pengaruh penambahan additive terhadap … · kelebihan dan kekurangan xrd kelebihan-dapat digunakan...

PENGARUH PENAMBAHAN ADDITIVE TERHADAP KEMURNIAN DAN

UKURAN HYDROXYAPATITE POWDER

DENGAN METODE FLAME SPRAY PYROLYSIS

1

Dosen Pembimbing :Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.EngDr. Widiyastuti, ST., MT

Laboratorium Mekanika Fluida dan PencampuranJurusan Teknik KimiaFakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Oleh:Taufan Sumantri (2306 100 025)Abdul Halim (2306 100 140)

Skripsi- TK091383

2

LATAR BELAKANG PENELITIAN

Hydroxyapatite (HA)

-Morfologi partikel-Kemurnian partikel-Ukuran partikel

Organ Implan

BioaktiveBioinnert

Solid Face

Metode Liquid Solution

Metode Aerosol

Temperatur pembakaran

Additive

Spray pyrolysis

Pulse combution

•Flame spray pyrolysis

3

Peneliti Tema

Wang dkk(2006)

Sinthesis nano Hydroxyapatite high cristalinity denganNaNO3 sebagai aditif dengan metode Ultrasonic Spray Pyrolysis

Cho dkk (2007) Sinthesis nano Hydroxyapatite high cristalinity padahigh temperatur dengan PEG sebagai aditif denganmetode flame spray pyrolysis

Warsito & Adhi(2009)

Sinthesis HAp submicron size tanpa menggunakan aditif dengan metode flame spray pyrolysis

Shofiyuddin & Andy (2010)

Sintesis Hydroxyapatite submicron menjadinanopartikel (bimodal size) menggunakan additive Urea, Ethylene glycol, dan Glukosa dengan metodeflame spray pyrolysis.

Penelitian Terdahulu

4

METODE PENELITIANBahan :1. Kristal Ca(NO3)2.4H2O2. Kristal (NH4)2HPO43. Gas LPG4. Udara5. Additive (Ethylene glycol,

Etanol, dan Urea)

Variabel Percobaan

1. Laju alir LPG2. Jenis Additive3. Konsentrasi

additive4. Post Treatment

5

Mekanisme Pembentukan Partikel

Flame Assisted Spray Pyrolysis

Flame Spray Pyrolysis

Vapour Fed Aerosol Spray Pyrolysis

Small partikel(nanosize)

Large partikel(submicron)

Small partikel(nanosize)

Reto Stobel & Pratsinis

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dav

=162 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

6

Pengaruh Rate LPG Terhadap Produk Partikel

Laju alir LPG

(liter/menit)0,5 (a) 1 (b)

Waktu tinggal (s) 31,65 15,83

Hydroxyapatite (% berat) 92,375 94,564

Ukuran (nm) 178 162

Morfologi bulat bulat

(a) (b)

Perbandingan prekursor – urea = 1:1

ukuran kristal 23 nm

ukuran kristal 9 nm

2Ɵ

101

102

103

104

0

5

10

15

20

25

dav

= 178 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

σ = 2,443 σ = 2,049

Calcium phosphatJCPDS 09-0348

HydroxyapatitteJCPDS 24-0033

(a) (b)

Pertikel berbentuk cincin

(f)(e)(d)

(c)(b)Partikel

teragglomerasi

(a)

Laju Alir LPG 1 liter/menitPengaruh Konsentrasi Urea

Perbandingan

Prekursor - urea

1:0,5

(a)1:1

(b)1:2

(c)1:3

(d)1:4

(e)1:5

(f)Ukuran Partikel rata-

rata (nm)172 162 134 231 183 187

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dav

=183 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

dav

=134 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

8

Calcium phosphatJCPDS 09-0348

HydroxyapatitteJCPDS 24-0033

23 nm

7 nm

9 nm

9 nm

9 nm

23 nm

Perbandingan precursor - urea

Hydroxyapatite

(%berat)Ca3(PO4)2 (%berat)

1:0,5 93,754 % 6,246%1:3 92,658 % 7,342%1:5 90,957% 9,043 %

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dav

=172 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dav

=162 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

Pengaruh Konsentrasi Urea

100

101

102

103

104

0

10

20

30

40 dav

=231 nm

dg [nm]

%

Nu

mb

er

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

dav

=187 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

Perbandingan

Prekursor - urea

1:0,5

(a)

1:1

(b)

1:2

(c)

1:3

(d)

1:4

(e)

1:5

(f)

σ 2,080 2,049 2,144 1,690 2,222 2,670

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

9

Pengaruh Konsentrasi Ethylene Glycol

(b) (a) (c)

Laju Alir LPG 0,5 liter/menit

Perbandingan Prekursor –

Ethylene Glycol

1:0,5

(a)

1:3

(b)

1:5

(c)

Ukuran Partikel rata-rata (nm)38

468

21

141

151

331

Hydroxyapatitte (% berat) 97,633 % 96,124 % 95,439 %

Ca3(PO4)2 (%berat) 2,367% 3,876% 4,561%

10

Pengaruh Konsentrasi

Ethylene Glycol

Ukuran kristal 1:5 = 23 nm

1:4 = 23 nm

1:3 = 23 nm

1:2 = 23 nm

1:1 = 23 nm

1:0,5 = 23 nm

101

102

103

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

dav

=38 dan 468 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

100

101

102

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

dg [nm]

% N

um

be

r

dav

=21 dan 141 nm

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

dav

=151 dan 331 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

1:0,5

1:1

1:2

1:3

1:4

1:5

Calcium phosphatJCPDS 09-0348

HydroxyapatitteJCPDS 24-0033

Perbandingan Prekursor

– Ethylene Glycol

1:0,5

(a)1:3

(b)1:5

(c)

σ 8,9111,545

10,7512,152

5,8061,746

(a) (b)

(c)

11

(b)(a)

(c)

Pengaruh Konsentrasi Etanol LPG 0,5 liter/menit

Perbandingan

Prekursor –

Etanol

1:0,5

(a)

1:3

(b)

1:5

(c)

Ukuran Partikel

rata-rata (nm)

68

296

150

477

98

408

Hydroxyapatite

(% berat)93,565 % 91,747 % 89,992 %

Ca3(PO4)2

(%berat)6,435% 8,253% 10,008%

12

Pengaruh Konsentrasi

Etanol

Ukuran Kristal

1:5 = 23 nm

1:4 = 23 nm

1:3 = 23 nm

1:2 = 22 nm

1:1 = 23nm

100

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

dav

=68 dan 296 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

101

102

103

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

dg [nm]

% N

um

be

r

dav

=150 dan 477 nm

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

dav

=98 dan 408 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

Calcium phosphatJCPDS 09-0348

HydroxyapatitteJCPDS 24-0033

Perbandingan Prekursor

– Etanol

1:0,5

(a)

1:3

(b)

1:5

(c)

σ8,455

1,702

5,300

1,450

7,236

1,653(a) (b)

(c)

13

(b)

(a) (c)

Pengaruh Jenis Additive 1:5

Laju Alir LPG 0,5 liter/menit

Jenis AdditiveUrea

(a)

Ethylene

Glycol

(b)

Etanol

(c)

Ukuran rata-rata

(nm)145

151

331

98

408

Hydroxyapatite

(% berat)89,201% 95,439 % 89,992 %

Ca3(PO4)2

(%berat)

10,799% 4,561% 10,008%

14

Pengaruh Jenis Additive

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

dav

=151 dan 331 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

100

101

102

103

104

0

5

10

15

20

25

dav

=145 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

Etanol 23 nm

ethylene glycol 23 nm

urea 23 nm

(a) (b)

(c)

Jenis Additive Etanol(a)

EthyleneGlycol

(b)

Urea(c)

σ 8,4551,702

5,8061,746 3,386

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

dav

=98 dan 408 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

15

Pengaruh Pemanasan

Laju alir LPG 1 liter/menit (a) (b)

Post TreatmentPemanasan

(a)

Tanpa

Pemanasan (b)

Perbandingan prekursor - urea 1:1 1:1

Ukuran (nm) 253 162

Hydroxyapatite (% berat) 54,648 94,564

Ca3(PO4)2 (% berat) 45,352 5,436

σ 7,604 2,049 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Inte

nsity [a

.u.]

2

Hydroxylapatite JCPDS 24-0033

Calcium phosphat JCPDS 09-0348

Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

dav

=253 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

100

101

102

103

104

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

dav

=162 nm

% N

um

be

r

dg [nm]

800oC selama 2 jam

Ukuran kristal :

47 nm

7 nm

(a) (b)

16

Pengaruh Pemanasan

(a) (b)

Post Treatment Pemanasan (a) Tanpa Pemanasan (b)

Perbandingan prekursor - urea 1:3 1:3

Ukuran (nm) 280 231

σ 4,340 1,690

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Inte

nsity [a

.u.]

2

Hydroxylapatite JCPDS 24-0033

Calcium phosphat JCPDS 09-0348

Hydroxyapatitte JCPDS 24-0033

101

102

103

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

dav

=280 nm

dg [nm]

% N

um

be

r

100

101

102

103

104

0

10

20

30

40 dav

=231 nm

dg [nm]

%

Nu

mb

er

Ukuran kristal110 nm

9 nm

17

KESIMPULAN1. Rate LPG semakin tinggi, ukuran partikel semakin kecil,

kemurnian semakin rendah.2. Konsentrasi aditif semakin tinggi, partikel HA semakin kecil.3. Urea, ethyen glycol dan etanol dapat digunakan untuk

menurunkan ukuran partikel HA.4. Pemanasan pada suhu 800oC selama 2 jam menyebabkan

ukuran partikel lebih besar dan kemurniannya menurun.5. Partikel yang diperoleh berbentuk bola.6. Hasil experiment terbaik dengan ukuran partikel 21,307 nm dan

kemurnian hydroxyapatite sebesar 96,124 % pada perbandinganprecursor - ethylene glycol 1:3 dengan laju alir LPG 0,5 liter/menitdan laju alir oxydizer 2,5 m3/jam.

18

Mohon Saran dan Bimbingannya

TERIMA KASIH

19

20

1. Kemurnian 97,633 % pada additiveethylene glycol 1:0,5 laju alir LPG 0,5liter/menit dan laju alir oxydizer 2,5m3/jam

21

3(NH4)2HPO4 + 5Ca(NO3)2 8N2 + 13,5H2O + 7,75O2 + Ca5(PO4)3(OH)

Reaksi

NH2CONH2 + O2 → N2+ 2H2O + CO2 ΔH = -650,2 kJ/gmol

2C2H6O2 + 5O2 6H2O + 4CO2 ΔH = -46,874 kJ/gmol

CH3CH2OH + O2 CO2 + H2O ΔH = -1285,8 kJ/gmol

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2 Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O↑

22

Bahan Property (NH4)2HPO4 Kristal/powder putih , densitas 1.619, terlarut dlm

air, insoluble dlm alcohol, tidak mudah terbakar. Grade : Pro Analisis

Ca(NO3)2.4H2O Kristal putih, densitas 1.82, titik leleh 42 C, terlarut dlm air, alcohol dan acetone Grade : Pro Analisis

Urea [CO(NH4)2]

Kristal/powder putih, densitas 1.335, titik leleh 132.7 C, terlarut dlm air alcohol dan benzene, tidak mudah terbakar Grade : Pro analisis

Glucose [C6H12O6]

Kristal tidak berwarna/ granular powder berwarna putih, tidak berbau, merasa manis, densitas 1.554, titik leleh 146 C, terlarut dlm air, Mudah terbakar (combustible) Grade : Pro analisis

Ethylen Glycol [C6H6O2]

Liquid Jernih, tidak berwarna, tidak berbau, densitas 1.1155, titik didih 197.2 C, titik beku -13.5 C, flash point :116 C, Higroskopik, , relative tidak mudah menguap, terlarut dlm air, alcohol dan acetone, Mudah terbakar (combustible). Grade : Pure

Udara Tabung Gas campuran dengan komposisi , O2 21 % N2 79 %, uap air 2.99 ppm

Alat XRD

X Ray diffractometer merupakan suatu alat yang digunakan untuk mendeteksi unsur atau senyawa yang terkandung dalam suatu padatan. Alat ini bekerja berdasarkan difraksi sinar X oleh unsur atau senyawa dalam suatu padatan. Setiap unsur mempunyai intensitas pemantulan sinar X yang berbeda jika disinari pada sudut tertentuCara Kerja XRD1. Sampel padat diletakkan pada suatu preparat kaca2. Sumber sinar bergerak mengelilingi sampel sambil menyinari sampel3. Detector menangkap pantulan sinar dari sampel4. Alat perekam merekam intensitas pantulan sinar untuk tiap sudut tertentu5. Hasil analitis dalam bentuk grafik sudut penyinaran vs intensitas pantulanKelebihan dan Kekurangan XRDKelebihan- Dapat digunakan untuk mendeteksi berbagai unsur- Sampel yang dipakai tidak harus murniKekuranganTidak dapat digunakan langsung pada sampel cair atau gas.

25

Alat ＳＥＭ

Prinsip Kerja SEM :Alat SEM akan menembak permukaan benda dengan berkas elektron berenergitinggi. Permukaan benda yang dikenai berkas akan memantulkan kembali Berkas elektron berenergi tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah dimana berkas dipantulkan denganintensitas tertinggi. Detektor didalam SEM akan mendeteksi elektronyang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan denganintensitas tertinggi. Arah tersebut memberi informasi profil permukaan benda.Dengan program pengolahan gambar yang ada di komputer maka profilpermukaan benda dapat dibangun.kita bisa melakukan Zoom (in/out)

26

Alat XRD

Type :

RINT 2200 V, Philips.

Alat ＳＥＭ

28

Cara Kerja Cyclone

Experimental Setup

424

23

HPO)(NHO.4HCa(NO)

propanaair

Reaction Flame:

C3H8 + O2 CO2 + H2O

Energi

Evaporasi:

Penguapan

H2O

Reaksi/dekomposisi:

Ca(NO3)2 + (NH4)2HPO4

Ca10(PO4)6(OH)2 + H2O

+ N2

Preparasi prekursor untukHydroxyapatite

Ca/P=1.67

BBKD

cos

Diameter rata-rata kristal diukur dengan menggunakan persamaan Scherrer :

Dimana D adalah ukuran (diameter) kristalin, λ adalah panjang gelombangsinar-X yang digunakan dalam nanometer,θB adalah sudut Bragg atau sudutdifraksi dalam derajat, B adalah lebar penuh pada setengah intensitas maksimum,dan K adalah konstanta material yang nilainya kurang dari satu.

31

Gambar Foto Alat Flame Spray Pyrolisis

Ultrasonic Nebulizer

Reaktor Flame

Yang kurang1. Gambar Alat SEM2. Sifat kimia etanol

33

SEPARATION FACTOR

Perbandingan antara centrifugal force dengan gravity

force dinamakan separation factor

rg

v

mg

rmv

F

F

g

c

2tan

2tan /

Stoke’s Law

gr

VgDV

pp

tR

2tan

2

18)(

Dimana :

VtR = Terminal radial velocity

Dp = Diameter partikel

g = konstanta gravitasi

ρp = densitas partikel

ρ = densitas fluida

μ = viskositas fluida

Vtan = kecepatan tangensial

r = jari-jari cyclone

Tambahan

36

Kecepatan didalam cyclone :V = Q/(W*(D-De)/2) m/s .........(1)

Dimana De=0,5DW=0,18DQ adalah debit udara

Kecepatan radial=lajua alir volumetrik dibagi dengan luas penampang dengan jari2 r...

37

Cara Kerja Electrostatic Precipitator•Dengan melewatkan gas buang (flue gas) melalui suatu medan listrik yang terbentuk antara discharge electrodedengan collector plate, flue gas yang mengandung butiran debu pada awalnya bermuatan netral dan pada saatmelewati medan listrik, partikel debu tersebut akan terionisasi sehingga partikel debu tersebut menjadi bermuatannegatif (-).•Partikel debu yang sekarang bermuatan negatif (-) kemudian menempel pada pelat-pelat pengumpul (collectorplate).•Debu yang dikumpulkan di collector plate dipindahkan kembali secara periodik dari collector plate melalui suatugetaran (rapping).•Debu ini kemudian jatuh ke bak penampung (ash hopper), dan ditransport (dipindahkan) ke flash silo dengan cara divakum atau dihembuskan.Proses Pembentukan Medan Listrik•Terdapat dua jenis electrode, yaitu discharge electrode yang bermuatan negatif dan collector plate electrodebermuatan positif.•Discharge electrode diletakkan diantara collector plate pada jarak tertentu (memiliki jarak antara dischargeelectrode dengan collector plate).•Discharge electrode diberi listrik arus searah (DC) dengan muatan minus, pada level tegangan antara 55 – 75 KvDC(sumber listrik awalnya adalah 380 volt AC, kemudian dinaikkan oleh transformer menjadi sekitar 55 – 75 Kv dandirubah menjadi listrik DC oleh rectifier, diambil hanya potensial negatifnya saja).•Collector plate ditanahkan (di-grounding) agar bermuatan positif. Dengan demikian, pada saat discharge electrodediberi arus DC maka medan listrik terbentuk pada ruang yang berisi tirai-tirai electrode tersebut dan partikel-partikel debu akan tertarik pada pelat-pelat tersebut, Gas bersih kemudian bergerak ke cerobong asap.