ANALISA KESTABILAN PERMEASI MEMBRAN y-ah03 PADA KONDISI LINGKUNGAN PRODUKSI HIDROGEN

Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128 29

ANALISA

KESTABILAN

PERMEASI

MEMBRAN

y-Ah03

PADA KONDISI LINGKUNGAN

PRODUKSI

HIDROGEN

Tumpal Pandiangan

Pusat Teknologi Reaktor don Keselamatan Nuklir -I1ATAN

ABSTRAK

ANALISA KESTABIL4N PERMEASI MEMBRAN y-AI]O) PADA KONDISI LlNGKUNGAN PRODUKSI HIDROGEN. Salah satu dari beberapa metode produbi hidrogen yang dikembanglwn saat ini adalah metode thermochemical. Metode ini dapat menjanjilwn peninglwtan ejisiensi termal hingga sekitar 70 %,apabila suplai panas reaktor nuklir digunalwn. Namun untuk tujuan aplilwsi produbi, perlu diteliti kemampuan permeasi membran pada kondisi lingkungan proses yaitu campuran gas Hlx-H20 dan I] pada temperatur 45(f'C dengan telwnan atmosfer. Membran sililw dibuat dengan metode CVD (Chemical Vapouration Deposition) selama 24 jam pada temperatur 45{f'C, tekanan atmosfer. Membran sililw dibuat pada tabung alpha alumina dengan permulwan luar berukuran pori rata-rata 0,01 )lm. Pengujian permeasi membran dilakulwn sebanyak 4 Iwli, masing-masing ekspos setelah: 0, 60, 150 dan 250 jam. Kemampuan permeasi membran terhadap gas masing-masing H2' He dan N2 untuk setiap peninglwtan wak/u ebpos tersebut di atas diukur. Akibat proses ebpos pada kondisi lingkungan tersebut malw terjadi peninglwtan permeasi dari orde sekitar 0,6 XIO·9 , 0,7 x Irr7 dan I x Irr hingga 0,2 xlrr , 0,6 x lrr7 dan 0,5 x Irr7

mol/Pa m2

s

berturut turut untuk gas N2, He dan H2. Dan sebagai dampak ebpos tersebut terjadi penurunan daya selek/ivitas gas H/N2 dari 16,66 hingga 20,0.

ABSTRACT

MEMBRANE STABILITY ANALYSIS OF y-AI]O) ON HYDROGEN PRODUCTION ENVIRONMENT CONDITION. One of the hydrogen production methods that has been developed is a thermo-chemical method. This method is permissible to increase thermal efficiency up to 70 if the supply heating is generated from nuclear reactor heat. But if it is used for production application it will be needed to observe the

membrane stability in the environments condition on Hlx-lrH20 mixture gaseous, at 45{f'C and at atmospheric pressured. The membrane silica that was observed was developed by a CVD method during 24 hours at the temperature of 45{f'C in atmospheric pressure. The silica membrane was used in the experiments were prepared using porous alpha alumina tubes as the substrates ,it's average pore size of outer surface is 0.01 )lm. The membrane stability examining of the process environment condition was carry out 4 times that every process were needed of 0, 60, 150 and 250 hours. After exposure test, single gas permeances of He, H2 and N2 were measured for monitoring a stability of surface layer responsible for the appearance of gas separation characteristics. In every case, the permeances increased from 0,6 xlrr9 , O,7x 10.7 and I x 10-11to 0,2 xlrr ,0,6 x Irr7 and 5x /0.7 mol/Pa m2s of N2, He and H2 gaseous respectively and the selectivity ofH/N] decreased from 20 to 16,66 with increasing the expose time.

Keywords: permeance, durability, exposure, membrane

PENDAHULUAN

Mengingat

_besamya keterbatasan_{tingkat pencemaran}energi fossil _yangdan ditimbulkannya pada Iingkungan, 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 termalnya. Berdasarkan hasil penelitian di berbagai negara di dunia, bahwa efisiensi termal dapat di tingkatkan dari sekitar 45 % hingga mencapai sekitar 75 %.[1] Hal ini dicapai apabila suplai panas yang digunakan berasal dad panas reaktor. Dan untuk tujuan aplikasi produksi

hidrogen dibutuhkan membran sebagai pemisah gas Hz dan Oz yang optimal dan juga mempunyai durabilitas yang tinggi. Untuk itu perlu diteliti baik permeansi, daya pisah dan durabiltas membran yang dibuat.

Karena temperatur yang dibutuhkan untuk proses produksi hidrogen adalah sekitar 800°C, maka reaktor nuklir temperatur tinggi menjadi kebutuhannya. Diantara reaktor-reaktor daya nuklir, reaktor pendingin gas temperatur tinggi (HTGR) adalah unik dalam kemampuannya untuk mencapai temperatur keluaran sistem yaitu sekitar 1000°C. Kemampuan reaktor tersebut membuka spektrum luas dalam aplikasi-aplikasi industri guna pemakaian reaksi inti nuklir yang merupakan basis

30 ISSN 0216 - 3128 _{Tumpal Pandiangall}

luas sebagai sumber energi. Dewasa ini,17 % produksi energi nuklir adalah sebagai pembangkit energi listrik total di-dunia. Dari keseluruhannya itu, sekitar 30 % untuk konsumsi energi utama dunia digunakan untuk pembangkit Iistrik. Sekitar 15 % digunakan untuk transportasi dan sisanya 55% dirubah menjadi air panas, steam dan tennal. Hal ini menunjukkan bahwa potensi aplikasi energi nuklir dalam sektor non Iistrik menjadi sangat lebar. Dewasa ini hanya ada beberapa reaktor nuklir yang digunakan untuk aplikasi non Iistrik. Hal tersebut di atas telah mendorong para peneliti untuk membangun dan mendemonstrasikan aplikasi daya nuklir temperatur tinggi. Komisi energi atom Jepang telah merekomendasikan membangun reaktor uji teknik temperatur tinggi (HTTR). Konstruksi HTTR 30 MW(th) bependingin gas helium sudah dibangun sejak maret 1991, di Pusat penelitian Oarai (JAERI).

Metode thermochemical hydrogen production berfungsi untuk mendekomposisikan

air menjadi hidrogen dan oksigen melalui kombinasi-kombinasi reaksi kimia. Proses reaksi-reaksi kimia ini, terjadi hanya dengan menggunakan panas saja. Air dan panas menjadi masukan untuk proses pembentukan kombinasi reaksi- reaksi tenno-kimia. Elemen-elemen pembentuk dan waste heat menjadi keluaran proses. Metode ini adalah salah satu dari metode-metode konversi energi yang mengubah energi tennal menjadi energi hidrogen. Di antara metode-metode konversi energi untuk mengubah energi primer menjadi energi hidrogen, metode tenno-kimia telah mendapat perhatian, karena akan lebih efisien dan cocok untuk aplikasi skala besar,[2.3.4]

Ada beberapa faktor yang harus diperhatikan guna mencapai produksi hidrogen yang efisien, yaitu antara lain sifat penneasi dan daya pisah membran terhadap gas yang akan melewatinya. Jika diinginkan nilai penneasi yang tinggi, maka hal ini mengakibatkan nilai daya pisah menjadi rendah dan sebaliknya. Untuk mendapatkan suatu kemumian gas yang tinggi, untuk itu diperlukan daya pisah yang tinggi pula. Pada percobaan ini telah dibuat suatu membran inelalui metode CVD[2.3,4)sehingga daya pisah terhadap gas yang melewatinya relatif besar yaitu 20 untuk gas H2 terhadap N2 (nilai penneasi H21nilai penneasi N2'T'

20), agar mendapatkan suatu kemumian gas yang relative tinggi. Namun walaupun sudah diperoleh suatu membran yang memiliki daya pisah yang tinggi, juga perlu diteliti sifat stabilitasnya, apakah sifat tersebut dapat bertahan pad a kondisi proses produksi hidrogen tersebut.

Membran silika yang diuji durabilitasnya, dibuat dengan metode CVD selama 24 jam pada

temperatur 450°C dengan tekanan atmosfer. Membran silika dibuat dari tabung alpa alumina sebagai substrat dan pennukaan luar telah mengalami coating dengan ukuran pori rata-rata 0,01 micro meter. Pengujian durabilitas dilakukan sebanyak 8 kali, masing-masing untuk waktu ekspos selama 50 jam. Membran tersebut kemudian diukur kemampuan penneasi terhadap gas masing-masing H2, He dan N2 untuk setiap peningkatan waktu ekspos selama 50 jam.

Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari sifat durabiltas, ketahanan sifat penneasi membran silika pad a kondisi lingkungan proses ( adanya campuran gas

Hlx-H20

dan 12 pada temperature 450°C dengan tekanan atmosfer) sebagai fungsi waktu guna meningkatkan efisiensi dan efektivitas produksi.

DASAR

TEOR!

Pengaruh Temperatur Tinggi dan Kestabilan Termal

Membran diekspos pad a temperatur tinggi, namun belum panas sampai menimbulkan perubahan fasa, hal ini memungkinkan akan terjadi pertumbuhan partikel, yang membuat terjadinya perbesaran pori- pori material. Pada saat dilakukan pengukuran kecepatan aliran gas campuran Hz-HI dan

H20,

terjadi peningkatan aliran hingga nilai penneasi gas-gas tersebut relatif hampir sarna dengan nilai penneasi sebelum dilakukan densifikasi pad a membran. Hal ini juga menunjukkan adanya kerusakan lapisan tipis membran yang telah dibuat dengan metoda CVD tersebut. Besaran atau kecepatan penneasi gas melalui membran dapat dihitung melalui persamaan sebagai berikut [5,6] :

Sx ~p x Q = K dp/dt (\)

Q = Kdp/dt I(S ~P) (2)

Untuk dV/dt = K dp/dt (3)

Maka persamaan (2) menjadi,

Q=(dV/dt)/(S~p) (4)

atau dalam bentuk lain dapat ditulis sbb:

QxSx dt=K(11 ~P)dp (5)

persamaan (5) ini diintegralkan terhadap dp, maka hasilnya adalah persamaan sbb:

Q=K~«-ln(1-(PI/Po»»/S.dt (6)

Dimana :

S : adalah luas pennukaan membran (m2], K : adalah konstanta membran,

~p : adalah perbedaan tekanan antara pennulaan luar dan dalam membran,

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006

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

Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128

31

Y : adalah volume membran, Q adalah

kecepatan permeasi,

PI : adalah tekanan luar permukaan membran, Po : adalah tekanan dalam membran untuk

membran tersebut nilainya adalah 4.39E-08 mLiatm, uadalah kecepatan aliran gas pad a membran tiap menit untuk luas permukaan

Im2 (u= viS [mll(min m2)])

Pemisahan Hidrogen dengan Metoda termo-kimia untuk Produksi Hidrogen.

Hidrogen dapat disimpan dengan berbagai cara dan dapat ditransportasikan untuk jarak jauh dengan kehilangan energi transportasi lebih rendah dibandingkan dengan listrik. Hidrogen adalah bahan bakar ideal dan juga sebagai feedstock industrial. Lebih lanjut lagi, bila diperlukan, energi kimia dari hidrogen dapat dirubah menjadi energi listrik dengan menggunakan fuel cells dll. Semua, gambaran masa depan ini membuat hidrogen menjadi calon yang sangat atraktif dan menjadi energi kedua untuk masa yang akan datang setelah energi nuklir.

Dekomposisi termal air secara praktis tidak terjadi di bawah temperatur beberapa ribu Kelvin. Bagaimanapun, hal itu dapat dilakukan dengan

panas temperatur rendah dengan

mengkombinasikan reaksi endotermik temperatur tinggi dengan reaksi eksotermik temperatur rendah.

PERCOBAAN

Modifikasi Membran dan Permeasi Gas

Tunggal

I. Tabung alumina poros ( diameter luar 5,5 mm; diameter dalam 3,5 mm; panjang 250 mm), disuplai oleh Noritake Co., telah digunakan sebagai support. Tabung mempunyai 3 lapisan struktur yaitu satu lapisan a-alumina sebagai support, yang kedua lapisan a-alumina yang tebalnya sekitar 50 11mdan lapisan ketiga y-alumina dengan ketebalan beberapa (1-2) 11m,

yang memiliki ukuran pori berturut turut masing-masing 111m, 80 nm dan 10 nm. Sebelum perlakuan CVD, support mengalami perlakuan glazed dengan sealant

Si02-BaO-CaO, kecuali bagian yang mengalami permeasi, yang kemudian dikalsinasi pada temperatur 1200°C.

2. Tabung alumina yang telah dikalsinasi diuji sifat kebocorannya dengan memasukkan ke dalam pipa yang berisi air.

3. Kemudian tabung yang tidak bocor

dimasukkan ke dalam peralatan percobaan

CYD dan dilakukan proses sbb: Tabung support ditempatkan di dalam reaktor quartz ( diameter luar 20 mm; diameter dalam 18 mm; panjang 500 mm ) dan ditempatkan dalam pemanas listrik. CVD dioperasikan pada temperatur 450°C dengan dialiri gas pembawa nitrogen pada kecepatan 1,5 - 2,0 limen it dan temperatur TEOS dijaga tetap pada 35°C. Selama perlakuan CVD bagian dalam tabung secara kontinyu dievakuasi oleh pompa vacum rotari (Yan et aI., 1994). Tekanan dalam bagian evakuasi secara kontinyu menurun sebagai mana akibat progress dari CVD. Dalam perlakuan CVD , permeasi dari nitrogen dan helium pada saat tertentu diukur dengan teknik pressure-rise. CVD akan dihentikan pada nilai tertentu dari daya pisah H2/N2 sebagai indikator dari kondisi pori (pore closure). [8,9]

4. Setelah perlakuan CVD temperatur diturunkan secara lambat dengan kecepatan pedingin 60°C/jam.

5. Kemudian membran dimodifikasi dengan cara yang sama dengan proses CVD

6. Membran yang dimodifikasi kemudian disimpan dalam Iingkunan atmosfer

7. Membran yang sudah dimodifikasi dengan teknik CYD tersebut, diukur daya permeasinya 8. Percobaan permeasi gas komponen tunggal gas

Nitrogen dan Hidrogen dioperasikan pada temperatur 450°C. Permeansi diukur berdasarkan teknik pressure-riser Hwang et al ., 1998, 1999)

Membran yang sudah dimodifikasi dengan teknik CYD tersebut, diukur daya permeasinya ( dalam percobaan ini telah diperoleh nilai permeasi masing- masing gas H2, He dan N2 pada temperatur 450°C yaitu 0,6 x 10,9 , 0,7 X 10'7 dan I x 10'8

hingga 0.2 x10'8 ,0,6 X 10,7 dan 0,5 x 10,7mollPa m2 s berturut turut untuk gas N2, He dan H2• Dan

sebagai dampak ekspos tersebut terjadi penurunan daya selektivitas gas H2/N2 dari 16,66 hingga 20,00.

Kemudian membran yang termodifikasi di-ekspose pad a kondisi lingkungan proses sebanyak 4 kali ekspos, masing-masing ekspos: 0,60, 150 dan 250 jam. Setiap mengalami ekspos, sebelum dan sesudahnya dilakukan pengukuran daya permeasinya, hasil permeasi terdapat pada Tabel I.

32 ISSN 0216 - 3128 _{Tumpal Pandiangan}

Gambar 1. Peralatam

percobaan

pengukuran

permeans dan pembuatan membran

dengan metoda CVD.

Gambar

2.

Peralatan ekspose membrane pada

lingkungan proses Gas

campuran

Hlx,I] dan H]O

HASIL DAN PEMBAHASAN

Perhitungan Permeasi

Unjuk kerja membran yang telah dibuat dan dimodifikasi dengan metoda CYO mempunyai kemampuan untuk mengalirkan gas H2 sebesar 0,162 ml/menit dan 0,176 ml/menit masing-masing pad a temperatur 450 dan 600°C. Terlihat pada kolom 6 , baris 3 dan 5, untuk mengalirkan gas H20

nilainya sebesar 0,614 mllmenit dan 0,739 mllmenit masing-masing pada temperatur 450 dan 600°C.

Hasil Perlakuan CYD

Hasil percobaan perlakuan CYO terdapat pada Tabel 2. Percobaan CYO dilakukan dengan peralatan seperti terdapat pada gambar 5 dengan kondisi percobaan yaitu pad a temperatur 600°C selama 10 jam dan tekanan I atmosfer.

Selama 10 jam tabung alumina dialiri oleh gas Si02 dalam bentuk gas yang dibawa oleh gas nitrogen (gas carrier). Setelah proses CYO terse but, dilakukan pengukuran daya permeansi dan daya pisah terhadap masing-masing gas: N2,H2 dan He. Masing-masing nilai daya permeasi dan daya pisah gas tersebut terdapat pad a kolom 3 dan 4 Tabel 2. Nilai permeasi gas He relatif leih besar dibandingkan dengan gas H2 atau N2, sedangkan daya pisah terbesar untuk H2 terhadap N2 adalah sebesar 4.

Tabetl. Data dan hasil perhitungan unjuk kerja membran pada pemisahan gas campuran H2, H20 dan HI pada temperatur 450 dan 600°C

Kecepatan Kecepatan Kecepatan

Luasan _TemperaturAliranAtiran_PerhitunganAliran H2

No rata-rata

carrier

rata-Untuk nilai Yrata-rata

H2O

(X)

(V) rata Iml/minlIml/minl Iml/minl

157703,67 20,06 Y

=

2.5595x 10-7XX 0,162

-450°C 1 luasan H2 Y =-1,316e - 07 + 0,614 450°C 339988,67 20,06 1,2157 x 10e -llx

-2

luasan H2O _{+2,4661 x1Oe-17x2}

171313,67 20,10 Y

=

2.5595 x10.7 XX 0,176600°C 3 luasan H2 y =-t,316e-07 + 385866 20,10 1,2157 xIOe-llx

-0,739_600°C 4

luasan H2O + 2,4661 xIOe-17x2

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

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

TlImpal Palldiangall ISSN 0216-3128 33

TabeI.2. Data hasil CVD pada temperatur 600°C, selama 10 jam pada tekanan

fer dan Dori Dermeasi 10

--Jenis gas

Nilai Nilai daya No.

yangpermeansipisah dipermeansi (mol/PaterhadapmZsl H,

I

N20,2HiN2=4XIO'~ 2 H20,5H2/H2=X 10.7

I

3 He0,6 x_H2/He=5/610.7

Pada Tabel 3 terdapat hasil-hasil permeasi dan daya pisah masing-masing setelah mengalami ekspose diatas pada lingkungan proses produksi yaitu terdapat campuran uap gas Hlx, H2 dan H20 dari campuran cairan Hlx, H2 dan

H20.

Dari hasil pengukuran akibat mengalami ekspose tersebut, terdapat kecenderungan peningkatan nilai permeasi, namun daya pisah antara gas tersebut menjadi menurun.

Tabel.3. Data hasil permeasi gas tunggal Nz,Hz dan He setelah mengalami ekspos selama 50 jam pad a kondisi Iingkungan proses( temperatur 450°C dan tekanan I atm).

Jenis Permeansi

PermeansiPcrmcansiPermcansi No.

kel,Ojam ke 2, 60 jamKe 4,250jamke3,150jam

gas

I

mol/Pa mZ(mol/Pa!mol/Pa!mol/Pas

I

mZmZmZslsls

I

I

Nz0,6 xlO·9_{0,2 x0,6}0,2*10.8X_10.810.8 2 Hz1*10.8_{0,8*0,2*0,5* 110.810.70.7} 3 He_{0,5*10.70,2*0,6* 10,610.710.70.7}

Perubahan durabilitas direpresentasikan oleh adanya perubahan nilai permeasi masing-masing gas yang semakin meningkat, sehingga nilai daya pisah menjadi meurun. Hal ini terjadi, diperkirakan oleh adanya tegangan sisa akibat pendinginan di atmosfer dari suhu 450°C sampai suhu kamar ( sekitar 20°C ). Peningkatan tingkat permeansi dan penurunan tingkat pemisahan terlihat pada Gambar 8. Daya pisah gas Hz dengan He terlihat menurun setelah diatas 60 jam ekpose dan gas N2 dan H2 nilai permeansinya cenderungan meningkat sedangkan He menurun sedikit.

Gambar 3. Graftk an tara permeasi (mol/Pa m2s) terhadap waktu ekspose ljam)

KESIMPULAN

Kestabilan membran untuk permeasi berubah signifikan selama ekspos 60 jam dan daya selektivitas He terhadap Hz menurun yaitu dari 5 menjadi 0,2. Untuk gas Nz terjadi peningkatan nilai permean yang tajam, yaitu mulai dari 0 sampai 150 jam pertama, kemudian perubahan peningkatan

secara perlahan samapai 250 jam berikutnya. Setelah 50 jam pertama nilai permeasi ketiga gas, Nz Hz meningkat dengan percepatan yang relatif sarna besamya. Hasil ini masih perlu ditingkatkan kemampuan durabiltasnya untuk proses yang lebih besar dari 50 jam.

DAFT AR PUST AKA

1. KAORU ONUKI, NAKAJIMA H.,

FUTAKAWA H., IOKA SHIMIZU S.

Thermo-chemical water- spliting for hydrogen production, Proceeding of the eighth International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydrolic Kyoto, Japan, 30 September-4 October 19997, pp. 1803-1809 2. GA VALAS, G. R., MEGIRIS C.E., NAM S.

W., Deposition of H] permselective SiO] films, Chern. Eng. Sci. 44(9) (1989)

3. MEGIRIS C.E., Glezer J.H.E., Synthesis ofHr perms elective membranes by modified chemical vapor deposition. Microstructure and permselectivity of SiO;C/vycor membranes, Ind. Eng. Chern. Res. 31 (1992)

34 ISSN 0216 - 3128 _{Tumpal Pandiangall}

4. HA H. Y., NAM S. W., HONG S.H., LEE W.K., chemical vapor deposilion of hydrogen-permselective silica film on porous glass supports from TEOS,J. Membr. Sci. 85 (1993) 279-290.

5. KIM S., GAY ALAS G.R., Preparation oif H2 permselkective Silica membranes by ltemative

reactant vapor deposition, Ind. Eng. Chern. Res. 34 (I995) 168-176.

6. WU J.C.S., SABOL H., SMITH G.W.,

FLOWERS D.L., LIU P.K.T.,

Characterization of hydrogen- permselective microporousd ceramic membrtanes, J. Membr. Sci. 96 (I 994) 275-280.

TANYAJAWAB

Sunardjo

- Dalam percobaan yang dilakukan sampai mencapai lebih dari 50 jam. Apakah proses ini kontinyu atau tidak, kalau tidak apakah tidak kembali lagi menjadi H2S04 lagi mohon penjelasan?

Tumpal Pandiangan

- Percobaan secara terus menerus dibuat dengan parameter temperatur = 450°C, waktu 50 jam.

Pranudita Anggraita

- Yang disajikan hasil kerja tahun berapa ?

Tumpal Pandiangan

- Hasil kerja tahun 2000, karena tahun 2004 Jaeri, Japan sudah selesai R

&

D nya.

M. Munawir

- Apakah ini sarna dengan laju permeasi ? - Apa saja bahan/atom yang ditahan oleh membran

ini ? maksud kami ukuran terkecil.

Tumpal Pandiangan

- Ya, permeasi artinya adalah kemampuan membran untuk melarutkan gas tertentu, luas membran tertentu, tekan tertentu dan waktu tertentu.

- Yang ditahan adalah selain gas H2• Hal ini dilakukan agar kemumian H2 dapat ditingkatkan.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006

Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jul! 2006