju Alir LPG 0,5 liter/menit

Perbandingan Prekursor – Ethylene Glycol 1:0,5 (a) 1:3 (b) 1:5 (c)

Ukuran Partikel rata-rata (nm) 38 468 21 141 151 331 Hydroxyapatitte (% berat) 97,633 % 96,124 % 95,439 % Ca₃(PO₄)₂ (%berat) 2,367% 3,876% 4,561%

10 Pengaruh Konsentrasi Ethylene Glycol Ukuran kristal 1:5 = 23 nm 1:4 = 23 nm 1:3 = 23 nm 1:2 = 23 nm 1:1 = 23 nm 1:0,5 = 23 nm 101 ₁₀2 ₁₀3 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 d_av=38 dan 468 nm % N u m b e r d_g [nm] 100 ₁₀1 ₁₀2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 d_g [nm] % N u m b e r d_av=21 dan 141 nm 101 ₁₀2 ₁₀3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 d_av=151 dan 331 nm d_g [nm] % N u m b e r 1:0,5 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 Perbandingan Prekursor

– Ethylene Glycol 1:0,5(a) 1:3(b) 1:5(c)

σ 8,911_1,545 10,751 2,152 5,806 1,746 (a) (b) (c)

(b)

(a)

(c)

Pengaruh Konsentrasi Etanol _{LPG 0,5 liter/menit}

Perbandingan Prekursor – Etanol 1:0,5 (a) 1:3 (b) 1:5 (c) Ukuran Partikel rata-rata (nm) 68 296 150 477 98 408 Hydroxyapatite (% berat) 93,565 % 91,747 % 89,992 % Ca₃(PO₄)₂ (%berat) 6,435% 8,253% 10,008%

12 Pengaruh Konsentrasi Etanol Ukuran Kristal 1:5 = 23 nm 1:4 = 23 nm 1:3 = 23 nm 1:2 = 22 nm 1:1 = 23nm 100 101 102 103 0 5 10 15 20 25 30 35 40 d_av=68 dan 296 nm d_g [nm] % N u m b e r 101 102 103 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 d_g [nm] % N u m b e r d_av=150 dan 477 nm 101 102 103 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 d_av=98 dan 408 nm d_g [nm] % N u m b e r Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 Perbandingan Prekursor – Etanol 1:0,5 (a) 1:3 (b) 1:5 (c) σ 8,455_1,702 5,300_1,450 7,236_1,653 (a) (b) (c)

(b)

(a)

(c)

Pengaruh Jenis Additive 1:5

Laju Alir LPG 0,5 liter/menit

Jenis Additive Urea

(a) Ethylene Glycol (b) Etanol (c) Ukuran rata-rata (nm) 145 151 331 98 408 Hydroxyapatite (% berat) 89,201% 95,439 % 89,992 % Ca₃(PO₄)₂ (%berat) 10,799% 4,561% 10,008%

14

Pengaruh Jenis Additive

101 102 103 0 5 10 15 20 25 30 35 40 d_av=151 dan 331 nm d_g [nm] % N u m b e r 100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 5 10 15 20 25 d_av=145 nm d_g [nm] % N u m b e r Etanol 23 nm ethylene glycol 23 nm urea 23 nm (a) (b) (c)

Jenis Additive Etanol_(a) EthyleneGlycol (b) Urea (c) σ 8,455_1,702 5,806_1,746 3,386 101 ₁₀2 ₁₀3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 d_av=98 dan 408 nm d_g [nm] % N u m b e r

Pengaruh Pemanasan

Laju alir LPG 1 liter/menit

(a) (b)

Post Treatment Pemanasan

(a)

Tanpa Pemanasan (b)

Perbandingan prekursor - urea 1:1 1:1

Ukuran (nm) 253 162 Hydroxyapatite (% berat) 54,648 94,564 Ca₃(PO₄)₂ (% berat) 45,352 5,436 In te nsi ty [a .u .] Hydroxylapatite JCPDS 24-0033 Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 101 102 103 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 d_av=253 nm d_g [nm] % N u m b e r 100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 d_av=162 nm % N u m b e r d_g [nm] 800o_{C selama 2 jam} Ukuran kristal : 47 nm 7 nm (a) (b)

16

Pengaruh Pemanasan

(a) (b)

Post Treatment Pemanasan (a) Tanpa Pemanasan (b)

Perbandingan prekursor - urea 1:3 1:3

Ukuran (nm) 280 231 σ 4,340 1,690 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 In te n si ty [a .u .] 2 Hydroxylapatite JCPDS 24-0033 Calcium phosphat JCPDS 09-0348 Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033 101 102 103 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 d_av=280 nm d_g [nm] % N u m b e r 100 ₁₀1 ₁₀2 ₁₀3 ₁₀4 0 10 20 30 40 _d av=231 nm d_g [nm] % N u m b e r Ukuran kristal 110 nm 9 nm

KESIMPULAN

1. Rate LPG semakin tinggi, ukuran partikel semakin kecil,

kemurnian semakin rendah.

2. Konsentrasi aditif semakin tinggi, partikel HA semakin kecil.

3. Urea, ethyen glycol dan etanol dapat digunakan untuk

menurunkan ukuran partikel HA.

4. Pemanasan pada suhu 800

o

_{C selama 2 jam menyebabkan}

ukuran partikel lebih besar dan kemurniannya menurun.

5. Partikel yang diperoleh berbentuk bola.

6. Hasil experiment terbaik dengan ukuran partikel 21,307 nm dan

kemurnian hydroxyapatite sebesar 96,124 % pada perbandingan

precursor - ethylene glycol 1:3 dengan laju alir LPG 0,5 liter/menit

18

Mohon Saran dan

Bimbingannya

20

1. Kemurnian 97,633 % pada additive ethylene glycol 1:0,5 laju alir LPG 0,5 liter/menit dan laju alir oxydizer 2,5 m3_/jam

3(NH

₄

)

₂

HPO

₄

+ 5Ca(NO

₃

)

₂



8N

₂

+ 13,5H

₂

O +

7,75O

₂

+ Ca

₅

(PO

₄

)

₃

(OH)

Reaksi

NH₂CONH₂ + O₂ → N₂+ 2H₂O + CO₂ ΔH = -650,2 kJ/gmol 2C₂H₆O₂ + 5O₂  6H₂O + 4CO₂ ΔH = -46,874 kJ/gmol

CH₃CH₂OH + O₂  CO₂ + H₂O ΔH = -1285,8 kJ/gmol

Bahan Property

(NH4)2HPO4 Kristal/powder putih , densitas 1.619, terlarut dlm air, insoluble dlm alcohol, tidak mudah terbakar. Grade : Pro Analisis

Ca(NO3)2.4H2O Kristal putih, densitas 1.82, titik leleh 42 C, terlarut dlm air, alcohol dan acetone

Grade : Pro Analisis Urea

[CO(NH4)2] Kristal/powder putih, densitas 1.335, titik leleh 132.7 C, terlarut dlm air alcohol dan benzene, tidak mudah terbakar

Grade : Pro analisis Glucose

[C6H12O6] Kristal berwarna putih, tidak berbau, merasa manis, tidak berwarna/ granular powder densitas 1.554, titik leleh 146 C, terlarut dlm air, Mudah terbakar (combustible)

Grade : Pro analisis Ethylen Glycol

[C6H6O2] Liquid Jernih, tidak berwarna, tidak berbau, densitas 1.1155, titik didih 197.2 C, titik beku -13.5 C, flash point :116 C, Higroskopik, , relative

tidak mudah menguap, terlarut dlm air, alcohol dan acetone, Mudah terbakar (combustible).

Grade : Pure

Udara Tabung Gas campuran dengan komposisi , O2 21 % N2 79 %, uap air 2.99 ppm

Alat XRD

X Ray diffractometer merupakan suatu alat yang digunakan untuk mendeteksi unsur atau senyawa yang terkandung dalam suatu padatan. Alat ini bekerja berdasarkan difraksi sinar X oleh unsur atau senyawa dalam suatu padatan. Setiap unsur mempunyai intensitas pemantulan sinar X yang berbeda jika disinari pada sudut tertentu

Cara Kerja XRD

1. Sampel padat diletakkan pada suatu preparat kaca

2. Sumber sinar bergerak mengelilingi sampel sambil menyinari sampel 3. Detector menangkap pantulan sinar dari sampel

4. Alat perekam merekam intensitas pantulan sinar untuk tiap sudut tertentu 5. Hasil analitis dalam bentuk grafik sudut penyinaran vs intensitas pantulan Kelebihan dan Kekurangan XRD

Kelebihan

- Dapat digunakan untuk mendeteksi berbagai unsur - Sampel yang dipakai tidak harus murni

Kekurangan

Alat

ＳＥＭ

Prinsip Kerja SEM :

Alat SEM akan menembak permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi. Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali

Berkas elektron berenergi tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah dimana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor didalam SEM akan mendeteksi elektron

yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda. Dengan program pengolahan gambar yang ada di komputer maka profil

26

Alat XRD

Type :

28

Experimental Setup

4 2 4 2 3

HPO

)

(NH

O

.4H

Ca(NO)

propana

air

Reaction Flame: C₃H₈ + O₂ CO₂ + H₂O Energi Evaporasi: Penguapan H₂O Reaksi/dekomposisi: Ca(NO₃)₂ + (NH₄)₂HPO₄ Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ + H₂O + N₂ Preparasi prekursor untuk Hydroxyapatite Ca/P=1.67

B

B

K

D





cos



Diameter rata-rata kristal diukur dengan menggunakan persamaan Scherrer :

Dimana D adalah ukuran (diameter) kristalin, λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan dalam nanometer,θ_B adalah sudut Bragg atau sudut

difraksi dalam derajat, B adalah lebar penuh pada setengah intensitas maksimum, dan K adalah konstanta material yang nilainya kurang dari satu.

Gambar Foto Alat

Flame Spray Pyrolisis

Ultrasonic Nebulizer Reaktor Flame

Yang kurang

1. Gambar Alat SEM 2. Sifat kimia etanol

SEPARATION FACTOR



Perbandingan antara centrifugal force dengan gravity

force dinamakan separation factor

rg

v

mg

r

mv

F

F

g

c

2

tan

2

tan

/

_



Stoke’s Law

gr

V

g

D

V

_tR p p 2 tan 2

18

)

(











Dimana :

V

_tR

= Terminal radial velocity

D

_p

= Diameter partikel

g

= konstanta gravitasi

ρ

_p

= densitas partikel

ρ = densitas fluida μ = viskositas fluida

V_tan = kecepatan tangensial r = jari-jari cyclone

Tambahan

36

Kecepatan didalam cyclone : V = Q/(W*(D-De)/2) m/s ...(1) Dimana De=0,5D

W=0,18D

Q adalah debit udara

Kecepatan radial=lajua alir volumetrik dibagi dengan luas penampang dengan jari2 r...

Cara Kerja Electrostatic Precipitator

•Dengan melewatkan gas buang (flue gas) melalui suatu medan listrik yang terbentuk antara discharge electrode dengan collector plate, flue gas yang mengandung butiran debu pada awalnya bermuatan netral dan pada saat melewati medan listrik, partikel debu tersebut akan terionisasi sehingga partikel debu tersebut menjadi bermuatan negatif (-).

•Partikel debu yang sekarang bermuatan negatif (-) kemudian menempel pada pelat-pelat pengumpul (collector plate).

•Debu yang dikumpulkan di collector plate dipindahkan kembali secara periodik dari collector plate melalui suatu getaran (rapping).

•Debu ini kemudian jatuh ke bak penampung (ash hopper), dan ditransport (dipindahkan) ke flash silo dengan cara di vakum atau dihembuskan.

Proses Pembentukan Medan Listrik

•Terdapat dua jenis electrode, yaitu discharge electrode yang bermuatan negatif dan collector plate electrode bermuatan positif.

•Discharge electrode diletakkan diantara collector plate pada jarak tertentu (memiliki jarak antara discharge electrode dengan collector plate).

•Discharge electrode diberi listrik arus searah (DC) dengan muatan minus, pada level tegangan antara 55–75 KvDC

(sumber listrik awalnya adalah 380 volt AC, kemudian dinaikkan oleh transformer menjadi sekitar 55 – 75 Kv dan

dirubah menjadi listrik DC oleh rectifier, diambil hanya potensial negatifnya saja).

•Collector plate ditanahkan (di-grounding) agar bermuatan positif. Dengan demikian, pada saat discharge electrode diberi arus DC maka medan listrik terbentuk pada ruang yang berisi tirai-tirai electrode tersebut dan partikel-partikel debu akan tertarik pada pelat-pelat tersebut, Gas bersih kemudian bergerak ke cerobong asap.