ANALISA KESTABILAN TERMAL MEMBRAN γ Al
2O
3DAN
MATRIKS α-Al
2O
3UNTUK PEMISAHAN GAS H
2Tumpal Pandiangan
Pusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuklir – BATAN
ABSTRAK
ANALISA KESTABILAN TERMAL MEMBRAN γ-Al2O3 DAN MATRIKS α-Al2O3 UNTUK PEMISAHAN GAS H2. Lapisan γ-Al2O3 direduksi porositasnya dengan mengalirkan larutan TEOS secara
CVD (Chemical Vapour Devosition) pada lapisan γ-Al2O3. Alpha alumina (α-Al2O3) 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 γ-Al2O3 akibat
dipanaskan dari 400oC hingga 1300oC diamati dengan difraksi sinar-X sedangkan permukaannya diamati
dengan scanning electron microscope (SEM). Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa fasa alpha (α) tumbuh mulai dari suhu 400°C hingga 1300°C, sedangkan α-Al2O3 yang dibuat dengan proses sol-gel
tumbuh pada suhu 1200oC. Lapisan γ-Al
2O3 pada kisaran suhu kamar hingga 1300oC adalah relatif stabil,
namun pada temperatur sekitar 1100oC tampak puncak endotermik relatif yang kecil. Pada permukaan
lapisan γ-Al2O3 terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O2 dan H2. Hasil uji
permeasi γ-Al2O3 adalah 1 x 10-8 mol/Pa m2 s, 0,8 x 10-8 mol/Pa m2 s dan 0,6 x10-8 mol/Pa m2 s
masing-masing untuk gas N2, He dan H2.
ABSTRACT
THERMAL STABILITY ANALYSIS OF THE γ-Al2O3 MEMBRANE AND α-Al2O3 MATRIX FOR H2 GAS SEPARATION. The γ-Al2O3 layer had been reduced it’s porosities by draining the TEOS solution to it’s layer as CVD method. The α-Al2O3 had been made by sol gel method. The thermal stability of both
alumina were observed from room temperature to 1300oC by means of DTA method. The growth of γ-Al 2O3
layer that was heated from 400oC to 1300oC 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 400oC to 1300oC, but the α-Al
2O3 that was made by sol-gel method grow-up at 1200oC. In the range from
room temperature to 1300oC γ-Al
2O3 layer is stable but at a round of 1200oC an endothermic small peak
appear. On the γ-Al2O3 surface Si element is more than H2 and O2 elements. The results of permeance
testing of the γ-Al2O3 layer is of 1 x 10-8 mol/Pa m2 s , 0,8 x10-8 mol/Pa m2 and 0,6 x10-8 mol/Pa m2 s for
N2, He and H2 gaseous respectively.
Key words : CVD, Permeance, TEOS, γ-Al2O3, α-Al2O3
PENDAHULUAN
engingat keterbatasan energi fossil dan besarnya tingkat pencemaran yang 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]
M
Walaupun efisiensi termal dapat ditingkatkan, namun untuk aplikasi produksi hidrogen diperlukan pengujian ketahanan termal
material produksi khususnya membran dan matriks yang dioperasikan pada berbagai temperatur, khususnya ketahanan termal pada kondisi lingkungan proses produksi hidrogen[4]. Ketahanan
termal baik untuk α-Al2O3 maupun untuk γ-Al2O3
diuji dengan menggunakan alat DTA sedangkan kemampuan permeasi γ - Al2O3 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 empat macam proses yaitu : proses kontrol presipitat, proses dekomposisi garam, proses konvensional atau biasa disebut sebagai proses bayer dan proses sol-gel[5,6,7,8]. 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 kemurnian 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 difraksi 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 pada 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 tersebut mempunyai sifat fisis yang berbeda. [4,5]. Tujuan penelitian ini adalah menganalisa kestabilan termal dan kemampuan permeasi membran γ-Al2O3 yang telah dibuat
dengan metode CVD dan kestabilan termal matriks α-Al2O3 yang dibuat dengan metode sol-gel.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Dalam penelitian ini, bahan yang digunakan
adalah Alumina tritert butoxide
[(C2HSCH(CH3)0)3Al], air (H2O), HCl dan
alat-alat berupa neraca analitik, peralat-alatan gelas, termometer, magnet stirrer, ruang pemanas, pengukur pH, XRD, DTA, MO dan SEM
Metode Penelitian
Satu mol serbuk aluminum tritert butoxide [(C2HsCH(CH3)0)3Al] dicampur dengan 100 mol
air (H2O) dan diaduk sampai homogen. Setelah
bomogen, pada suhu 90°C campuran tersebut dipeptisasi dengan katalis asam, 0,2 mol HCl. 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, 700°C, 800°C, 900°C, l000°C, 1100°C, 1200°C dan 1300°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
dfferential thermal analysis (DTA) dan
thermogravimetric analysis (TGA). Fasa-fasa yang
terjadi pada setiap sampel ditentukan dengan X-ray
diffractometry (XRD). Identifikasi fasa dilakukan
dengan menggunakan metode Hanawalt secara
manual dan analisis kuantitatif dilakukan pada pola
difraksi 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 1.Menunjukkan pola difraksi alumina yang telah dipanaskan pada suhu 90oC,
300oC, 400oC, 500oC, 600oC, 700oC, 800oC, 900oC,
1000oC, 1100oC, 1200oC dan 1300oC di mana B
menunjukkan fasa boehmite. Fasa ini terdapat
pada suhu kalsinasi 90,300,400 dan 500oC.. γ menunjukkan fasa gamma. Fasa gamma terbentuk mulai suhu kalsinasi pada 400, 500, 600, 700, 800 dan 900oC. δ menunjukkan fasa delta. Fasa θ
terbentuk pada temperatur kalsinasi 900, 1000oC
menunjukkan fasa theta dan alpha menunjukan fasa
alpha. Fasa boehmite terbentuk pada suhu 90°C-
300°C. Sebagian fasa boehmite bertranformasi menjadi gamma pada suhu 400°C-500°C dan fasa
gamma terbentuk sempurna pada suhu 600°C-
800°C. Fasa delta terbentuk sempurna 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 1300oC. Pada kurva DTA 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. Pada pengamatan ini, transformasi dari fasa gamma ke delta, delta ke theta tidak terdeteksi. Namun demikian, pada daerah transformasi tersebut menunjukkan adanya peristiwa dekomposisi.
Gambar 3. Pola difraksi sinar untuk γ-Al2O3
dari suhu 500 hingga 1300oC
Gambar 3 merupakan pola difraksi sinar untuk γ-Al2O3 yang dipanaskan dari suhu 400oC
hingga 1300oC. Pola difraksi ini menunjukkan
terjadinya pertumbuhan fasa alpha alumina. Gambar 5 adalah thermogram DTA-TG sample γ-Al2O3 dari temperatur kamar hingga 1300oC.
Thermogram ini menunjukkan kestabilan termal higga suhu 1100 oC , di atas suhu ini terjadi puncak
endotermik yang relatif kecil.
Proses Sol-Gel dilakukan dengan mencampur 1 mol ATB [C2H5CH(CH3)0)3Al]
dengan 100 mol air (H2O) menghasilkan larutan
hidroksil alkoksida dan butanol. Reaksi kimianyaadalahsebagai berikut:
[(C2HSCH(CH3)0)3Al] + H2O →
Al(C2HSCH(CH3)O)OH + C4H9OH.
Gambar 4. Thermogram DTA-TG sample γ-Al2O3 dari temperatur kamar hingga
1300oC.
Pada proses hidrolisa ini, sebagian besar butanol menguap. Ketika diberikan suhu sebesar 90°C dan katalis asam 0,2 mol HCl, campuran tersebut kemudian menjadi gel. Reaksi kimianya sbb. :
2Al(C4CH(CH3)OH(OH) + H2O + 0,2 Mol HCl →
C2H5CH(CH3)O-Al(OH)-O-Al(OH)HOC4CH(CH3) +
2CH90H.
Proses polimerisasi ini menghasilkan polimer dan butanol. Pada proses ini, sebagian butanol menguap. Selanjutnya gel dipanaskan pada suhu ini sampai kering.
C4CH(CH3)O-Al(OH)-A1(OH)-OC4CH(CH3) →
2CH90H + 2 AlOOH pada 90°C.
Pada proses pengeringan ini, sebagian molekul air dan sisa butanol menguap. Pada rangkaian peristiwa tersebut, Kurva DTA dan TGA Gambar 2 menunjukkan adanya peristiwa evolusi air dan alkohol. Pada kurva DTA, 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 DTA menunjukkan bahwa fasa ini terbentuk dengan melepaskan energi sebesar 3037,758 mJ (puncak eksotermik pertama). Pada peristiwa ini, terjadi pe1epasan sisa air dan alkoho1 [9] serta terbentuknya struktur kristal ortorhombik sehingga mengakibatkan pengurangan massa sebesar 24,194% (kurva TGA).
Pada suhu 400°C-500°C, sebagian besar fasa
Menurut Urretavizcaya et al. (1998), transformasi ini terjadi karena adanya pe1epasan gugus OH. Sedangkan menurut Clark et al. (1984), dengan menggunakan FT -IRRS, pada peristiwa ini terdeteksi adanya evo1usi struktur air dan HC1.
Pada kurva DTA, peristiwa ini menyerap energi sebesar 599,347 mJ (puncak endotermik kedua). Pada suhu 600°C- 700°C, fasa gamma terbentuk sempurna 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 sempurna pada suhu 900°C. Peristiwa termal pada transfornalasi gamma menjadi delta tidak terdeteksi, baik oleh DTA maupun TGA. Transformasi delta menjadi theta tidak terdeteksi oleh DTA mupun TGA karena energi yang terlibat da1am transformasi ini kecil dan kemungkinan transformasi yang terjadi merupakan transformasi orde kedua yang hanya bisa dideteksi dengan DSC. Pada transformasi ini, struktur tetragona1 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 600oC
adalah 5,05 dan angka ini menunjukkan lebih tinggi dari daya pisah berdasarkan prinsip knudsen
diffusion.
Gambar 5. Permeasi gas H2, N2 dan He
Permeasi melalui membran dihitung dengan menggunakan persamaan P(mol/Pa m2 s) = F/ (A∆ρi) . P adalah permeasi (mol/Pa m2 s), F adalah
banyaknya gas permeating tiap satuan
waktu(mol/s), A adalah luas permukaan membran (m2) dan ∆ρi adalah perbedaan tekanan parsial
membran. Pada permukaan lapisan γ-Al2O3
terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O2 dan H2.
Gambar 6 menunjukkan hasil X-ray pada permukaan lapisan γ-Al2O3 dengan metode EPMA.
Pada permukaan lapisan γ-Al2O3 terdapat
intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O2 dan Al, 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.
Gambar 6.
Gambar 6. X-ray X-ray pada permukaan lapisan pada permukaan lapisan γγ-
-Al
Al22OO33 dengan metode EPMA dengan metode EPMA
KESIMPULAN
Lapisan γ-Al2O3 menunjukkan adanya
kestabilan termal dari temperatur kamar hingga 1100oC, sedangkan alumina hasil proses sol-gel
mengalami evolusi termal. Evaluasi yang terjadi adalah antara suhu 90oC-300oC berupa fasa
bohtmite, antara suhu 400oC-800oC berupa fasa
gamma, sekitar suhu 900°C berupa fasa delta,
sekitar suhu 1000oC berupa fasa theta. Permeasi
unsur gas tunggal He, N2 dan H2 melalui membran
lapisan γ-Al2O3 meningkat relatif, sedangkan gas
N2 relatif menurun lambat dengan meningkatnya
temperatur. Tingkat daya pisah gas H2 terhadap N2
pada temperatur 600oC adalah 5,05 dan angka ini
menunjukkan lebih tinggi dari daya pisah pada prinsip knudsen diffusion = 3,74.
1. ONUKI K., et al., Thermochemical hydrogen
production by IS cycle, proceeding , 14th
world hydrogen energy conference, Montreal, Canada, (2002)
1. NORMAN, J.H., Besenbruch, G.E., and O’keefe,D.R., Thermochemical water- splitting for hydrogen production, (1981) GRI-80/0105,March
2. NAKAJIMA, H., et al., A Study on a close cycle hydrogen production by thermochemical water- splitting is process, Proc. 7th Int. conf.
on nuclear Engineering (ICONE-7),1999 3. ONUKI, K., et al., Thermochemical hydrogen
production by IS cycle, Proc. 14th World hydrogen Energy Conf., Montreal, Canada, (2002)
4. PURNAMA S., SITOMPUL A., AHDA S., Sintesis alpha alunina dengan proses sol- gel, Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi II 1997. PISM-BATAN, Serpong.
5. BRINKER C. J., SCHERER G.W., SoI-gel science the physic and chemical of sol-gel Processing, Academic Press Inc. San Diego. 6. BRINKER C. J., SCHERER G.W., SoI-gel
science, the physic and chemical of sol-gel processing, Academic Press Inc. San Diego. 7. ORIFINE R. L., VASCONCELER M.R.,
Sol-gel transition and structural evolution on .multicomponent gels derived from the alumma-silica system, J. SoI-Gel Science Technology
8. CLARK D. E., LANNUTTI, 1984, Phase transformations in sol-gel derived aluminas, Jolm Wiley & Sons, New York. 9. BRINKER C. J., SCHERER G.W., 1990,
SoI-gel Science, The Physic. and Chemcal, of sol-gel Processing, Academic Press Inc. San Diego.
10. OREFIRE R. L., VASCONCELOS W.R., 1997, Sol-gel transition and structural evolution on .multicomponent gels derived from the alumma-silica system, J. SoI-gel – science-technoog,. 9 : 239-249.
TANYA JAWAB
Dendang H.
−Perbedaan metode konvensional dengan yang Saudara kembangkan serta bagaimana jika ditinjau dari segi ekonomisnya ?
Tumpal Pandiangan
−Perbedaan metode konvensional produksi H2 dengan yang sekarang dikembangkan adalah :
• Konvensional : metode elektrolisa air (tidak 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 γ Al2O3, yaitu dengan
menggunakan metoda CUD mengalirkan uap gas dari cairan silikat pada permukaan Al2O3
pada temperatur sekitar 450 0C, pada tekanan 1
