Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014
KAJIAN EKSPERIMEN PERUBAHAN STRUKTUR KRISTAL
PADA PROSES GRAFITISASI
Tundjung Indrati Y Pusat Sains dan Teknologi Akselerator - BATAN
email:tunjung_indrati@.yahoo.co.id
ABSTRAK
KAJIAN EKSPERIMEN PERUBAHAN STRUKTUR KRISTAL PADA PROSES GRAFITISASI. Grafit
adalah bahan yang dapat untuk bahan moderator dengan syarat berderajat nuklir. Salah satu nilai derajat nuklir adalah derajat grafitisasi 0,98 dan menuhi syarat untuk derajat kristalinitasnya . Tujuan penelitian adalah mengidentifikasi derajat kristalinitas grafit yang diperoleh. Parameter yang dikaji dalam penelitian ini adalah penambahan aditif SiO2, bentuk umpan grafisasi pada suhu diatas 1300 oC dan suhu grafitisasi.
Berdasarkan penelitian kajian eksperimen perubahan struktur kristal dapat disimpulkan bahwa penambahan zat aditif SiO2 berpengaruh dalam proses grafitisasi. Hal ini terbukti dari pemonitoran terhadap nilai
crystallite level grafit hasil pemanasan 1300 oC. Nilai paling optimal penambahan SiO
2 pada 0,06-0,08 %.
Bentuk umpan pada proses graftisasi pemanasan 1800 oC ternyata tidak berpengaruh dalam struktur kristal
grafit. Pengaruh suhu grafitisasi terhadap crystallite level grafit sangat jelas demikian juga dengan thermal conductivity grafit. Semakin tinggi suhu grafitisasi maka semakin tinggi derajat grafitisasinya demikian juga thermal conductivitynya. Dari kajian perubahan struktur kristal maka grafit hasil grafitisasi 2400 oC
memenuhi syarat dalam crystallite levelnya dan thermal conductivitynya. Derajat grafitisasi 0,98, nilai kisi kristal a = 3,02 Å dan c = 6,71 Å sedangkan thermal conductivitynya 144,3455 W/m.oK
Kata kunci: struktur kristal, grafitisasi, dspacing, derajat grafitisasi,derajat kristalinitas
ABSTRACT
EXPERIMENTAL STUDY OF CRYSTALL STRUCTURE ON GRAPHITISATION. Nuclear grade
grahite is useful for nuclear reactor moderator. One of the requirements for nuclear grade graphite is graphitisation grade 0,98 and good crystalllite level. The obyective of the researh is dtermined of crytallite level. There parameter on the research were aditive of SiO2, feed form and temperature of graphitisation.
Based on the research the SiO2 aditive influence on the graphitization. The optimal addition was 0,06 – 0,08
%. There crystallite level value on graphite was change on heating 1300 oC . The feed form was not
inffluence on the graphitization.The effect of temperature on crystallite level and thermal conductivity was very clear. More higher of temperature, more higher graphitization degree and thermal conductivity. The crystal structure of graphite was good on crystallite level and thermal conductivity. The graphitisation degree was 0,98 with a = 3,02 Å and c = 6,71 Å, the thermal conductivity was 144,3455 W/m.oK.
Keyword: crystal structure, graphitization, graphitizationdegree, dspassing, crystallite level
PENDAHULUAN
rafit selain digunakan sebagai moderator pada reaktor nuklir digunakan juga sebagai elektroda ,furnace liner, dan komponen plasma. Reaktor nuklir generasi IV kususnya gas cooled Very High Temperature Reactor (VHTR) menggunakan grafit sebagai moderator. Grafit yang digunakan adalah grafit yang mempunyai spesifikasi nuclear grade. Grafit ini merupakan polycrystalline material yang mempunyai derajat grafitisasi tinggi, kemurnian terhadap unsur kimia yang tinggi. Grafit dengan kemurnian tinggi ini untuk meminimalkan fenomena
thermal neutron absorption. Berat jenis yang dipersyaratkan adalah 1,5 – 1,8 g/cm3 dengan
porositas tertentu. Selain mempunyai sifat low absorption of neutrons 4-5 0,2-0,01 mg/g-h, grafit mempunyai thermal conductivity yang tinggi, high temperature strength sekitar 20 Mpa, dan kestabilan
yang tinggi. Kestabilan dimensi dan struktur kristal juga merupakan persyaratan moderator terhadap pengaruh perubahan suhu yang tinggi dan high flux of neutrons. Kristalinitas atau derajat grafitisasi sangat penting karena mempengaruhi sifat thermal conductivity, impurities level, irradiation –induced modifications, stabilitas dimensi untuk menghindari
cracking pada perfomancenya dalam reaktor nuklir dan machinability. Cracking terjadi karena crystallite level tidak terpenuhi. Thermal conductivity untuk grafit sebagai moderator tidak melebihi 145 W/m.oK (1,2,3,4,5,6,7).
Grafit dibuat dari campuran serbuk tar pitch 32 % dan calcine coke 68 %. Tahapan prosesnya meliputi mixing, shaping, firing dan grafitisasi. Pada pembuatan grafit tidak terjadi self sintering materials karena grafit mempunyai koefisien difusi yang rendah walaupun pemanasannya sangat tinggi yaitu
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014 2000 – 2500 oC atau mungkin 3000 oC. Adanya
pengaruh suhu pada proses grafitisasi menyebabkan kristal berubah. Proses grafitisasi akan lebih cepat apabila pada bahan baku pembuatan grafit ditambahkan SiO2 sebagai zat aditif. Adanya
pemanasan bertahap pada proses grafitisasi maka
dspacing grafit yang dihasilkan akan lebih pendek.
Adanya jarak antar bidang makin pendek maka derajat grafitisasi semakin tinggi dan ini mempengaruhi kristalinitas grafit (1,2,3,4,5,6,7).
Persyaratan crystallite level dari grafit untuk bahan moderator adalah derajat grafitisasi 0,98 dengan dspacing 3,3539 Å dimana parameter kisi a
mempunyai nilai 3 Å dan c dua kali dari dspacing(7).
Tujuan penelitian mengenai kajian perubahan struktur kristal pada pembuatan grafit menggunakan proses grafitisasi adalah mengidentifikasi crystallite level grafit yang diperoleh.
TEORI
Pada proses grafitisasi terjadi peristiwa pengembangan kristal, bahan akan menjadi lebih lunak dan machinable, terjadi penguapan impuritas, terjadi peningkatan sifat elektrik dan thermal conductor serta perubahan sifat secara fisik. Oleh sebab itu terjadi penataan atom dan perubahan struktur kristal. Menurut HARRY MARCH (2),
perubahan kristal secara skematis tertera pada Gambar 1. Secara kronologis proses grafitisasi diterangkan pada Tabel 1
Gambar 1. Perubahan Struktur Kristal Gafit Selama Proses Grafitisasi(2).
Tabel 2. Ekspansi Grafit Selama Proses Grafitisasi (2)
No Suhu, oK Ekspansi yang Terjadi 1 27 – 117 Struktur kristal belum ada perubahan
yang berarti tetapi beberapa unsur ketakmurnian telah berkurang karena teruapkan.
2 1123-1473 Struktur kristal sudah berubah tetapi sangat pelan.
3 1173-2073 Perubahan struktur kristal grafit sangat cepat. Derajat grafitisasi kemungkinan sudah dapat diukur 4 1173-2273 Derajat grafitisasi dan crytallite level
dapat diidentifikasi.
5 2773 Konstraksi struktur grafit dan pertubuhan kristal juga mulai dominan. Derajat grafitisasi dan crytallite level dapat diidentifikasi
Atas peristiwa diatas maka dspacing akan berubah
dengan adanya proses grafitisasi sehingga crystallite level dapat ditentukan menggunakan rumus dibawah ini (8,9,10).
Gambar struktur kristal heksagonal secara teoritis tertera pada Gambar 2. Berdasar Gambar 2 maka harga kisi kristal a dapat dihitung karena telah diketahui bahwa nilai c sebesar 2 dspacing yaitu a = 0,4
3,44 = jarak antar bidang karbon secara teoritis
d002 = jarak antar bidang
3,36 = jarak antar bidang grafit secara teoritis
Gambar 2. Struktur Kristal Grafit(11)
Thermal conductivity diketahi dengan mengalikan besaran 0,1116 x 10-6 dengan satuan
kcal/m.jam.oC terhadap harga resistivitas yang
besarannya µΩcm. Resistivitas dapat diketahui dengan pengukuran pellet menggunakan Ohmmeter dan ukuran dimensi pellet grafit
TATA KERJA
Pembuatan pellet mentah menggunakan bahan
calcine coke sekitar 68 % dan Tar Pitch sekitar 32 %. Katalisator yang digunakan SiO2 denganvariasi
0,04 %, 0,06 %, 0,08% dan 0,1%. Pellet dipanggang 900 oC dengan soaking time 2 jam. Setelah dingin
sebagian dihancurkan sebagian diukur dimensi dan nilai resistivitasnya. Sebagian serbuk dianalisis mengggunakan X-ray difraction (XRD). Pellet dan serbuk hasil pemanggangan dipanaskan 1300 oC
-1500 oC, soaking time 2 jam. Setelah dingin,
dikarakterisasi lagi untuk untuk penentuan derajat grafitisasinya dan dimensi pellet. Pengaruh penambahan aditif SiO2 dapat ditetapkan pada tahap
ini. Sebagian pellet dan serbuk hasil grafitisasi pertama dipanaskan dengan proses grafitisasi lanjut sampai suhu 2400 oC atau 2500 oC. Soaking time
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014 tungku masih dalam kondisi ujicoba. Setelah dingin,
grafit dikarakterisasi menggunakan XRD sehingga
crystallite level dapat ditentukan meliputi derajat grafitisasi,nilai kisis kristal a dan c , densitas dan resistivitas.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh Penambahan Zat Aditif SiO2
Studi pengaruh penambahan zat aditif terhadap perubahan struktur kristal pembuatan grafit pengamatannya dilakukan sampai suhu 1300 oC.
Kajian ini disajikan dengan harga derajat grafitisasi dan kisi kristal yang merupakan kelengkapan dari parameter crystallite level (Tabel 2 dan Gambar 3). Pengaruh penambahan zat aditif SiO2 berpengaruh
terhadap perubahan dspacing walaupun hanya sekitar
0,002 namun untuk derajat grafitisasinya hal ini akan berarti. Semakin banyak zat aditif yang ditambahkan maka akan semakin pendek jarak antar bidang atom. Peristiwa difusi atom semakin cepat sehingga atom semakinn merapat. Akibat hal tersebut maka derajat grafitisasi semakin tinggi. Penambahan SiO2
sebanyak 0,06 %, 0,08 % dan SiO2 0,1 % mempunyai
derajat grafitisasi yang sama yaitu 0,6. Dari data yang diperoleh, penambahan SiO2 lebih besar tidak
akan berpengaruh, hal ini karena terjadi kejenuhan gerak atom pada penambahan 0,08 % dan 0,1 %. Penambahan SiO2 mempunyai pengaruh yang
terbatas pada gerak atom pada proses grafitisasi. Oleh karena derajat grafitisasi semakin tinggi maka kisi kristal a dan c semakin pendek namun masih jauh dari persyaratan harga a = 3 Å .
Tabel 2. Pengaruh Penambahan Zat Aditif SiO2
Terhadap Data Crystallite Level Grafit Hasil Pemanasan 1300 oC.
Gambar 3. Pengaruh Penambahan Aditif SiO2
Terhadap Parameter Crystallite Level
Grafit.
Pengaruh Bentuk Umpan
Pembentukan bahan bakar reaktor suhu tinggi (VHTR) bentuk bola memerlukan grafit dengan bentuk serbuk. Umpan dalam proses pembuatan grafit untuk proses grafitisasi pada suhu diatas 1300
oC berbentuk dua macam yaitu berbentuk serbuk dan pellet. Grafit yang berbentuk serbuk dapat langsung untuk membentuk bahan bakar bentuk bola. Grafit yang berbentuk pellet dapat digunakan untuk menentukan spesifikasi grafit baik sifat kelistrikannya, berat jenis, sifat mekanik, sifat sifat thermal lainnya dan mengidentifikasi adanya
cracking. Bentuk umpan proses grafitisasi perlu dipastikan berpengaruh atau tidak dalam karakter grafit terutama terhadap derajat kristalinitasnya. Perubahan struktur kristal tersebut dinyatakan dalam harga dspacing, derajat grafitisasi dan kisi kristal a dan
c. Pada Tabel 3 dspacing untuk umpan bentuk serbuk
maupun pellet harga dspacingnya tidak begitu berbeda
demikian halnya dengan derajat grafitisasi dan harga kisi kristal a dan c. Atas hal tersebut kecepatan gerak atom C baik dalam bentuk serbuk dan pellet akibat pemanasan sama. Pengaruh titik kontak antar butir pada pellet sebagai salah satu potensi menaikkan energy pergerakan atom sudah tidak ada. Hal ini karena titik kontak tersebut sudah berubah menjadi bidang kontak. Pori pori antar butir semakin lama semakin tertutup sehingga terjadi fenomena densifikasi pada pellet. Terbukti adanya data perbedaan densitas pellet hasil pemanasan 1300 oC
dan 1800 oC tidak begitu berarti yaitu 1,78 menjadi
1,8 g/cm3. Oleh sebab itu maka gerak atom yang
terjadi pada proses grafitisasi antara suhu 1300 oC
dan 1800 oC adalah gerak atom C akibat adanya
pemanasan. Hasil identifikasi crystallite level dari grafit dengan bentuk umpan yang berbeda tidak jauh berbeda.
Pengaruh Suhu Grafitisasi
Difraktogram grafit hasil grafitisasi dapat untuk mempelajari perubahan struktur kristal. Berdasar difraktogram tersebut terlihat bidang 001 dari struktur kristal yang terbentuk selalu menduduki pada harga 2θ=28o. Intensitas dari puncak bidang 001
semakin meningkat seiring dengan suhu grafitisasi (Gambar 4).
Tabel 3. Pengaruh Bentuk Umpan Terhadap Data
Crystallite Level Grafit Hasil Pemanasan 1800 oC Penambahan Aditif SiO
2 : 0,08%.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014 Pengaruh Suhu Grafitisasi
Difraktogram grafit hasil grafitisasi dapat untuk mempelajari perubahan struktur kristal. Berdasar difraktogram tersebut terlihat bidang 001 dari struktur kristal yang terbentuk selalu menduduki pada harga 2θ=28o. Intensitas dari puncak bidang 001
semakin meningkat seiring dengan suhu grafitisasi (Gambar 4).
Gambar 4. Pengaruh Suhu Grafitisasi Terhadap Intensitas Puncak Difraktogram Bidang
001
Hasil Pemanasan suhu 900
oC Hasil Pemanasan suhu 1300 oC
Hasil Pemanasan suhu
1800 oC Hasil Pemansan Suhu 2000 oC, tanpa soaking
time
Hasil Pemanasan Suhu 2000 oC dengan soaking
time
Hasil Pemanasan Suhu 2400 oC
Gambar 5. Perubahan Struktur Krisal Pembuatan Grafit.
Data intensitas pada Gambar 4 didukung dengan data difraktogram pada Gambar 5. Pada Gambar 5 terlihat perubahan difraktogram grafit akibat suhu pemanasan pada grafitisasi. Berdasar difraktogram ini maka perubahan struktur kristal grafit dapat dikaji dengan menyatakan data crystallite level . Pengaruh suhu proses grafitisasi terhadap crystallite level
disajikan pada Tabel 4 dan Gambar 6. Kajian
perubahan struktur kristal grafit hasil grafitisasi lebih mudah dengan Gambar 6. Jelas terlihat bahwa perubahan kisi kristal a dan c sangat pelan demikian juga dengan dspacing hal ini karena difusi atom C
hanya mengandalikan pada perubahan suhu.
Tabel 4. Pengaruh Suhu Terhadap Data Crystallite Level Grafit
No Suhu, oC dspacing
Derajat grafitisa
si
kisi kristal
(a),Å
kisi kristal
(c),Å 1 900 3,39 0,52 3,055752 6,79
2 1300 3,387 0,68 3,04 6,775
3 1500 3,375 0,75 3,038 6,75
4 1800 3,365 0,872 3,02 6,73
5 2000 3,356 0,968 3,02 6,713
6 2400 3,355 0,98 3,02 6,71
Gambar 6. Pengaruh Suhu Terhadap Perubahan Parameter Crystallite
Hasil identifikasi parameter crystallite dari derajat grafitisasi sudah memenuhi syarat .Derajat grafitisasi senilai 0,98, sedangkan kisi kristal a senilai 3,02 Å hampir mendekati persyaratan 3 Å. Persyaratan mengenai thermal conductivity grafit untuk moderator ternyata dicapai pada pemanasan 2400 oC. Harga thermal conductivity yang dicapai
senilai 144,34 W/m.oK sudah sesuai dengan yang dipersyaratkan. Data hasil penelitian yang disajikan pada Tabel 5 dan Gambar 7 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu grafitisasi maka tahanan jenis atau resistivitas semakin kecil tetapi thermal konductivitynya semakin naik. Hal tersebut dapat difahami karena dspacing makin pendek, kisi kristal juga makin pendek sehingga dimugkinkan tidak ada hambatan baik itu celah antar atom maupun impuritas.
Tabel 5. Pengaruh Suhu Grafitisasi Terhadap Resistivitas dan Thermal Conductivity
oC Resistivitas, x 100
(Ohm.µ.cm)
Thermal Conductivity,x1000
(kcal/m.h.oC)
Thermal Conductivit y, (W/m.oK)
900 102 0,109412 1,273637
1500 7,65 1,458824 16,98182
1800 2,1 0,531429 61,86236
2000 1 1,116 129,9109
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2014 Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta, 10 - 11 Juni 2014 Gambar 7. Pengaruh Suhu Terhadap Resistivitas dan
Thermal Conductivity.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian kajian eksperimen perubahan struktur kristal dapat disimpulkan bahwa penambahan zat aditif SiO2 berpengaruh dalam
proses grafitisasi. Hal ini terbukti dari pemonitoran terhadap nilai crystallite level grafit hasil pemanasan 1300 oC. Nilai paling tinggi penambahan SiO
2 pada
0,06-0,08 %. Bentuk umpan pada proses graftisasi pemanasan 1800 oC ternyata tidak berpengaruh
dalam struktur kristal grafit. Pengaruh suhu grafitisasi terhadap crystallite level grafit sangat jelas demikian juga dengan thermal conductivity grafit. Semakin tinggi suhu grafitisasi maka semakin tinggi derajat grafitisasinya demikian juga thermal conductivitynya. Dari kajian perubahan struktur kristal maka grafit hasil grafitisasi 2400 oC
memenuhi syarat dalam crystallite levelnya dan
thermal conductivitynya. Derajat grafitisasi 0,98, nilai kisi kristal a = 3,02 Å dan c = 6,71 Å sedangkan
thermal conductivitynya 144,3455 W/m.oK
UCAPAN TERIMAKASIH
Terimakasih kepada Sdr Taryadi yang telah membantu dalam penelitian mengenai grafitisasi khususnya dalam penyiapan umpan.
DAFTARPUSTAKA
1. Anonim, 2010, High Temperature Gas Cooled Reactor Fuels and Materials, AEA-TECDOC-1645,VIENA.
2. Harry Marsch, 2006, Graphite Production and Futher Processing, SGL Carbon Group. 3. Tundjung Indrati Y., 2007, Peningkatan
Pembuatan Grafit Menggunakan Katalis SiO2 Pada Suhu Kurang dari 2000 oC,
Laporan Teknis PTAPB No:2.49/106/2007 4. Tundjung Indrati Y., 2008, Pengaruh
Granulasi Bertahap Diatas Suhu Panggang Terhadap Pembentukan Grafit Mengguna-kan Katalis SiO2, Laporan Teknis PTAPB
No:2.34./195/2008
5. Dijulio.,D.D, Hawari.A.L,2009, Examina-tion of Reactor Grade Graphite Using Neutron Powder Diffraction, Journal of Nuclear Materials, 225-229.
6. Seung Kuk Seo, Jae Seung Roh, Suk Hwan Kim, Se Hwan Chi, Eung Scon Kim, 2011, Thermal Emissivity of Nuclear Graphite as a Function of its Oxidation Degree (3): Structural Study Using Scanning Electron Microscope and X-Ray Diffraction, Carbon Letters, Vol 12, No 1, pp 8-15.
7. Marsden B.J, 2002, Nuclear Graphite for High Temperature Reactor, AEA Technology, Resley, Warrington, Cheshire, WA3 6AT,UK
8. Frank R.Feret, 1998, Determination of Crystallinity of Calcined and graphiteic coke by X-Ray Diffraction, Analyst, Vol 123 hal 595 – 600.
9. Marcel Dekker, Thrower PA, 1999, Crystalinity of Graphite, Chemistry and Physics of Carbon, New York, Vol 22, 10. Seo SK, Roh JS, Kim ES, Chi SH, Kim SH,
Lee SW, 2009, Crystalized Graphite, Carbon Lett Vol 10, 300.
11. Leonid Zhigilei, 2010, Introduction to The Science and Engineering of Materials, University of .
TANYA JAWAB
MV Purwani
- Bagaimana solusi untuk ketidakmurnian terutama Boron?
Tundjung Indrati Y.
- Fasilitas proses harus memenuhi syarat yaitu bebas dari Boron. Analisis Boron yang menggunakan AAS di PSTA tidak dapat karena elektrodanya sama-sama dari grafit.
