PERCEPATAN REAKSI KIMIA DENGAN PEMANASAN MIKROWAVE

PERCEPATAN REAKSI KIMIA DENGAN PEMANASAN MIKROWAVE

I.N. Sudiana dan M. Zamrun Firihu

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Halu Oleo, Kendari, Sulawesi Tenggara, 93231

E-mail : nyoman.sudiana@uho.ac.id

Abstrak

Penelitian ini untuk membuat silica keramik dengan menggunakan energi mikrowave. Silika diproduksi dari sekam padi yang diperoleh di persawahan di Sulawesi Tenggara. Silika yang diperoleh memiliki kemurnian rata-rata 93.8 %. Silika ini di buat pellet lalu disinterring sampai suhu 1100 oC untuk mendapatkan keramik dengan kualitas tinggi. Mikrowave yang digunakan dari hasil modifikasi oven microwave komersial. Hasilnya dibandingkan dengan pemanasan biasa (dengan tanur listrik). Hasil ekperimen menunjukkan perbedaan yang signifikan dibandingkan keramik hasil pemanasan biasaterhadap sifat-sifat keramik. Ini menunjukkan bahwa ada ‘microwave effect’ terhadap silika selama sintering.

Kata Kunci_{: mikrowave, reaksi kimia, microwave effect.}

I. PENDAHULUAN

Mikrowave belakangan ini

diaplikasikan di berbagai bidang

kehidupan. Dalam bidang kimia,

pemanasan dan sumber energi pada proses

kimiawi memanfaatkan kemampuan gerak

molekul dan dipole dalam bahan atau

ion-ion konduksi dalam zat yang beperan

mengubah energi ektromagnetik menjadi

panas. Reaksi kimia dengan memanfaatkan

mikrowave umumnya cepat, bersih dan

ekonomis, namun tetap mempertahankan

hasil reaksi dan ramah lingkungan

dibandingkan dengan metode

konvensional. Oleh karena itu mikrowave

diyakini sebagai teknologi masa depan

[1]. Pada proses konvensional energi

termal ditransfer ke material melalui

konveksi, konduksi, dan atau radiasi panas

dari permukaan material. Sebaliknya

energi mikrowave ditransfer langsung pada

material melalui interaksi molekul dengan

medan elektromagnetik [2]. Mikrowave

dapat diterapkan untuk pembuatan

biomass, berbagai tehnik pretreatment

seperti eksploitasi steam, hidrotermal,

ultrasound, dan oksidasi basah telah

dilakukan untuk lignoselulosa biomassa.

Mikrowave pretreatment merupakan

reaksi menjadi lebih cepat [4].

Pretreatment menggunakan mikrowave

yang dipadukan dengan penambahan

NaOH dapat meningkatkan kadar selulosa

batang pisang kepok dibandingkan dengan

metode konvensional [4].

Namun sampai saat ini mekanisme

bagaimana mikrowave meningkatkan

reaksi kimia masih dalam perdebatan.

Beberapa penelitian mengemukakan teori

tentang keberadaan gaya tambahan

(ponderomotive force) ataupun karena

munculnya titik-titik panas baru (new

hotspot) dalam bahan yang bereaksi

selama di radiasi oleh mikrowave. Dalam

tulisan ini dianalisis beberapa hasil

microwave pada reaksi kimia.

II. Mekanisme absorpsi microwave

Saat radiasi microwave diberikan

pada material, beberapa mekanisme

termodinamik bahan.

Secara umum rata-rata energy yang diserap persatuan volume oleh bahan adalah:

dari ruang hampa. Mekanisme pemanasan

oleh komponen medan E dari microwave

diperlihatkan pada Gambar 1 [6]. Medan E

menyebabkan osilasi dari dipole dan ion,

osilasi ini diteruskan ke menjadi vibrasi

kisi dan selanjutnya meningkatkan suhu

benda akibat gerak molekul.

Gambar 1 Konversi energi selama pemanasan microwave oleh komponen medan E [6].

Penyerapan energi ini menyebabkan kenaikan temperature dari bahan,

sesuai

dengan Persamaan 2 [5]. Nampak dari persamaan 2 bahwa laju kenaikan suhu sangat

bergantung pada sifat bahan.

ε ε

(2)

Dimana ε dielectric loss efektif, f adalah frekuensi ( Hz), Erms akar rata-rata kuadrat dari

medan E( V/m), adalah kerapatan ( kg/m3 ) dan Cp adalah kapasitas panas benda

( J/kgoC). Mekanisme serapan gelombang elektromagnetik pada bahan sangat bergantung

pada frekuensi gelombang EM selain suhu dan sifat termodinamik benda lainnya.

Kebergantungan pada frekuensi digambarkan seperti pada Gambar 2.

dan atau tekanan yang tinggi tidak

menimbulkan kerusakan pada microwave.

Gambar 3 dan 4 salah satu contoh desain

kimia dalam pengukurannya.

Gambar 3. Rancangan tabung reaksi untuk mikrowave yang dilengkapi dengan pengaman dan multitabung [6]

Gambar 4. Microwave raktor kimia (kiri) yang dilengkapi dengan pengukur suhu fiber optic dan reactor konvensional (kanan) [6]

III. HASIL-HASIL EKPERIMEN MIKROWAVE MEMPERCEPAT REAKSI KIMIA

Dibawah ini ditampilkan efek microwave terhadap beberapa proses kimiawi.

Walaupun penjelasan teoritiknya belum memadai dapat ekperimen ini dapat diulang dan

menghasilkan hasil yang mengindikasikan bahwa ada percapatan proses akibat gelombang

microwave.Tabel 1 menunjukkan proses kimia dan perbandingan hasilnya dengan

microwave dan cara konvensional.

Tabel 1. Perbandingan hasil reaksi menggunakan radiasi microwave dan metode konvensional [1]

Reaksi Durasi (menit) % Hasil

Konvensional Microwave Konvensional Microwave

Sintesis Fluoresein 600 35 70 82

Kondensasi pada

benzoin dengan Urea 60 8 70 73

Reaksi Biginelli 360 35 70 75

Sintesis Aspirin 130 1 85 92

Hasil lain adalah percepatan reaksi Mannich (Gambar 5) dan efek microwave ditampilkan

Tabel 2. Perbandingan hasil reaksi Mannich menggunakan radiasi microwave dan metode konvensional (oil bath)

Metode Reaksi Suhu (oC) Waktu Hasil (%) Mikrowave (7 W)

Reaksi Mannich

65 5 jam 79

Mikrowave (57 W) 65 5 jam 83

Konvensional 65 5 jam 81

Percepatan oksidasi dari benzyl alcohol pada microwave prosessing dilaporkan oleh

ddd,dkk [7]. Dari grafik ini menunjukkan bahwa oksidasi dari benzyl alcohol pada

microwave (MW) jauh lebih cepat dibandingkan dengan konvensional(CH).

Gambar 6. Oksidasi dari benzyl alcohol pada microwave (MW) dan konvensional(CH) heating [7]

Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa

microwave mempercepat reaksi kimia.

Pemanasan dengan cara radiasi microwave

adalah proses yang sangat efisien dan

menghasilkan penghematan energi yang

signifikan. Hal ini terutama karena

microwave memanaskan hanya sampel

bukan wadahnya. Sebuah contoh khas

adalah penggunaan radiasi gelombang

mikro dalam proses pengabuan. Sebagai

sistem pengabuan bisa mencapai suhu

lebih dari 800 ° C dalam 50 menit

dibandingkan dengan cara konvensional

yang lama [8].

Gambar 7 Pemanasan reaksi kimia dengan konvensional (kiri) dan microwave (kanan)

Pemanasan dengan radiasi

microwave tidak seperti metode

pemanasan konvensional, yang

memberikan pemanasan merata di seluruh

campuran reaksi (Gambar 2), yang

meningkatkan suhu dari seluruh volume,

dimana pada pemanasan dalam

konvensional seperti dengan tabung

minyak panas (oil bath) dimana bagian

dinding yang pertama-tama dipanaskan

diikuti dengan campuran reaksi yang

kontak langsung dengan dinding pembuluh

sebelum tersebar ke bahan yang bereaksi

(Gambar7).

Walaupun banyak hasil menunjukkan

microwave mempercepat proses kimiawi

namun beberapa ilmuwan meragukannya.

Hal ini karna susahnya membuat

pengukuran temperature yang akurat

selama reaksi sehingga beberapa peneliti

mengklaim bahwa perbedaan hasil tersebut

bukan karna microwave tapi karna

perbedaan suhu dari reaktan. Analisis dari

level energi diuraikan berikut ini.

Tabel 3. Frekuensi microwave, panjang gelombang, dan energi photon

Frekuensi (GHz) Panjang Gelombang

(mm)

Energi (eV)

0.3 1000 1.24 x 10-6

300 1 1.24 x 10-3

Tabel 4. Level energi ikatan atom

Energi level Gerak Brown (200 K)

Ikatan Hidrogen

Ikatan kovalen Ikatan Ionik

Nampak dari level energi dari microwave

dan ikatan antar atom dan driving force

untuk reaksi kimia menunjukkan bahwa

kecil kemungkinan secara langsung foton

dari microwave mempercepat reaksi.

Namun microwave menimbulkan spot-spot

panas seperti yang dilaporkan oleh hamper

semua peneliti. Hal ini menimbulkan

gradient suhu dalam reaktan sehingga

kemungkinan mampu mempercepat reaksi

seperti hasil ekperimen yang dilaporkan

para peneliti sebelumnya.

IV KESIMPULAN

Mikrowave mempercepat reaksi kimia di

klaim oleh para peneliti. Hasil-hasil

ekperimen belakangan ini menunjukkan

kesesuaian dengan prediksi para ilmuwan.

Namun penjelasan teoritik dari hasil-hasil

tersebut belum memadai. Gradient suhu

dalam reaktan akibat radiasi microwave

kemungkinan salah satu penyebabnya.

REFERENSI

[1] Gaba, M., Dhingra N. 2011. Microwave chemistry: General Features and Applications. Indian Journal of Pharmaceutical Education and Research.

[2] Thostenson E.T., Chou T.W. 1999. Microwave processing : Fundamental and Applications, Elsevier Composites : Part A 30 (1999) 1055-1071.

[3] Kannan S., T. Ahmed A.S, Ani F. N, 2013. Advanced Materials Research Vol. 701 (2013) pp 249-253.

[4] Rosyidin K., K. Yusuf, 2015., Prosiding Simposium Nasional Inovasi dan Pembelajaran Sains 2015.

[5] Sutton, W. H., , Microwave Solutions for Ceramic Engineers, Am. Cer. Soc., Ed.by D.E. Clark, D.C. Folz, C.E. Folgar, M.M. Mahmoud ,

pp. 35-65 ( 2005).

[6] K.I. Rybakov, E.A. Olevsky, E.V. Krikun,2013, , J. of American Ceramic Society 96 (4), 1003-1020

[7] Proefschrift, 2009, thesis, Eindhoven University of Technology.

[8] Taylor M, Atri SS, Minhas S.2005. Evalueserve analysis: Developments in microwave chemistry.