ANALISA KESTABILAN TERMAL MEMBRAN Y Ah03 DAN MA TRIKS a-ah03 UNTUK PEMISAHAN GAS H2

Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128

III

ANALISA

KESTABILAN

TERMAL

MEMBRAN

Y Ah03 DAN

MA TRIKS

a-Ah03

UNTUK PEMISAHAN

GAS

H2

Tumpal Pandiangan

Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuk/ir - BATAN

ABSTRAK

ANAL/SA KESTABlLAN TERMAL MEMBRAN -rA1}Oj DAN MATRIKS a-AI}Oj UNTUK PEMISAHAN GAS H]o Lapisan y-AI}Oj direduksi porositasnya dengan menga/irkan larutan TEOS secara CVD (Chemical Vapour Devosition) pada lapisan y-AI}Oj. Alpha alumina (a-AI}O.J dibuat dengan larutan sol-gel. Kestabilan termal masing-masing diamati dari suhu kamar sampai suhu 1300°C dengan menggunakan metode differential thermal analysis(DTA). Pertumbuhan fasa pada lapisan y-AI}Oj akibat dipanaskan dari 40rt'C hingga 130(f'C diamati dengan difraksi sinar-X sedangkan permukaannya diamati dengan scanning electron microscope (SEM). Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa fasa alpha (a) tumbuh mulai dari suhu 400°C hingga l300°C, sedangkan a-AI}Oj yang dibuat dengan proses sol-gel tumbuh pada suhu 120(f'C. Lapisan y-AI}Oj pada kisaran suhu kamar hingga 130rt'C adalah relatif stabil, namun pada temperatur sekitar II0rt'.C tampak puncak endotermik relatif yang kecil. Pada permukaan lapisan y-AI}Oj terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O}dan Hz. Hasil uji permeasi y-AI}Oj adalah I x Irr mol/Pa mZ s, 0,8 x Irr mol/Pa m} s dan 0,6 xlrr mol/Pa mZ s masing-masing untuk gas Nz, He dan H}.

ABSTRACT

THERMAL STABILITY ANALYSIS OF THE -rA1}Oj MEMBRANE AND a-AlzOj MATRIX FOR H} GAS SEPARA TlON. The -rA1}Oj layer had been reduced it's porosities by draining the TEOS solution to it's layer as CVD method. The a-AlzOj had been made by sol gel method. The thermal stability of both alumina were observedfrom room temperature to 130rt'C by means of DTA method. The growth of y-AlzOj layer that was heated from 40rt'C to 130rt'C was observed by means of X-ray diffraction. Mean while its surface condition was observed by SEM method. The x-ray diffraction show that alpha phase grow-up from 40(f'C to 130rt'C, but the a-AI}Oj that was made by sol-gel method grow-up at 120rt'C. In the range from room temperature to 130(f'C y-AlzOj layer is stable but at a round of 120rt'C an endothermic small peak appear. On the y-AI}Oj surface Si element is more than H} and Oz elements. The results of permeance testing of the y-AlzOj layer is of I x Irr mol/Pa mZ s, 0,8 xlrr mol/Pa m} and 0,6 xlrr mol/Pa m} sfor N}. He and H}gaseous respectively.

Key words: CVD, Permeance, TEOS, y-AI}Oj. a-AlzOj

PENDAHULUAN

Mengingat

_besarnya keterbatasan_{tingkat pencemaran}energi fossil _yangdan ditimbulkannya pada lingkungan, maka perlu dicari energi pengganti yang ramah terhadap lingkungan dan tidak terbatas ketersediaanya. Hidrogen adalah energi pengganti yang sudah lama dipelajari, terutama dalam hal meningkatkan efisiensi termal. Berdasarkan hasil penelitian di berbagai negara di dunia, efisiensi termal produksi hidrogen dapat di tingkatkan dari sekitar 45 % hingga sekitar 75 %. Hal ini akan dicapai apabila suplai panas yang digunakan berasal dari panas reaktor nuklir [1.2.3)

Walaupun efisiensi termal dapat ditingkatkan, namun untuk aplikasi produksi hidrogen diperlukan pengujian ketahanan termal material produksi khususnya membran dan matriks yang dioperasikan pad a berbagai temperatur, khususnya ketahanan termal pada kondisi lingkungan proses produksi hidrogenl4]. Ketahanan termal baik untuk a-Ah03 maupun untuk y-A1203 diuji dengan menggunakan alat DTA sedangkan kemampuan permeasi y - AI203 di ukur dengan menggunakan alat ukur permeasi. Hasil permeasi dari membran akan diteliti sebagai fungsi perubahan temperatur.

Sebelum dilakukan pengujian namun terlebih dahulu dilakukan' sintesa alumina dengan proses Sol-gel. Alumina dapat dibuat melalui

Prosiding PPI • PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, Juli

112

ISSN 0216 - 3128 _{Tumpal Pandiallgall} empat macam proses yaitu : proses kontrol

presipttat, proses dekomposisi garam, proses konvensional atau biasa disebut sebagai proses bayer dan proses sol_gel[S,6,7,8J• Proses sol-gel merupakan teknik terbaru yang dikembangkan untuk membuat keramik alumina. Proses ini dapat mengontrol struktur mikro dari sifat keramik dengan jalan mengontrol parameter proses yang ada. Suhu pemanasan yang diberikan relatif rendah dan kemumian produk yang dihasilkan relatif tinggi.

Hasil proses sol gel berupa alumina, kemudian diuji dengan alat DTA. Pengujian ini menghasilkan informasi temperatur dan energi perubahan fasa, sedangkan alat ditraksi sinar-X akan menginformasikan jenis fasa yang terjadi. Alumina dapat dibuat melalui empat macam proses yaitu : proses kontrol presipitat, proses dekomposisi garam, proses konvensional atau biasa disebut sebagai proses bayer dan proses sol-gel [9.10.11].

Hal yang menarik untuk diamati pad a proses pembuatan keramik alumina dengan proses sol-gel adalah terjadinya transformasi fasa. Menurut beberapa para peneliti, fasa-fasa yang terjadi adalah alumina hidrat (dapat berupa boehmite),

gamma-, delta-, theta- dan alpha- alumina.

Masing-masing fasa terse but mempunyai sifat fisis yang berbeda. [4,5]. Tujuan penelitian ini adalah menganalisa kestabilan termal dan kemampuan permeasi membran y-Ah03 yang telah dibuat dengan metode CYD dan kestabilan termal matriks a-A1203 yang dibuat dengan m~tode sol-gel.

BAHAN DAN METODE

Bahan dan Alat

Dalam penelitian ini, bahan yang digunakan

adalah Alumina tritert butoxide

[(C2HSCH(CH3)0)3AI], air (H20), HCI dan alat-alat berupa neraca analitik, peralatan gelas, termometer, magnet stirrer, ruang pemanas, pengukur pH, XRD, DT A, MO dan SEM

Metode Penelitian

Satu mol serbuk aluminum tritert butoxide [(C2HsCH(CH3)0)3A1] dicampur dengan 100 mol air (H20) dan diaduk sampai homogen. Setelah bomogen, pada suhu 90°C campuran tersebut dipeptisasi dengan katalis asam, 0,2 mol HCI. Proses polimerisasi ini membentuk gel. Gel yang diperoleh dikeringkan pada subu 90°C yang kemudian dibagi-bagi untuk dipanaskan pada

beberapa suhu, yaitu 300°C, 400°C, 500°C, 600°C,

7000e, 8000e, 9000e, IOOOoe, IIOOoe, 12000C

dan I 300°C selama satu jam dalam ruang pemanas

(furnace). Setelah itu, sampel segera dikeluarkan

dari ruang pemanas dan didinginkan di udara. Evolusi termal diamati dengan analisis termal dari suhu kamar sampai suhu 1300°C menggunakan

dfJerential thermal analysis (DT A) dan

thermogravimetric analysis (TGA). Fasa-fasa yang

terjadi pada setiap sampel ditentukan dengan X-ray

difJractometry (XRD). Identifikasi fasa dilakukan

dengan menggunakan metode Hanawalt secara

manual dan analisis kuantitatif dilakukan pada pola

ditraksi sampel 1000°C, puncak 012 (fasa alpha) dan 004 (fasa theta) dengan menggunakan metode perbandingan langsung. Morfologi permukaan sampel diamati dengan mikroskop optik (MO) dan

scanning electron microscope (SEM). Sedangkan

kerapatan sampel diukur dengan piknometer.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar I.Menunjukkan pola ditraksi alumina yang telah dipanaskan pada suhu 90°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C dan 1300°C di mana B menunjukkan fasa boehmite. Fasa ini terdapat

pada suhu kalsinasi 90.300.400 dan 50(j'C.. y

menunjukkan fasa gamma. Fasa gamma terbentuk mulai suhu kalsinasi pada 400, 500, 600, 700, 800 dan 900°C. 0 menunjukkan fasa delta. Fasa

e

terbentuk pada temperatur kalsinasi 900, 1000°C menunjukkan fasa theta dan alpha menunjukan fasa

alpha. Fasa boehmite terbentuk pad a suhu

90°C-300°C. Sebagian fasa boehmite bertranformasi menjadi gamma pada suhu 400°C-500°C dan fasa

gamma terbentuk sempuma pad a suhu

600°C-800°C. Fasa delta terbentuk sempuma pada suhu 900°C. Pada suhu 1000°C, terbentuk fasa theta dan

alpha. Secara kuantitatif, fasa theta (puncak 004)

yang terbentuk sebesar 50,18% dan alpha (puncak 012) 49,82%. Pada suhu 1100°C-1300°C, fasa alpha terbentuk sempuma.[7].

Gambar 2 merupakan kurva pengamatan analisa termal (DTA dan TGA) pada gel kering yang dipanaskan dari suhu kamar sampai suhu I 300°C. Pad a kurva DT A terbentuk 2 puncak endotermik dan 3 puncak eksotermik. Kurva TGA menunjukkan 4 daerah massa yang berkurang, masing-masing menunjukkan peristiwa pelepasan senyawa organik, kristalisasai fasa boehmite, gamma dan alpha. Pad a pengamatan ini, transformasi dari fasa gamma ke delta, delta ke theta tidak terdeteksi. Namun demikian, pada

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tumpal Pal/dial/gall ISSN 0216-3128

/13

daerah transformasi tersebut menunjukkan adanya peristiwa dekomposisi.

·

•.

·

..

·

:

_·

•

·

··

~

,

••

•••••••••••

-

_·

..

•

"

_"

!

_·

•

i

...

,.

...

I•••~

1•• 4Ie".JeU

Proses Sol-Gel' dilakukan dengan mencampur I mol ATB [C2HsCH(CH3)0)3AI] dengan 100 mol air (H20) menghasilkan larutan hidroksil alkoksida dan butanol. Reaksi kimianyaadalahsebagai berikut: [(C2HSCH(CH3)OhAI]+H20-+ AI(C2HSCH(CH))0)OH+C4H90H. ~~ M JY.)-DTA ---- .. -- .• '~./ j t,...

.:~~

....

-

/'~.

-.

"

..".

..-~.

...

••• ..-<:;...- ..•• 1•• I --- --.- -'" •

-:;>

I

·

--

/""

.!..~"

I -..'-. ~/ •

·

~ ..

.

~

,../

~.~ ...

~

...

,/

---....,

·

/--

..

f •• / _ •~. ''' .... _h- _

../

__ • _."_4_- :: ....

I •

,

.• .••.

Gambai' I. PoIaDifrak., SUlIo1rX AlLlmJu.1

..

... ....

.-

.

-..•.

...

.•.. ..'.1 ....•

Gambar 4. Thermogram DTA-TG sample

'/-Al20.l dari temperatur kamar lzingga

l30dle.

Pada proses hidrolisa ini, sebagian besar butanol menguap. Ketika diberikan suhu sebesar 90°C dan katalis asam 0,2 mol HCI, campuran tersebut kemudian menjadi gel. Reaksi kimianya sbb. :

2AI(C4CH(CH3)OH(OH)+H20+0,2 Mol HCI-+ C2HsCH(CH3)0-AI(OH)-0-AI(OH)HOC4CH(CH3)+

2CHgOH. aambar 2. Ko.rva DT Ad:anTGA Gel Alum;,,,,

::0

:8 Ide.

Gambar

3.

Pol a difraksi sinar untuk 'l-A120.l

daTi suhu

500

lzingga

l30{fC

Gambar 3 merupakan pol a difTaksi sinar untuk y-Ah03 yang dipanaskan dari suhu 400°C hingga I300°C. Pola difTaksi ini menunjukkan terjadinya pertumbuhan fasa alpha alumina. Gambar 5 adalah thermogram DTA-TG sample y-AI203 dari temperatur kamar hingga 1300°C. Thermogram ini menunjukkan kestabilan termal higga suhu 1100

°c ,

di atas suhu ini terjadi puncak endotermik yang relatifkecil.

Proses polimerisasi ini menghasilkan polimer dan butanol. Pada proses ini, sebagian butanol menguap. Selanjutnya gel dipanaskan pada suhu ini sampai kering.

C4CH(CH3)0-AI(OH)-A1(OH)-OC4CH(CH))-+

2CH90H +2 AIOOH pada 90°C.

Pada proses pengeringan ini, sebagian molekul air dan sisa butanol menguap. Pada rangkaian peristiwa tersebut, Kurva DT A dan TGA Gambar 2 menunjukkan adanya peristiwa evolusi air dan alkohol. Pada kurva DT A, peristiwa tersebut menyerap energi sebesar 1489,997 mJ (puncak endotermik pertama) dan pada kurva TGA, menunjukkan adanya pengurangan massa sebesar 7,593%. Data XRD pada interval suhu 90°C-300°C menunjukkan fasa boehmite (ALOOH). Kurva DT A menunjukkan bahwa fasa ini terbentuk dengan melepaskan energi sebesar 3037,758 mJ (puncak eksotermik pertama). Pada peristiwa ini, terjadi pe 1epasan sisa air dan alkoho 1 [9] serta terbentuknya struktur kristal ortorhombik sehingga mengakibatkan pengurangan massa sebesar 24,194% (kurva TGA).

Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

114

ISSN 0216 - 3128 _{Tumpal Pandiangml} Pad a suhu 400°C-500°C, sebagian besar

fasa b02hmit2 bertransformasi menjadi fasa

y-Ah03' Menurut Urretavizcaya

et al.

(1998), transformasi ini terjadi karena adanya pe 1epasan gugus OH. Sedangkan menurut Clark et al. (1984), dengan menggunakan FT -IRRS, pada peristiwa ini terdeteksi adanya evo 1usi struktur air dan HC 1.

Pada kurva DT A, peristiwa ini menyerap energi sebesar 599,347 mJ (puncak endotermik kedua). Pada suhu 600°C- 700°C, fasa gamma terbentuk sempuma dengan kehilangan massa sebesar 11,893% (kurva TGA). Pembentukan fasa ini melepaskan energi sebesar 7941,431 mJ (puncak eksotermik kedua) Data XRD pada suhu 800°C menunjukkan fasa gamma.

Fasa delta terbentuk sempuma pada suhu 900°C. Peristiwa termal pada transfomalasi gamma menjadi delta tidak terdeteksi, baik oleh DT A maupun TGA. Transformasi delta menjadi theta

tidak terdeteksi oleh DT A mupun TGA karena energi yang terlibat da I am transformasi ini kedl dan kemungkinan transformasi yang terjadi merupakan transformasi orde kedua yang hanya bisa dideteksi dengan DSC. Pada transformasi ini, struktur tetragona I berubah menjadi monoklinik.

Gambar 5 menunjukkan permeasi unsur gas tunggal He, N2 dan H2 melalui membran modifikasi 23 jam waktu deposisi. Permeasi He dan

H2 melalui membran meningkat relatif sangat lambat, sedangkan gas N2 relatif menurun lambat dengan meningkatnya temperatur. Tingkat daya pisah gas H2 terhadap N2 pada temperatur 600°C adalah 5,05 dan angka ini menunjukkan lebih tinggi dari daya pisah berdasarkan prinsip knudsen diffusion.

F/(Atlpi) . P adalah permeasi (mol/Pa m2 s), F

adalah banyaknya gas permeating tiap satuan waktu(mol/s), A adalah luas permukaan membran

(m2) dan tlpi adalah perbedaan tekanan parsial membran. Pada permukaan lapisan y-A1203 terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O2 dan H2.

Gambar 6 menunjukkan hasil X-ray pada permukaan lapisan y-Ah03 dengan metode EPMA. Pada permukaan lapisan y-Ah03 terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O2 dan AI, hal ini dibuktikan oleh puncak untuk unsur Si yang lebih tinggi dibanding dengan kedua unsur lainnya. Hal ini juga menyatakanj bahwa di bagian permukaan luar membran didominasi oleh unsur Si sebagai dampak dari perlakuan proses CVD.

AI 0 J~

-~ (I

Gambar 6. X-ray pada permukaan lapisan

"1-Al10) dengan metode EPMA

--&-H.

-8-

.z

-<>- HZ

Gambar 5. Permeasi gas H1, N1dan He

Permeasi melalui membran dihitung dengan menggunakan persamaan P(mol/Pa m2 s) =

D-~ -- -- D- -- -- --€I J!!' tlf

s

I'Q tlf

~

So0

~

~

Ie' 4' E4' a-tlf tit· 3D :m

.

-

-

-

-~

4a:I SII Tempe r.nUt

rq

KESIMPULAN

Lapisan y-A1203 menunjukkan adanya kestabilan termal dari temperatur kamar hingga I 100°C, sedangkan alumina hasH proses sol-gel mengalami evolusi termal. Evaluasi yang terjadi adalah antara suhu 90°C-300°C berupa fasa

bohtmite, antara suhu 400°C-800°C berupa fasa

gamma, sekitar suhu 900°C berupa fasa della,

sekitar suhu 1000°C berupa fasa theta. Permeasi unsur gas tunggal He, N2 dan H2 melalui membran lapisan y-Ah03 meningkat relatif, sedangkan gas

N2 relatif menu run lambat dengan meningkatnya temperatur. Tingkat daya pisah gas H2 terhadap Nz

pada temperatur 600°C adalah 5,05 dan angka ini menunjukkan lebih tinggi dari daya pisah pada prinsip knudsen diffusion = 3,74.

Prosldlng PPI • PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tumpa/ Pandiangan ISSN 0216 -3128

lI5

DAFT AR PUSTAKA

I. ONUKI K., et aI., Thermochemical hydrogen

production by IS cycle, proceeding, 14th

world hydrogen energy conference, Montreal, Canada, (2002)

2. NORMAN, J.H., Besenbruch, G.E., and O'keefe,D.R., Thermochemical water- splitting for hydrogen production, (1981) GRI-80/0 I 05,March

3. NAKAJIMA, H., et aI., A Study on a close cycle hydrogen production by thermochemical water- splitting is process, Proc. 7th Int. conf. on nuclear Engineering (ICONE-7), 1999 4. ONUKI, K., et aI., Thermochemical hydrogen

production by IS cycle, Proc. 14th World hydrogen Energy Conf., Montreal, Canada, (2002)

5. PURNAMA S., SITOMPUL A., AHDA S., Sintesis alpha alunina dengan proses sol- gel, Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi II 1997. PISM-BATAN, Serpong.

6. BRINKER C. J., SCHERER G.W., Sol-gel science the physic and chemical of sol-gel Processing, Academic Press Inc. San Diego. 7. BRINKER C. J., SCHERER G.W., Sol-gel

science, the physic and chemical of sol-gel processing, Academic Press Inc. San Diego. 8. ORIFINE R. L., VASCONCELER M.R.,

Sol-gel transition and structural evolution on .multicomponent gels derived from the alumma-silica system, 1. Sol-Gel Science Technology

9. CLARK D. E., LANNUTTI, 1984, Phase transformations in sol-gel derived aluminas, Jolm Wiley

&

Sons, New York. 10. BRINKER C. J., SCHERER G.W., 1990,

Sol-gel Science, The Physic. and Chemcal, of sol-gel Processing, Academic Press Inc. San Diego.

II. OREFIRE R. L., VASCONCELOS W.R., 1997, Sol-gel transition and structural evolution on .multicomponent gels derived ITom the alumma-silica system, J. Solgel -science-technoog,.9 : 239-249.

TANYAJAWAB

Dendang H.

- Perbedaan metode konvensional dengan yang Saudara kembangkan serta bagaimana jika ditinjau dari segi ekonomisnya

?

Tumpal Pandiangan

- Perbedaan me/ode konvensional produksi H2

dengan yang sekarang dikembangkan adalah :

• Konvensional: me/ode elektrolisa air

(/idak efisien)

• Modern: metode thermokimia (efisiensi =

70%)

• Metode Thermokimia lebih ekonomis

dibandingkan dengan metode elektrolisis.

Yuri Garini

- Bagaimana cara membuat membran ?

Tumpal Pandiangan

- Cara membuat membran y AI]OJ. yaitu dengan

menggunakan metoda CUD mengalirkan uap

gas dari cairan silikat, pada permukaan AI]OJ

pada temperatur sekitar 450°C, pada tekanan I Atm.

Proslding PPI • PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN