Pengaruh Konsentrasi Prekursor Jenis Sililation Agent Dan Teknik Pengeringan Pada Pembuatan Silika...
-
Upload
basrib-relri -
Category
Documents
-
view
214 -
download
4
Transcript of Pengaruh Konsentrasi Prekursor Jenis Sililation Agent Dan Teknik Pengeringan Pada Pembuatan Silika...
PENGARUH KONSENTRASI PREKURSOR, JENIS SILILATION AGENT
DAN TEKNIK PENGERINGAN PADA PEMBUATAN SILIKA AEROGEL DARI
WATER GLASS MELALUI PROSES PENGERINGAN ATMOSFERIK
Oleh : Basilio Ribeiro, ST
Yustia Wulandari M, ST. MT
Proposal Hibah Bersaing 2008
Silika Aerogel merupakan material solid dengan properti fisik yang unik dan ekstrim dimana densitas dan koefisien thermalnya sangat rendah namun luas permukaan dan thermal toleransinya sangat besar
isolator
Thermal
Accustic
CryogenicHigh Temp.Translucent
BuildingTransportasiMachinery
ChemistryAdsorbentCatalis supportExtracting agentNano vesselKinetik
energi absorber Tank baffle
Star dust impactShock absorption
Electronik
IsolatorSensor materialAmpedance adjustmentPigment carrierCerenkov DetectorLow ε material
Pharmacy / agriculture
Carrier material
Actine substanceFungicidesHerbicidesPesticides
Filler
liquid
films
Elastomers
PaintsVarnishesFunc. Liquid
PEMANFAATAN SILIKA AEROGEL
Metode sol-gel :precursor silika direaksikan, menghasilkan Silicon dioksida Pada awal reaksi, campuran berupa liquid (sol), namun saat reaksi terus berlangsung, larutan semakin viscous dan mulai kehilangan fluiditinya dan berubah menjadi gel. Gel dikeringkan untuk mengeluarkan solvent yang ada di dalam gel, digantikan dengan gas (udara) sehingga terbentuklah aerogel.
Precursor MixingGelification Aging Drying
Sol Gel Aerogel
PROSES PEMBUATAN AEROGEL
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
Bahan baku Peneliti Proses Keunggulan & Kelemahan
Sodium Silicate/
Water Glass
Kistler (1931) Netralisasi dan pengeringan Superkritis Solvent
Keunggulan: Aerogel transparant, densitas 0,02 gr/cm3
Kelemahan: waktu lama,T & P Tinggi
Didik Purwanto (2007)
Netralisasi dan pengeringan Superkritis CO2
Aerogel transparan namun densitas masih tinggi
Schwertfeger (1998)
Rao dkk (2004)
Bhagat dkk (2006)
Netralisasi dan pengeringan Atmosferic (penambahan Silylation Agent)
Keunggulan: kondisi atmosfer
Kelemahan: gel mengkerut
Densitas > 0,1 gr/cm3
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
Bahan baku Peneliti Proses Keunggulan & Kelemahan
TEOS / TMOS Peri 1966
Nicolaon 1968
Briker dkk 1982
Tewari 1986
Tilotson 1992Smirnova 2002
Hidrolisa-kondensasi dengan pengeringan Superkritis solvent dan CO2
Keunggulan:
- aerogel transparan dan berdensitas
0,003 – 0,02 gr/cm3
-Tidak butuh pemurnian hasil samping
-Waktu relatif lebih cepat
Kelemahan:
Reagen harus murni, harga mahal dan bersifat toksit
Permasalahan yang ada
Dari segi bahan baku…
• Pada umumnya silika aerogel dibuat dari TEOS/TMOS, dimana reagent tersebut sangat mahal dan bersifat toksit
• Alternatif bahan yang murah, mudah didapat, dan tersedia dalam jumlah banyak adalah water glass. Namun dengan bahan ini diperlukan proses pemurnian Natrium (Rao, 2004 & Bhagat, 2006).
• Aerogel yang dihasilkan rata-rata masih berdensitas tinggi : 0,1-0,6 gr/cm3
• Perlu dicari komposisi atau konsentrasi larutan prekursor (waterglass) yang dapat menghasilkan aerogel berdensitas rendah
Permasalahan yang adaDari segi metode pengeringan…• Umumnya digunakan proses pengeringan superkritis (suhu
dan tekanan tinggi) agar gel silika dapat berubah menjadi aerogel tanpa pengerutan. Alat pengeringan superkritis mahal dan proses sulit
• Jika dikeringkan pada tekanan atmosferik, gel cenderung mengkerut dan pecah/rusak dikarenakan munculnya tekanan kapilaritas. Hal ini juga yang menyebabkan densitas aerogel jadi besar.
Permasalahan yang ada
Dari segi metode pengeringan…• Untuk mempekuat gel agar tahan terhadap proses
pengeringan perlu ditambah sililation agent (Rao, 2004 & Bhagat, 2006)
• Jenis dan komposisi sililation agent ini perlu dicari untuk mendapatkan hasil aerogel yang kuat.
Permasalahan yang ada
• Bhagat telah mengembangkan metode pengeringan atmosferik dengan suhu pemanasan bertahap 65, 80, dan 150 oC. Namun densitas aerogel masih besar (+ 0,12 gr/cm3) dan sebagian besar pecah/hancur
• Perlu dicoba modifikasi suhu dan tahapan pengeringan atmosferik untuk memperoleh hasil aeerogel yang lebih baik
TUJUAN PENELITIAN
• Membuat silika aerogel dari bahan water glass dengan pengeringan atmosferik
• Mengevaluasi pengaruh kondisi operasi: konsentrasi larutan prekursor, lama aging, komposisi sililation agent dan teknik pengeringan atmosferik terhadap karakteristik silika aerogel seperti densitas, porositas, dan surface area.
TARGET PENELITIAN
• Produk silika aerogel utuh dan transparan dengan densitas< 0,1
• 2-3 publikasi mengenai data komposisi sililation agent dan teknik pengeringan yang menghasilkan aerogel terbaik
PROSEDUR PERCOBAAN
Air
Water Glass
pengenceran
ion exchanger
Gel silika
Pengeringan atmosferik
NH4OH
Na+
Aerogel silika
Karakterisasi:- Fisik- Luas permukaan - Densitas- PorositasA
A
H+
Proses aging65 oC
Sol silikaSililation agent
VARIABEL PENELITIAN
• Tahun Pertama1. Konsentrasi silika dalam waterglass : 5%, 7,5% ; dan 10 %2. Konsentrasi Sililation agent (HMDZ) : 2%, 5%, dan 10%3. Waktu Aging : 1, 3, 5 jam4. Suhu pengeringan : 60, 80, dan 100 oC
• Tahun Kedua1. Konsentrasi silika dalam waterglass : 5%, 7,5% ; dan 10 %2. Konsentrasi Sililation agent (TMCS) : 2%, 5%, dan 10%3. Waktu Aging : 1, 3, 5 jam4. Suhu pengeringan : 60, 80, dan 100 oC5. Variabel lain sesuai rekomendasi hasil penelitian pada tahun
pertama
Sekian….
TERIMA KASIH
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Pertama kali silika aerogel dibuat oleh Kistler 1931 dengan mereaksikan sodium silikat (water glass) dengan asam klorida
• Na2SiO3 + 2HCl [SiO2.xH2O] + 2 NaCl • Garam NaCl sebagai hasil samping dipisahkan melalui pencucian gel• Kemudian silika gel dikeringkan dalam autoclave dengan tekanan
dan suhu diatas titik kritis solventnya• Aerogel yang dihasilkan transparan dan Densitasnya antara 0,02 s/d
0,1 g/cm3
Tabel 2.2. Properti Fisik Silika Aerogel
Properti Harga Keterangan
Densitas 0,003-0,35 g/cm3 Sebagian besar berdensitas 0,1 g/cm3
Luas permukaan 500-1000 m2/g Diukur dengan Nitrogen adsorpsi/desorpsi
Fraksi solid 0,13-15% Umumnya 5%
Diameter rata-rata pori 20 nm Diukur dengan Nitrogen adsorpsi/desorpsi
Diameter partikel primer 2-5 nm Diukur dengan electron microscopy
Refractive index 1,0-1,05 Harga ini sangat rendah dibanding solid lain
Ketahanan terhadap suhu >500 oCPengerutan mulai terjadi pada 500 oC, dan terus meningkat. Meleleh pada 1200 oC
Koefisien thermal 2,0-4,0 x 10-6 Diukur dengan metode ultrasonic
Konstanta dielektrik 1,1 Sangat rendah dibanding dengan solid lain
Kecepatan suara 100 m/s Salah satu nilai terendah material solid lain
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Peri 1966, membuat silika aerogel dari TEOS dengan proses satu langkah.
TEOS dihidrolisa sekaligus dikondensasi dengan reaksi
Si(OCH2CH3)4 + 2H2O SiO2 + 4HOCH2CH3
Gel yang dihasilkan dikeringkan pada kondisi superkritis solvent (alkohol)
• Nicolaon 1968, juga berhasil mengembangkan silika gel dari berbagai reagen tetra siliconalkoxide (Si(OR)4 sebagai bahan silika aerogel
• Kelebihan : tidak terbentuk hasil garam Na sehingga tidak diperlukan pemurnian gel yang memakan waktu lama. Alkohol terbentuk saat reaksi sehingga tidak perlu dilakukan penggantian solvent
• Kelemahan: tetra siliconalkoxide merupakan reagen yang sangat mahal
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Briker dkk 1982, membuat silika aerogel dari reagent TEOS dengan proses dua langkah (hidrolisa dan kondensasi dipisahkan).
• Tewari 1986 mengencerkan reagent dengan alkohol untuk menurunkan densitas silika aerogel. Diperoleh silika aerogel berdensitas 0,02 gr/cm3 dengan waktu gelatin 14 hari
• Pengenceran ini memiliki batas dimana pada pengenceran berlebih akan terjadi reaksi reesterifikasi yang akan menghambat pembentukan gel
• Kelebihan : kedua reaksi bisa dioptimalkan untuk mengatur properti dari silika aerogel yang diinginkan
• Kelemahan: Untuk silika aerogel dengan densitas < 0,1 g/cm3 butuh waktu gelatin yang lama.
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Schaefer 1987, menganjurkan untuk memisahkan alkohol yang terbentuk pada reaksi hidrolisa dengan destilasi dan melarutkan silika yang terkondensasi sebagian ke dalam alkohol yang lain untuk meminimalkan terjadinya reaksi reesterifikasi
• Tilotson 1992, memisahkan alkohol hasil reaksi hidrolisa dengan destilasi dan melarutkan silika terkondensasi sebagian dengan pelarut non alkohol (aseton, ether, acetonitrile) sehingga reaksi reesterifikasi dapat dihindari. Meski pada larutan sangat encer, waktu gelatin tidak lebih dari 72 jam. Dan mampu dihasilkan silika aerogel yang transparan dengan densitas 0,003 gr/cm3
• Kelebihan: waktu gelatin singkat dan densitas aerogel sangat rendah• Kelemahan dari proses di atas tetap pada penggunaan reagent yang
murni dan mahal yaitu TMOS
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Heley 1995, menghidrolisa SiCl4. partikel gel dikeringkan dengan metode superkritis dan diperoleh silika aerogel powder dengan densitas 0,04 gr/cm3
• Bommel 1995 memodifikasi metode pengeringan superkritis dengan mengalirkan CO2 superkritis sehingga tahapan pemanasan dan pendinginan tidak ada.
• BASF, German mengembangkan pembuatan silika aerogel dari sodium silicate (water glass) dan telah memasarkannya secara komersial dengan nama BASOGEL
• Schwertfeger 1998, membuat silika aerogel dari water glass dengan menambahkan silylation agent pada gel (TMDSO dan TMCS) sehingga pengeringan bisa dilakukan pada tekanan atmosfer dengan efek pengerutan yang minimal
PENELITIAN SILIKA AEROGEL
• Smirnova, 2002, Mempersingkat waktu gelatin dengan menambahkan CO2 pada sol dan mengeringkan gel dengan CO2 Superkritis
• Rao dkk 2004 membuat silika aerogel dari water glass dengan penambahan Silylation agent. Disimpulkan: semakin besar besar ratio Na2SiO3:H2O, volume pengerutan dan densitas aerogel semakin turun. Aerogel yang dihasilkan berdensitas 0,14 gr/cm3
• Tang dan Wang 2005, membuat silika aerogel dari sekam padi, dengan cara mengambil kandungan silikanya lalu ditambahkan H2SO4. gel yang sudah dicuci dari garam Na dan digantikan solvennya dengan ethanol dikeringkan dengan CO2 Superkritis. Dihasilkan silika aerogel dengan densitas 0,037 kg/m3 dan luas area 597,7 cm2/gr
For the process of trimethyl treatment of the hydrogel, the solution and surface chemistry can be fully described by the following two independent stoichiometric reactions:In solution:(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3 + 2HCl = 2 (CH3)3-Si-Cl + H2O (1) (HMDS) (TMCS)On the surface:≡Si-OH + (CH3)3-Si-Cl = ≡Si-O-Si-(CH3)3 + HCl (2)where ≡Si refers to a surface species, and it is assumed that the chlorosilane is the surface reactive species.
A BOUT SILYLATION
A BOUT BET (Brunauer, Emmett, Teller)
Metode pengukuran luas area dengan adsorpsi isotermal oleh Nitrogen pada –196 oC.
Persamaan BET:
Dimana:
va = mole gas yang teradsorpsi pergram adsorbent pada tekanan gas p
vm = capasitas surface yaitu jumlah mole adsorbent yang diperlukan untuk membentuk monomolekuler layer
Po = tekanan saturated gas pada P dan T yang digunakan.
C = Konstanta
Ketika diplot dengan kita dapatkan slop dan intersep
Lalu dari vm, kita hitung luas area (m2/g).
op
pcvm.
1
)( ppv
p
oa cv
c
m .
)1(
ommoa pcv
pc
cvppv
p
..
)1(
.
1
)(
2010 NxavS mmBET
N= 6,02.1023am= luas area 1 molekul gas N = 16,3 A2
Pertumbuhan partikel
Gelling : partikel bergandengan, membentuk jaringan yang mengisi seluruh volume sol sehingga viskositas larutan meningkat dan kehilangan fluiditynya
Koagulasi: partikel bersatu menjadi satu cluster yang kompak dan sulit untuk dipisahkan dengan filtrasi
Flokulasi: partikel bersatu bersama jembatan dari flokulasi agent dengan susunan
Tentang Superkritis
Fluida superkritis, seperti gas, akan menempati seluruh volume yang tersedia, mempunyai range densitas yang besar
Properti Gas (ambient) Fluida Superkritis Liquid (ambient)
Densitas (g/cm3) 0,0006-0,002 0,2-0,5 0,6-1,6
Viskositas (g/cm.s) 0,0001-0,003 0,0001-0,0003 0,002-0,03
Difusifitas 0,1-0,4 0,0007 0,2-2 x 10-5
Viskositas FSC: gaya interaksi antar molekul rendah viscositas rendah dibanding liquid
Densitas FSC: gas like densitas rendah, kelarutan tinggi, tergantung besarnya tekanan
Difusi: sangat tinggi dibanding liquid
Volatilitas sangat tinggi sehingga mudah dipisahkan
solid
gas
liquidMelting curve
Boiling curve
superkritis
213 233 253 273 283 293 313 323
T (K)
35
30
25
20
15
10
5
0
P (Mpa)
Diagram fase CO2
Pc=7,38 Mpa
Tc=304,2 K
Gas Tc (oC) Pc (bar)
Xenon
Trifluoromethane
Chlorotrifluoromethane
Carbondioksida
Dinitrigen monoksida
Sulfur hexafluoride
Chlorodifluoromethane
Propane
Ammonia
Trichlofluoromethane
Air
16,6
25,9
29,0
31,0
36,5
45,5
96,4
96,8
132,4
198,0
374,0
57,6
46,9
38,7
72,9
71,7
37,1
48,5
42,4
111,3
43,5
217,7
Tc dan Pc berbagai fluida superkritis