andar kusnanto (2309100068) supriyono (2309100114) · geothermal sludge (gs) sebagai limbah padat...

Andar Kusnanto (2309100068) Supriyono (2309100114)

Dosen Pembimbing :

LABORATORIUM ELEKTROKIMIA DAN KOROSI TEKNIK KIMIA FTI-ITS

LABORATORIUM ELEKTROKIMIA DAN KOROSI TEKNIK KIMIA FTI-ITS

Sumber Silika: -MCM-41 -TEOS --TMOS -Abu Bagasse -Geothermal Sludge -- dll

Aplikasi Silika berpori: -Katalis -Adsorben (xerogel, aerogel)

LATAR BELAKANG

Murah dan belum banyak dikembangkan

LATAR BELAKANG

Geothermal Sludge (GS) sebagai Limbah Padat di PLTPB Dieng

• GS merupakan endapan dari limbah cair panas bumi (geothermal brine)

• Kapasitas GS: 165 ton/bulan (Suprapto, 2009)

mengandung silika sekitar 86.6 % berat SiO2.

Potensi bahan baku untuk material berbasis silika

Page 5

Luas permukaan besar Pori tipe open pore Stabil pada kondisi asam Adsorbent inorganik polar

Komposit yang unggul

Silika

Luas permukaan besar Pori tipe close pore

Stabil pada kondisi asam dan basa Adsorbent non polar

Karbon

Silika-Karbon

LATAR BELAKANG

Page 6

silika

karbon

pore

pore

Pori semakin besar A >>

Kemampuan adsorpsi Silica-carbon composite

menjadi sangat besar

Penelitian Terdahulu

metode sintesa hibrida silika-karbon dengan menggunakan metode sol-gel dari waterglass dengan PEG sebagai sumber karbon.

Rommi, dkk (2009)

Sintesis silika xerogel dari GS dengan metode ekstraksi basa menghasilkan ukuran silika gel jenis mesopori. Dewi, dkk.

(2012)

Pembuatan mesopor silika-karbon dari bahan TEOS (Tetra Ethoxysilane)

Xinghua Zhang et all. 2012

1. Mengembangkan metode sintesa komposit silika-karbon dari geotermal sludge sebagai sumber silika.

2. Mengevaluasi karakteristik silika karbon yang meliputi luas permukaan, volume pori, diameter pori, dan distribusi pori

1. Memberikan kontribusi untuk pembuatan komposit silika-karbon dari geothermal sludge sebagai sumber silika.

2. Memberikan kontribusi untuk pembuatan komposit silika-karbon menggunakan asam tartrat sebagai sumber karbon.

LABORATORIUM ELEKTROKIMIA DAN KOROSI TEKNIK KIMIA FTI-ITS

Metodologi Percobaan

Alat Karbonisasi

1. Metode Adsorbsi/Desorpsi Nitrogen Luas Permukaan, volume pori, diameter pori, dan distribusi pori

NOVA 1200e Surface Area and Pore Size Analyzer

2. X-ray diffraction Komposisi produk

3. Scanning Electro Microscophy morfologi produk

Foto silika gel

.

Produk silika gel pada perbandingan silika : Aquadest = 1:2; pH 8 dengan

variabel konsentrasi asam tartrat (a) 0,1M; (b) 0,2M; (c) 0,3M; (d) 0,4M

a.

d.

c.

b.

Foto komposit silika-karbon

.

Produk komposit silika-karbon pada perbandingan silika : Aquadest = 1:2; pH 8

dengan variabel konsentrasi asam tartrat (a) 0,1M; (b) 0,2M; (c) 0,3M; (d) 0,4M

a.

d.

c.

b.

Hasil pencitraan komposit silika-karbon dengan metode SEM (Scanning Electron

Microscope) dengan perbesaran 50.000 kali

Pencitraan Komposit Silika-Karbon dengan Metode

SEM (Scanning Electron Microscope)

10 20 30 40 50 600

100

200

300

400

500

600In

tens

ity (a

.u)

2 Theta

Silika gel dengan penambahan asam tartrat 0,3 M kemudian dicuci 1x Silika gel dengan penambahan asam tartrat 0,3 M tanpa pencucian Silika gel dengan penambahan asam tartart 0,2 M tanpa pencucian

Pencitraan Pola Difraksi Sinar X Silika gel

Pola difraksi sinar x menunjukkan

bahwa sample adalah silika

.

Perbandingan silika : Aquadest = 1:2; pH 8 dengan variabel konsentrasi asam tartrat

0,1M (a); 0,2M (b); 0,3M(c); 0,4M(d)

a.

d.

c.

b.

Kurva Isotermis Adsorpsi-Desorpsi gas N2 pada

Komposit Silika-Karbon

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

50

100

150

200

250

300

350

Volu

me

dala

m k

eada

an S

TP (c

c/g)

Relatif pressure (P/PO)

konsentrasi a.tartrat 0,1 M adsorpsi desorpsi

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0

50

100

150

200

250

300

350

Volu

me

dala

m k

eada

an S

TP (c

c/g)

Relatif pressure (P/PO)

Konsentrasi A.Tartrat 0.2 M adsorpsi desorpsi

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

20406080

100120140160180200220240260280300320340

Volu

me

dala

m k

eada

an s

tand

ar (c

c/g)

Relatif Pressure (P/PO)

konsentrasi a.tartrat 0,3 M adsorpsi desorpsi

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00

50

100

150

200

250

300

350

Vol

ume

dala

m k

eada

an s

tand

ar (c

c/g)

Relatif Pressure (P/PO)

Konsentrasi a.tartrat 0,4 M adsorpsi desorpsi

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Surfc

e Ar

ea (m

2 /gra

m)

Konsentrasi Asam Tartrat (M)

SiO2-C tanpa cuci SiO2 cuci 1x (blangko) SiO2-C cuci 1x

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Diam

eter

Por

i (nm

)

Konsentrasi Asam Tartrat (M)

1 10 1000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

dV(lo

g d) (c

c/gram

)

Diameter (nm)

0,4 M 0,3 M 0,2 M 0,1 M

Pengaruh Konsentrasi Asam Tartrat Terhadap Surface Area,

Volume Pori, Diameter Pori, dan Distribusi Pori

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.500.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

Volu

me

Pori

(cc/

gram

)

Konsentrasi Asam Tartrat (M)

Kesimpulan

1. Nilai surface area dan diameter pori paling besar, distribusi pori

yang paling seragam pada komposit silika-karbon dengan

penambahan asam tartrat konsentrasi 0,1 M.

2. Asam tartrat dapat digunakan sebagai sumber karbon dalam

sintesis komposit silika-karbon, tetapi karbonisasi pada suhu

400oC terjadi penyumbatan pada pori silika.

TERIMA KASIH……

Reaksi Sintesa Komposit Silika-Karbon

Ekstraksi Silika:

SiO2 + 2 NaOH Na2SiO3 + H2O

Penambahan Asam Tartrat

Na2SiO3 + C4H6O6 Na2C4H4O6 + H2SiO3

Penambahan HCl:

NaOH + HCl NaCl + H2O

Na2SiO3 + 2 HCl H2SiO3 + 2 NaCl

Karbonisasi pada suhu 400oC pada kondisi :

H2SiO3 SiO2 + H2O

Na2C4H4O6 4 C + 2 Na ↑ + 2 H2O + 2 O2

Reaksi Total di Karbonisasi:

H2SiO3 + Na2C4H4O6 + NaCl SiO2-C + 2 Na ↑ + 3 H2O ↑ + 2 O2 ↑ + NaCl

Penyelesaian secara grafis dengan plot 1/(V[(Po/P)]-1) vs P/Po. Volum monolayer (Vm) = 1/(s+i), s = C-1 / (VmC), I = 1/VmC dimana s : slope dan i : intersept-y.

Surface = (Vm.N.Acs)/M

N = 6.023x1023 moleculer/mol

Acs = 16.2 Ǻ2

p/p0 p/p0 p/p0

p/p0 p/p0 p/p0

n n n

n n n

p/p0 = 0 gas yang teradsorp sangat sedikit, daerah monolayer belum penuh,

p/p0 < 0,1, mulai terjadi adsorpsi gas yang menjenuhi monolayer. p/p0 kira-

kira 0,5 adsorpsi multilayer mulai terjadi, tetapi jumlah yang teradsorpsi tidak

terlalu banyak, shg slope grafiknya kecil (kenaikan tidak tajam).

p/p0 sekitar 0,7.

Interaksi molekul gas

yang teradsorp pada

dinding pori yg saling

berhadapan mulai

terjadi

p/p0 = 1, molekul2 gas

memenuhi mesopori.

Kurva isotermalnya

naik tajam karena

jumlah gas yang

teradsorpsi sangat

besar.

p/p0 = 0 p/p0 <0 p/p0 = 0,5

p/p0 = 0,7 p/p0 = 1 desorpsi

Modification of Langmuir isotherm Both monolayer and multilayer adsorption Layers of adsorbed molecules divided in:

– First layer with heat of adsorption Had,1

– Second and subsequent layers with Had,2 = Hcond

BET isotherm:

BET equation does not fit entire adsorption isotherm– different mechanisms play a role at low and at high p

0mm

0ad

11p

p

Cn

C

Cnppn

p

RT

HHC condadexp

HIn

ad

p/p0

H2

nad

p/p0

H3

nad

p/p0

A

Vd

4

A adalah surface area BET.

diameter pori rata-rata

total pore volume, V, diperoleh dari jumlah maksimum gas yang

diadsorbsi pada puncak (akhir) isotherm dan konversi volume gas

menjadi volume liquid.

Types IV Isotherms

Relative Pressure (P/Po)

Volu

me

adso

rbed

Perkiraan lokasi

pembentukan monolayer

Daerah slope rendah pada

pertengahan isotherm menunjukkan

awal pembentukan multilayer

Histeresis menunjukkan

kondensasi kapiler dalam meso

dan makropori.

Pada P/Po~0.4 menunjukkan

adanya sedikit mesopori

Ka = [H+][ HC4H4O6-] x = [H+] = [HC4H4O6

-] ≈ x2 = (C)( Ka)

[H2C4H4O6]

L(+) 25 °C :

pKa1= 2.95 pKa2= 4.25

meso 25 °C:

pKa1= 3.22 pKa2= 4.85

Ka = 10-2.95

Walaupun ionisasi kedua menghasilkan H+ yang cukup signifikan tetapi HC4H4O6-

juga dihasilkan dalam jumlah yang sama sehingga H+ dari ionisasi kedua dapat diabaikan (Ka1 dan Ka2 relatif sama).

H2C4H4O6 + H2O ↔ H3O+ + HC4H4O6

- Ka1 HC4H4O6

- + H2O ↔ H3O+ + C4H4O6-2 Ka2

pH = -log H+

NaOH volumedihasilkan yangfiltrat volume

diuapkan yangfiltrat volume

mol NaOH = molar NaOH x V Reaksi Ekstraksi : xSiO2 + 2NaOH → Na2O·xSiO2 + H2O

mol Na2O = ½ x mol NaOH

Massa Na2O = mol Na2O x BM Na2O

V =

ONa mol

SiO mol

2

2

Massa SiO2 dalam larutan sodium silikat (filtrat)

Massa SiO2 = Massa filtrat kering – Massa Na2O

Mol SiO2 =

Rasio SiO2/Na2O, x =

2

2

SiO BM

SiO massa

Piknometer Volum

dihasilkan yangfiltrat massa ρ filtrat =

%100filtrat Vfiltrat x

SiO massa 2

Konsentrasi SiO2 (% wt)

=

Sol = a stable suspension of colloidal solid particles or

polymers in a liquid

Gel = porous, three-dimensional, continuous solid

network surrounding a continuous liquid phase

Colloidal (particulate) gels = agglomeration of dense

colloidal particles

Polymeric gels = agglomeration of polymeric particles

made from subcolloidal

units

Agglomeration = covalent bonds, van der Walls, hydrogen

bonds, polymeric chain

entanglement

Jadi tren yang konsisten jelas: asam-katalis

hidrolisis dengan rasio H20/Si rendah menghasilkan lemah

bercabang "polimer" jaringan, sedangkan

dasar-katalis hidrolisis dengan rasio H20/Si besar

menghasilkan bercabang "koloid" partikel.

simple method for preparing a sulfonated carbon–silica-meso composite

showing high acidity and porosity useful for transformation of bulky

molecules, where glucose was used as a carbon source as well as a non-

surfactant templating precursor and the resultant composite upon

calcination yielded the mesoporous silica.

Facile synthesis of a sulfonated carbon−silica-meso composite and

mesoporous silica (Devaki et all, 2011)

Periodic mesoporous organosilica mesophases are versatile

precursors for the direct preparation of mesoporous silica/carbon

composites, carbon and silicon carbide materials

Zhuxian Yang , Yongde Xia and Robert Mokaya

J. Mater. Chem., 2006,16, 3417-3425

Facile one-pot synthesis of mesoporous hierarchically structured

silica/carbon nanomaterials .

Xinghua Zhang , Yanan Li and Chuanbao Cao

J. Mater. Chem., 2012,22, 13918-13921

Mesoporous silica/carbon nanomaterials with various hierarchical structures have

been fabricated by a one-pot approach. Polymer/silica/surfactant (PSS) composites

are first prepared by the co-sol–gel process of TEOS and resorcinol–formaldehyde

precursor in the presence of CTAB. The PSS morphologies could be tuned by

simply altering the content of ethanol in solution.

Silicon Embedded Nanoporous Carbon Composite for the Anode

of Li Ion Batteries Sun-Hwak Wooa, Jin-Hwan Parkb,c, Sung Woo Hwangb and Dongmok Whanga,z

Silicon-embedded nanoporous carbon composites were designed and

fabricated for application as an active anode material in lithium ion

batteries. The nanoporous carbon matrix with pore sizes of 80–100 nm was

prepared using silica nanoparticle templates, and the pores of the carbon

matrix were partially filled with silicon nanostructures using metal-

catalyzed vapor-liquid-solid (VLS) growth of silicon. The porous carbon

matrix surrounding the silicon nanomaterials acts as an effective buffer

material, which decreases pulverization of the silicon. In addition, the

interconnected porous structure and tight contact between the Si

nanostructure and the surrounding carbon enable facile electron and ion

transport to generate an efficient charge/discharge pathway. The composite

materials used as the anode in lithium ion batteries demonstrated a high

charge storage capacity of ∼1,600 mAh g−1, which is ∼96% of the calculated

maximum capacity at the composition, and good capacity retention

characteristics.

PLTPB Dieng Menghasilkan limbah padat PLTPB sebanyak

165 ton/bulan

Senyawa Bahan Baku (% Berat)

SiO2 86.6

CaO 1.75

MnO 0.37

Fe2O3 6.55

CuO 0.13

ZnO 0.48

PbO 0.46

Na2O 0.59

S 0.37

Kandungan Senyawa dalam Limbah Padat PLTPB Dieng

Mengandung kadar SiO2 yang sangat

tinggi

10 20 30 40 50 60

a.u

2 Theta

Hasil Analisa XRD terhadap Limbah Padat PLTPB

Silika Amorf