REDUKSI MAGNESIOTERMIK SILIKA AMORF DAN KRISTALIN

Pendahuluan

Tujuan Penelitian

Batasan Masalah

Sistematika Penulisan

Tinjauan Pustaka

Pembangkit Listrik Tenaga Surya
Silika
Silikon
Metode Reduksi Silika
Termodinamika Reaksi Reduksi Magnesiotermik
Proses Pemurnian Larutan Asam

Panel surya yang saat ini dikembangkan terbagi menjadi tiga jenis, yaitu yang terbuat dari senyawa semikonduktor, senyawa organik, dan silikon [4]. Kemudian panel surya berbahan senyawa organik memiliki potensi untuk dikembangkan karena tidak memerlukan pengolahan suhu tinggi sehingga harga panel surya bisa lebih murah. Rendahnya efisiensi konversi energi yaitu 6% membuat pengembangan kolektor surya masih dalam tahap penelitian.

Panel surya yang banyak dikembangkan dan diproduksi secara massal adalah panel surya berbahan silikon. Panel surya ini terbagi menjadi beberapa jenis dan silikon polikristalin merupakan panel surya yang paling banyak diproduksi saat ini. Seperti terlihat pada Gambar 2.2, proses pembuatan panel surya silikon multikristalin memerlukan proses yang agak lama.

Unsur silikon menjadi faktor penting dalam proses pembuatan ini karena merupakan unsur yang paling melimpah yaitu mencapai 91% pada komponen panel surya dan mencapai porsi 20% dari komposisi harga untuk membuat satu panel surya [5,12] . Silika yang terdapat pada batuan kuarsa dan pasir kuarsa mempunyai fasa kristal berupa kuarsa dan kristobalit, berbeda dengan silika pada sekam padi yang mempunyai fasa amorf. Berdasarkan data Kementerian Pertanian, Indonesia menghasilkan 68 juta ton beras per tahun, yang berpotensi menjadi 2,7 juta ton silika per tahun, dengan asumsi 20% beras tersebut menjadi sekam padi [7].

Hal ini membuat Indonesia mempunyai potensi besar untuk mengembangkan panel surya berbahan silikon karena cadangan sumber daya alamnya melimpah. Kurva pola difraksi sinar-X silika yang diperoleh dari batuan kuarsa dan pasir kuarsa ditunjukkan pada Gambar 2.4. Sedangkan kurva pola difraksi sinar-X untuk silika dari sekam padi mempunyai pola yang curam dan tidak ada puncak yang tinggi dan curam.

Kuarsa sekam padi yang memiliki fase amorf juga dapat berubah menjadi fase kristal jika dipanaskan hingga suhu tertentu. Pengaruh kristalinitas silika perlu diketahui karena silika yang banyak terdapat di alam mempunyai fasa yang berbeda-beda, dimana silika dari pasir silika mempunyai fasa kristal dan silika dari abu sekam padi mempunyai fasa amorf. Pada penelitian sebelumnya [8], silikon hasil proses reduksi abu sekam padi menggunakan magnesium dapat menghasilkan pola difraksi sinar-X yang mirip dengan bubuk silikon standar yang memiliki kemurnian tinggi.

Silikon dengan kemurnian 99,98% berhasil diperoleh dengan mereduksi silika dari sekam padi dengan zat pereduksi Mg pada suhu rendah 650 oC yang juga merupakan titik leleh Mg [22]. Proses reduksi silika dengan menggunakan zat pereduksi Mg akan menghasilkan produk samping berupa MgO, Mg2Si dan Mg2SiO4.

Tabel 2.1 Produksi listrik berdasarkan jenis pembangkit [1].

Metodologi Penelitian

Proses Sintering

Proses Reduksi

Proses Pemurnian

Proses Karakterisasi

Silika amorf yang disinter pada suhu 850 oC selama 4 jam dan 950 oC selama 1 jam masih menghasilkan struktur silika yang tetap amorf. Selanjutnya proses sintering pada suhu 1000 oC selama 6 jam dan 12 jam menghasilkan pola difraksi sinar-X yang identik yaitu dengan puncak yang tajam pada sudut yang berbeda-beda. Pola difraksi sinar-X kristal silika kemudian dibandingkan dengan JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards) terhadap fasa kristal yang terbentuk yaitu fasa kristobalit dan tridimit.

Gambar 4.3 menunjukkan pola difraksi sinar-X kristal silika pada rentang sudut 15o – 50o dengan puncak tajam tertinggi pada sudut 22o. Pola difraksi sinar-X yang diperoleh menunjukkan bahwa proses reduksi menghasilkan produk samping reduksi berupa MgO, Mg2Si dan Mg2SiO4 yang dibuktikan dengan perbandingan dengan JCPDS. Pada Gambar 4.8 (a) terlihat pola difraksi sinar-X hasil reduksi silika amorf yang mempunyai rentang sudut 15o – 85o dengan puncak tajam pada sudut yang berbeda-beda.

Pada Gambar 4.9 (a) terlihat pola difraksi sinar-X hasil reduksi kristal silikon yang mempunyai rentang sudut 15o – 85 dengan puncak tajam yang identik dengan Gambar 4.8 (a). Dari analisis kuantitatif pola difraksi sinar-X terlihat bahwa jumlah senyawa Mg2Si dan Mg2SiO4 pada silika kristal reduksi lebih rendah dibandingkan pada silika amorf. Kemudian terlihat pula jumlah unsur silikon yang dihasilkan silika amorf dan kristalin relatif tidak jauh berbeda.

Pola difraksi sinar-X yang diperoleh kemudian dibandingkan dengan JCPDS untuk senyawa magnesium dan silikon. Analisis kualitatif pola difraksi sinar-X hasil reduksi silika amorf pada suhu 800 dan 900 oC dapat dilihat pada Gambar 4.11 dan 4.12. Dari tabel 4.3 terlihat bahwa hasil reduksi dari silika amorf lebih banyak mengandung senyawa Mg2SiO4 dibandingkan dengan hasil reduksi dari silika kristalin.

Hal ini mungkin disebabkan karena ukuran partikel silika amorf yang relatif kecil sehingga lebih mudah bereaksi dengan senyawa lain. Reaktivitas silika amorf menyebabkan reaksi silika dan MgO lebih sering terjadi dibandingkan silika kristalin sehingga menghasilkan komposisi Mg2SiO4 yang lebih besar. Kemudian jika dilihat pengaruh variasi kristalinitas silika terhadap persen berat silikon yang terbentuk, maka tidak terdapat perbedaan pembentukan silikon yang signifikan antara silika amorf dan kristalin.

Kemudian terbentuknya senyawa silika pada fasa kristobalit hasil reduksi silika amorf pada suhu 900 oC menunjukkan bahwa selain proses reduksi magnesiotermik juga terjadi transformasi fasa silika amorf menjadi kristal. . Reduksi silika amorf pada suhu 800 oC menghasilkan persentase silikon berat terbesar dibandingkan kondisi reduksi lainnya yaitu sebesar 22,8%, meskipun menghasilkan senyawa Mg2SiO4 sebesar 18,5%.

Gambar 4.1 Pola difraksi sinar-X silika komersial (Merck).

Data dan Analisis

Termodinamika Senyawa Hasil Reduksi

Struktur Silika Hasil Reduksi

Proses reduksi dilakukan dengan memanaskan silika komersial dalam fase amorf dan silika komersial dalam fase kristal, yang kemudian disinter hingga suhu 1000°C. Proses reduksi dilakukan dari suhu terendah yaitu 700 oC selama 2 jam dengan kelebihan magnesium sebesar 5%, kemudian divariasi suhu hingga 900 oC untuk mengetahui persentase berat silikon maksimum yang dihasilkan. Namun terdapat sedikit perbedaan yaitu kemunculan puncak fase tridimit yang muncul pada sudut 20,5o dan 21,7o serta kristobalit yang muncul pada sudut 22o.

Hal ini terjadi karena reduksi kristal silika masih menyisakan SiO2 pada fasa kristobalit dan tridimit yang tidak bereaksi dengan Mg.

Gambar 4.7 Pola difraksi sinar-X (a) hasil reduksi silika amorf temperatur 700 o C (b) JCPDS Mg 2 SiO 4 (34-189) (c) JCPDS MgO (43-1022) (d) JCPDS Si

Analisa Hasil Reduksi Silika

Hal ini dapat terjadi karena senyawa Mg2Si bereaksi kembali dengan silika membentuk MgO dan Si. Senyawa MgSiO3 tidak terdeteksi pada penelitian ini, hal ini diduga karena mempunyai energi bebas Gibbs yang paling tinggi. Selama reduksi kristal silikon dioksida pada suhu 800 oC, pembentukan Mg2SiO4 lebih rendah dibandingkan pada suhu 700 dan 900 oC.

Seperti dijelaskan pada Bab II, larutan asam akan melarutkan produk samping, sehingga hanya menyisakan unsur silikon. Namun pada penelitian ini, setelah dilakukan proses pemurnian larutan asam, unsur silikon tidak diperoleh seluruhnya. Sadique, Produksi dan Pemurnian Silikon dengan Reduksi Magnesiotermal Silica Fume, Tesis M.S., Departemen Ilmu dan Teknik Material, Universitas Toronto, 2010.

Tangstad, Refining and Recyling of Silicon : A Review, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, February 2008. Ukleba, Thermodynamic probability of realizing the process of silicon dioxide reduction by magnesium at high temperatures, Bulletin of the Georgian National Academy of Science.

Gambar 4.10 Pola difraksi sinar-X (a) hasil reduksi silika amorf temperatur 800 o C (b) JCPDS Mg 2 SiO 4 (34-189), (c) JCPDS MgO (43-1022), dan (d)

Analisis Produk Akhir Silikon

Kesimpulan dan Saran

Saran

Diperlukan suatu cara untuk meminimalisir terbentuknya senyawa magnesium seperti Mg2Si dan Mg2SiO4, yaitu dengan memisahkan serbuk magnesium dan silika pada kapal pembakaran. Website resmi Kementerian Pembangunan Daerah Tertinggal Republik Indonesia (http://www.kemenegpdt.go.id, diakses 25 April 2013). Turnbull, Ketergantungan laju pertumbuhan kuarsa dalam silika leburan pada tekanan dan kandungan pengotor, Jurnal fisika Terapan.

Bera, Effect of sintering temperature on the phase formation behavior and mechanical properties of silica ceramics prepared from rice husk ash, phase transitions. Krochai, Preparation and characterization of silicon from rice husks, Journal of Metals, Materials and Minerals.