Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128 III

ANALISA KESTABILAN TERMAL MEMBRAN Y Ah03 DANMA TRIKS a-Ah03 UNTUK PEMISAHAN GAS H2

Tumpal PandianganPusat Teknologi Reaktor dan Keselamatan Nuk/ir - BATAN

ABSTRAK

ANAL/SA KESTABlLAN TERMAL MEMBRAN -rA1}Oj DAN MATRIKS a-AI}Oj UNTUK

PEMISAHAN GAS H]o Lapisan y-AI}Oj direduksi porositasnya dengan menga/irkan larutan TEOS secaraCVD (Chemical Vapour Devosition) pada lapisan y-AI}Oj. Alpha alumina (a-AI}O.J dibuat dengan larutansol-gel. Kestabilan termal masing-masing diamati dari suhu kamar sampai suhu 1300°C denganmenggunakan metode differential thermal analysis (DTA). Pertumbuhan fasa pada lapisan y-AI}Oj akibatdipanaskan dari 40rt'C hingga 130(f'C diamati dengan difraksi sinar-X sedangkan permukaannya diamatidengan scanning electron microscope (SEM). Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa fasa alpha (a)tumbuh mulai dari suhu 400°C hingga l300°C, sedangkan a-AI}Oj yang dibuat dengan proses sol-gel

tumbuh pada suhu 120(f'C. Lapisan y-AI}Oj pada kisaran suhu kamar hingga 130rt'C adalah relatif stabil,namun pada temperatur sekitar II0rt'.C tampak puncak endotermik relatif yang kecil. Pada permukaanlapisan y-AI}Oj terdapat intensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkan dengan unsur O} dan Hz. Hasil ujipermeasi y-AI}Oj adalah I x Irr mol/Pa mZ s, 0,8 x Irr mol/Pa m} s dan 0,6 xlrr mol/Pa mZ s masing­masing untuk gas Nz, He dan H}.

ABSTRACT

THERMAL STABILITY ANALYSIS OF THE -rA1}Oj MEMBRANE AND a-AlzOj MATRIX FOR H}GAS SEPARA TlON. The -rA1}Oj layer had been reduced it's porosities by draining the TEOS solutionto it's layer as CVD method. The a-AlzOj had been made by sol gel method. The thermal stability of bothalumina were observedfrom room temperature to 130rt'C by means of DTA method. The growth of y-AlzOjlayer that was heated from 40rt'C to 130rt'C was observed by means of X-ray diffraction. Mean while itssurface condition was observed by SEM method. The x-ray diffraction show that alpha phase grow-up from40(f'C to 130rt'C, but the a-AI}Oj that was made by sol-gel method grow-up at 120rt'C. In the range fromroom temperature to 130(f'C y-AlzOj layer is stable but at a round of 120rt'C an endothermic small peakappear. On the y-AI}Oj surface Si element is more than H} and Oz elements. The results of permeancetesting of the y-AlzOj layer is of I x Irr mol/Pa mZ s, 0,8 xlrr mol/Pa m} and 0,6 xlrr mol/Pa m} sfor

N}. He and H}gaseous respectively.Key words: CVD, Permeance, TEOS, y-AI}Oj. a-AlzOj

PENDAHULUAN

Mengingat keterbatasan energi fossil danbesarnya tingkat pencemaran yangditimbulkannya pada lingkungan, maka perlu

dicari energi pengganti yang ramah terhadaplingkungan dan tidak terbatas ketersediaanya.Hidrogen adalah energi pengganti yang sudah lamadipelajari, terutama dalam hal meningkatkanefisiensi termal. Berdasarkan hasil penelitian diberbagai negara di dunia, efisiensi termal produksihidrogen dapat di tingkatkan dari sekitar 45 %hingga sekitar 75 %. Hal ini akan dicapai apabilasuplai panas yang digunakan berasal dari panasreaktor nuklir [1.2.3)

Walaupun efisiensi termal dapatditingkatkan, namun untuk aplikasi produksihidrogen diperlukan pengujian ketahanan termalmaterial produksi khususnya membran dan matriksyang dioperasikan pad a berbagai temperatur,khususnya ketahanan termal pada kondisilingkungan proses produksi hidrogenl4]. Ketahanantermal baik untuk a-Ah03 maupun untuk y-A1203diuji dengan menggunakan alat DT A sedangkankemampuan permeasi y - AI203 di ukur denganmenggunakan alat ukur permeasi. Hasil permeasidari membran akan diteliti sebagai fungsiperubahan temperatur.

Sebelum dilakukan pengujian namunterlebih dahulu dilakukan' sintesa alumina denganproses Sol-gel. Alumina dapat dibuat melalui

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

112 ISSN 0216 - 3128 Tumpal Pandiallgall

empat macam proses yaitu : proses kontrol

presipttat, proses dekomposisi garam, proseskonvensional atau biasa disebut sebagai prosesbayer dan proses sol_gel[S,6,7,8J• Proses sol-gelmerupakan teknik terbaru yang dikembangkanuntuk membuat keramik alumina. Proses ini dapatmengontrol struktur mikro dari sifat keramikdengan jalan mengontrol parameter proses yangada. Suhu pemanasan yang diberikan relatif rendahdan kemumian produk yang dihasilkan relatiftinggi.

Hasil proses sol gel berupa alumina,kemudian diuji dengan alat DTA. Pengujian inimenghasilkan informasi temperatur dan energiperubahan fasa, sedangkan alat ditraksi sinar-Xakan menginformasikan jenis fasa yang terjadi.Alumina dapat dibuat melalui empat macam prosesyaitu : proses kontrol presipitat, proses dekomposisigaram, proses konvensional atau biasa disebutsebagai proses bayer dan proses sol-gel [9.10.11].

Hal yang menarik untuk diamati pad a prosespembuatan keramik alumina dengan proses sol-geladalah terjadinya transformasi fasa. Menurutbeberapa para peneliti, fasa-fasa yang terjadiadalah alumina hidrat (dapat berupa boehmite),

gamma-, delta-, theta- dan alpha- alumina.Masing-masing fasa terse but mempunyai sifat fisisyang berbeda. [4,5]. Tujuan penelitian ini adalahmenganalisa kestabilan termal dan kemampuanpermeasi membran y-Ah03 yang telah dibuatdengan metode CYD dan kestabilan termalmatriks a-A1203 yang dibuat dengan m~tode sol­gel.

BAHAN DAN METODE

Bahan dan Alat

Dalam penelitian ini, bahan yang digunakanadalah Alumina tritert butoxide

[(C2HSCH(CH3)0)3AI], air (H20), HCI dan alat­alat berupa neraca analitik, peralatan gelas,termometer, magnet stirrer, ruang pemanas,pengukur pH, XRD, DTA, MO dan SEM

Metode Penelitian

Satu mol serbuk aluminum tritert butoxide

[(C2HsCH(CH3)0)3A1] dicampur dengan 100 molair (H20) dan diaduk sampai homogen. Setelahbomogen, pada suhu 90°C campuran tersebutdipeptisasi dengan katalis asam, 0,2 mol HCI.Proses polimerisasi ini membentuk gel. Gel yangdiperoleh dikeringkan pada subu 90°C yangkemudian dibagi-bagi untuk dipanaskan pada

beberapa suhu, yaitu 300°C, 400°C, 500°C, 600°C,

7000e, 8000e, 9000e, IOOOoe, IIOOoe, 12000C

dan I 300°C selama satu jam dalam ruang pemanas(furnace). Setelah itu, sampel segera dikeluarkandari ruang pemanas dan didinginkan di udara.Evolusi termal diamati dengan analisis termal darisuhu kamar sampai suhu 1300°C menggunakandfJerential thermal analysis (DT A) danthermogravimetric analysis (TGA). Fasa-fasa yangterjadi pada setiap sampel ditentukan dengan X-raydifJractometry (XRD). Identifikasi fasa dilakukandengan menggunakan metode Hanawalt secaramanual dan analisis kuantitatif dilakukan pada poladitraksi sampel 1000°C, puncak 012 (fasa alpha)dan 004 (fasa theta) dengan menggunakan metodeperbandingan langsung. Morfologi permukaansampel diamati dengan mikroskop optik (MO) danscanning electron microscope (SEM). Sedangkankerapatan sampel diukur dengan piknometer.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar I.Menunjukkan pola ditraksialumina yang telah dipanaskan pada suhu 90°C,300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C,1000°C, 1100°C, 1200°C dan 1300°C di mana Bmenunjukkan fasa boehmite. Fasa ini terdapatpada suhu kalsinasi 90.300.400 dan 50(j'C.. y

menunjukkan fasa gamma. Fasa gamma terbentukmulai suhu kalsinasi pada 400, 500, 600, 700, 800dan 900°C. 0 menunjukkan fasa delta. Fasa eterbentuk pada temperatur kalsinasi 900, 1000°Cmenunjukkan fasa theta dan alpha menunjukan fasaalpha. Fasa boehmite terbentuk pad a suhu 90°C­300°C. Sebagian fasa boehmite bertranformasimenjadi gamma pada suhu 400°C-500°C dan fasagamma terbentuk sempuma pad a suhu 600°C­800°C. Fasa delta terbentuk sempuma pada suhu900°C. Pada suhu 1000°C, terbentuk fasa theta danalpha. Secara kuantitatif, fasa theta (puncak 004)yang terbentuk sebesar 50,18% dan alpha (puncak012) 49,82%. Pada suhu 1100°C-1300°C, fasaalpha terbentuk sempuma.[7].

Gambar 2 merupakan kurva pengamatananalisa termal (DTA dan TGA) pada gel keringyang dipanaskan dari suhu kamar sampai suhuI300°C. Pada kurva DT A terbentuk 2 puncakendotermik dan 3 puncak eksotermik. Kurva TGAmenunjukkan 4 daerah massa yang berkurang,masing-masing menunjukkan peristiwa pelepasansenyawa organik, kristalisasai fasa boehmite,gamma dan alpha. Pad a pengamatan ini,transformasi dari fasa gamma ke delta, delta ketheta tidak terdeteksi. Namun demikian, pada

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tumpal Pal/dial/gall ISSN 0216-3128 /13

daerah transformasi tersebut menunjukkan adanyaperistiwa dekomposisi.

·•.·..·:·•···

~ ,•• •••••••••••

­·..•""!·•i

........ ,. ...I•••~ 1•• 4Ie".JeU

Proses Sol-Gel' dilakukan denganmencampur I mol ATB [C2HsCH(CH3)0)3AI]dengan 100 mol air (H20) menghasilkan larutanhidroksil alkoksida dan butanol. Reaksi

kimianyaadalahsebagai berikut:

[(C2HSCH(CH3)OhAI]+ H20 -+AI(C2HSCH(CH))0)OH + C4H90H.

~~ M

JY.)-DTA ---- .. -- .• '~./ j t, ...

.:~~ ....- /'~. -." ..-~...". ...••• ..-<:;...- ..•• 1••I --- --.- -'" • -:;> I

· -- /"" .!..~"

I -..'-. ~/ •

· ~ ...~ ,../ ~.~ ...~.....,/ ------....,· /-- ..f •• / _•~. ''' .... _h- _../ __ • _."_4_- :: ....I •

,.•.••.

Gambai' I. PoIa Difrak., SUlIo1rX AlLlmJu.1

..

...

....

.-.

- -

..•.

...

.•..

..'.1

....•

Gambar 4. Thermogram DTA-TG sample '/­Al20.l dari temperatur kamar lzinggal30dle.

Pada proses hidrolisa ini, sebagian besarbutanol menguap. Ketika diberikan suhu sebesar90°C dan katalis asam 0,2 mol HCI, campurantersebut kemudian menjadi gel. Reaksi kimianyasbb. :

2AI(C4CH(CH3)OH(OH)+ H20 + 0,2 Mol HCI -+C2HsCH(CH3)0-AI(OH)-0-AI(OH)HOC4CH(CH3)+2CHgOH.

aambar 2. Ko.rva DT A d:an TGA Gel Alum;,,,,

::0

:8 Ide.

Gambar 3. Pol a difraksi sinar untuk 'l-A120.ldaTi suhu 500 lzingga l30{fC

Gambar 3 merupakan pola difTaksi sinaruntuk y-Ah03 yang dipanaskan dari suhu 400°Chingga I300°C. Pola difTaksi ini menunjukkanterjadinya pertumbuhan fasa alpha alumina.Gambar 5 adalah thermogram DTA-TG sample y­AI203 dari temperatur kamar hingga 1300°C.Thermogram ini menunjukkan kestabilan termalhigga suhu 1100 °c , di atas suhu ini terjadi puncakendotermik yang relatifkecil.

Proses polimerisasi ini menghasilkanpolimer dan butanol. Pada proses ini, sebagianbutanol menguap. Selanjutnya gel dipanaskan padasuhu ini sampai kering.

C4CH(CH3)0-AI(OH)-A1(OH)-OC4CH(CH)) -+2CH90H + 2 AIOOH pada 90°C.

Pada proses pengeringan ini, sebagianmolekul air dan sisa butanol menguap. Padarangkaian peristiwa tersebut, Kurva DT A dan TGAGambar 2 menunjukkan adanya peristiwa evolusiair dan alkohol. Pada kurva DT A, peristiwatersebut menyerap energi sebesar 1489,997 mJ(puncak endotermik pertama) dan pada kurva TGA,menunjukkan adanya pengurangan massa sebesar7,593%. Data XRD pada interval suhu 90°C­300°C menunjukkan fasa boehmite (ALOOH).Kurva DT A menunjukkan bahwa fasa ini terbentukdengan melepaskan energi sebesar 3037,758 mJ(puncak eksotermik pertama). Pada peristiwa ini,terjadi pe 1epasan sisa air dan alkoho 1 [9] sertaterbentuknya struktur kristal ortorhombik sehinggamengakibatkan pengurangan massa sebesar24,194% (kurva TGA).

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

114 ISSN 0216 - 3128 Tumpal Pandiangml

Pad a suhu 400°C-500°C, sebagian besar

fasa b02hmit2 bertransformasi menjadi fasa y­Ah03' Menurut Urretavizcaya et al. (1998),transformasi ini terjadi karena adanya pe 1epasangugus OH. Sedangkan menurut Clark et al. (1984),dengan menggunakan FT -IRRS, pada peristiwa initerdeteksi adanya evo 1usi struktur air dan HC 1.

Pada kurva DT A, peristiwa ini menyerapenergi sebesar 599,347 mJ (puncak endotermikkedua). Pada suhu 600°C- 700°C, fasa gammaterbentuk sempuma dengan kehilangan massasebesar 11,893% (kurva TGA). Pembentukan fasaini melepaskan energi sebesar 7941,431 mJ(puncak eksotermik kedua) Data XRD pada suhu800°C menunjukkan fasa gamma.

Fasa delta terbentuk sempuma pada suhu900°C. Peristiwa termal pada transfomalasi gammamenjadi delta tidak terdeteksi, baik oleh DTAmaupun TGA. Transformasi delta menjadi thetatidak terdeteksi oleh DTA mupun TGA karenaenergi yang terlibat da Iam transformasi ini kedldan kemungkinan transformasi yang terjadimerupakan transformasi orde kedua yang hanyabisa dideteksi dengan DSC. Pada transformasi ini,struktur tetragona I berubah menjadi monoklinik.

Gambar 5 menunjukkan permeasi unsurgas tunggal He, N2 dan H2 melalui membranmodifikasi 23 jam waktu deposisi. Permeasi He danH2 melalui membran meningkat relatif sangatlambat, sedangkan gas N2 relatif menurun lambatdengan meningkatnya temperatur. Tingkat dayapisah gas H2 terhadap N2 pada temperatur 600°Cadalah 5,05 dan angka ini menunjukkan lebih tinggidari daya pisah berdasarkan prinsip knudsendiffusion.

F/(Atlpi) . P adalah permeasi (mol/Pa m2 s), F

adalah banyaknya gas permeating tiap satuanwaktu(mol/s), A adalah luas permukaan membran(m2) dan tlpi adalah perbedaan tekanan parsialmembran. Pada permukaan lapisan y-A1203

terdapat intensitas unsur Si relatif tinggidibandingkan dengan unsur O2 dan H2.

Gambar 6 menunjukkan hasil X-ray padapermukaan lapisan y-Ah03 dengan metode EPMA.Pada permukaan lapisan y-Ah03 terdapatintensitas unsur Si relatif tinggi dibandingkandengan unsur O2 dan AI, hal ini dibuktikan olehpuncak untuk unsur Si yang lebih tinggi dibandingdengan kedua unsur lainnya. Hal ini jugamenyatakanj bahwa di bagian permukaan luarmembran didominasi oleh unsur Si sebagaidampak dari perlakuan proses CVD.

AI 0 J~

-~ (I

Gambar 6. X-ray pada permukaan lapisan "1­

Al10) dengan metode EPMA

--&- H.-8- .z-<>- HZ

Gambar 5. Permeasi gas H1, N1 dan He

Permeasi melalui membran dihitung denganmenggunakan persamaan P(mol/Pa m2 s) =

D-~ -- -- D- -- -- --€I

J!!'

tlf

s

I'Qtlf~ 0So~~Ie'

4'E4'a-

tlf

tit·

3D

:m

. - - - -~

4a:I SII

Tempe r.nUt rq

KESIMPULAN

Lapisan y-A1203 menunjukkan adanyakestabilan termal dari temperatur kamar hinggaI 100°C, sedangkan alumina hasH proses sol-gelmengalami evolusi termal. Evaluasi yang terjadiadalah antara suhu 90°C-300°C berupa fasabohtmite, antara suhu 400°C-800°C berupa fasagamma, sekitar suhu 900°C berupa fasa della,sekitar suhu 1000°C berupa fasa theta. Permeasiunsur gas tunggal He, N2 dan H2 melalui membranlapisan y-Ah03 meningkat relatif, sedangkan gasN2 relatif menu run lambat dengan meningkatnyatemperatur. Tingkat daya pisah gas H2 terhadap Nz

pada temperatur 600°C adalah 5,05 dan angka inimenunjukkan lebih tinggi dari daya pisah padaprinsip knudsen diffusion = 3,74.

Prosldlng PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Tumpa/ Pandiangan ISSN 0216 -3128 lI5

DAFT AR PUSTAKA

I. ONUKI K., et aI., Thermochemical hydrogenproduction by IS cycle, proceeding, 14th

world hydrogen energy conference, Montreal,Canada, (2002)

2. NORMAN, J.H., Besenbruch, G.E., andO'keefe,D.R., Thermochemical water- splittingfor hydrogen production, (1981) GRI­80/0 I05,March

3. NAKAJIMA, H., et aI., A Study on a closecycle hydrogen production by thermochemicalwater- splitting is process, Proc. 7th Int. conf.on nuclear Engineering (ICONE-7), 1999

4. ONUKI, K., et aI., Thermochemical hydrogenproduction by IS cycle, Proc. 14th Worldhydrogen Energy Conf., Montreal, Canada,(2002)

5. PURNAMA S., SITOMPUL A., AHDA S.,Sintesis alpha alunina dengan proses sol- gel,Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi II1997. PISM-BATAN, Serpong.

6. BRINKER C. J., SCHERER G.W., Sol-gelscience the physic and chemical of sol-gelProcessing, Academic Press Inc. San Diego.

7. BRINKER C. J., SCHERER G.W., Sol-gelscience, the physic and chemical of sol-gelprocessing, Academic Press Inc. San Diego.

8. ORIFINE R. L., VASCONCELER M.R., Sol­gel transition and structural evolution on.multicomponent gels derived from thealumma-silica system, 1. Sol-Gel ScienceTechnology

9. CLARK D. E., LANNUTTI, 1984, Phasetransformations in sol-gel derivedaluminas, Jolm Wiley & Sons, New York.

10. BRINKER C. J., SCHERER G.W., 1990, Sol­gel Science, The Physic. and Chemcal, ofsol-gel Processing, Academic Press Inc. SanDiego.

II. OREFIRE R. L., VASCONCELOS W.R.,1997, Sol-gel transition and structuralevolution on .multicomponent gels derivedITom the alumma-silica system, J. Sol-gel ­science-technoog,.9 : 239-249.

TANYAJAWAB

Dendang H.

- Perbedaan metode konvensional dengan yangSaudara kembangkan serta bagaimana jikaditinjau dari segi ekonomisnya ?

Tumpal Pandiangan

- Perbedaan me/ode konvensional produksi H2dengan yang sekarang dikembangkan adalah :

• Konvensional: me/ode elektrolisa air

(/idak 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 y AI]OJ. yaitu denganmenggunakan metoda CUD mengalirkan uapgas dari cairan silikat, pada permukaan AI]OJpada temperatur sekitar 450°C, pada tekanan IAtm.

Proslding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006