Andar Kusnanto Supriyono
(2309100068) (2309100114)
Dosen Pembimbing :
LABORATORIUM ELEKTROKIMIA DAN KOROSI TEKNIK KIMIA FTI-ITS
LABORATORIUM ELEKTROKIMIA DAN KOROSI TEKNIK KIMIA FTI-ITS
LATAR BELAKANG Sumber Silika: -MCM-41 -TEOS --TMOS -Abu Bagasse -Geothermal Sludge -- dll Murah dan belum banyak dikembangkan
Aplikasi Silika berpori: -Katalis -Adsorben (xerogel, aerogel)
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
LATAR BELAKANG
Silika
Luas permukaan besar Pori tipe open pore Stabil pada kondisi asam Adsorbent inorganik polar
Karbon
Luas permukaan besar Pori tipe close pore Stabil pada kondisi asam dan basa Adsorbent non polar
Silika-Karbon
Komposit yang unggul Page 5
pore pore
silika
karbon
Kemampuan adsorpsi Silica-carbon composite menjadi sangat besar
Page 6
A >>
Pori semakin besar
Penelitian Terdahulu metode sintesa hibrida silika-karbon dengan menggunakan metode sol-gel dari waterglass dengan PEG sebagai sumber karbon.
Sintesis silika xerogel dari GS dengan metode ekstraksi basa menghasilkan ukuran silika gel jenis mesopori.
Rommi, dkk (2009) Dewi, dkk. (2012)
Pembuatan mesopor silikakarbon 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 silikakarbon dari geothermal sludge sebagai sumber silika. 2. Memberikan kontribusi untuk pembuatan komposit silikakarbon 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 a.
c.
b.
d.
. 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
Foto komposit silika-karbon a.
c.
b.
d.
. 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
Pencitraan Komposit Silika-Karbon dengan Metode
SEM (Scanning Electron Microscope)
Hasil pencitraan komposit silika-karbon dengan metode SEM (Scanning Electron Microscope) dengan perbesaran 50.000 kali
Pencitraan Pola Difraksi Sinar X Silika gel 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
600
Pola difraksi sinar x menunjukkan bahwa sample adalah silika
500
Intensity (a.u)
400
300
200
100
0
10
20
30
40
2 Theta
50
60
Kurva Isotermis Adsorpsi-Desorpsi gas N2 pada konsentrasi a.tartrat 0,1 M
a.
adsorpsi
desorpsi
c.
Volume dalam keadaan STP (cc/g)
350 300 250 200 150 100 50
Volume dalam keadaan standar (cc/g)
Komposit Silika-Karbon
0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
konsentrasi a.tartrat 0,3 M
340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0,0
1,0
0,2
Relatif pressure (P/PO)
adsorpsi
Volume dalam keadaan STP (cc/g)
d.
300 250 200 150 100 50 0 0,0
0,2
0,4
0,6
Relatif pressure (P/PO)
0,8
1,0
Konsentrasi a.tartrat 0,4 M
350
desorpsi
350
Volume dalam keadaan standar (cc/g)
.
0,6
desorpsi
0,8
1,0
Relatif Pressure (P/PO)
Konsentrasi A.Tartrat 0.2 M
b.
0,4
adsorpsi
adsorpsi
desorpsi
300 250 200 150 100 50 0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Relatif Pressure (P/PO)
Perbandingan silika : Aquadest = 1:2; pH 8 dengan variabel konsentrasi asam tartrat 0,1M (a); 0,2M (b); 0,3M(c); 0,4M(d)
Pengaruh Konsentrasi Asam Tartrat Terhadap Surface Area, Volume Pori, Diameter Pori, dan Distribusi Pori SiO2-C tanpa cuci SiO2 cuci 1x (blangko) SiO2-C cuci 1x
500
6.0 5.5 5.0
350
4.5
Diameter Pori (nm)
400
300
2
Surfce Area (m /gram)
450
6.5
250 200 150
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0
100
1.5
50
1.0 0.5
0 0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0.0 0.00
0,40
Konsentrasi Asam Tartrat (M)
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0,4 0,3 0,2 0,1
0.60 0.55
3.5
0.50
3.0
0.40
dV(log d) (cc/gram)
Volume Pori (cc/gram)
0.45
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15
2.5 2.0 1.5 1.0
0.10 0.5
0.05 0.00 0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
Konsentrasi Asam Tartrat (M)
0.40
0.50
Konsentrasi Asam Tartrat (M)
0.45
0.50
0.0
1
10
Diameter (nm)
100
M M M 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
n
n
p/p0 = 0 p/p 0
n
n
p/pp/p 0 <0 0
n
p/p0 = p/p 0,70
p/p0 p/p = 0,5 0
n
p/p0 p/p = 10
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.
desorpsi p/p0
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 kirakira 0,5 adsorpsi multilayer mulai terjadi, tetapi jumlah yang teradsorpsi tidak terlalu banyak, shg slope grafiknya kecil (kenaikan tidak tajam).
HI
H2
H3
p 1 C 1 p 0 0 p p nmC nmC p
BET isotherm: n ad
nad
nad
nad
Modification of Langmuir isotherm Both monolayer and multilayer adsorption Layers of adsorbed molecules divided in: 0 p/player p/p0 H – First with heat of adsorption ad,1 – Second and subsequent layers with Had,2 = Hcond
p/p0
H ad H cond C exp RT
BET equation does not fit entire adsorption isotherm – different mechanisms play a role at low and at high p
total pore volume, V, diperoleh dari jumlah maksimum gas yang diadsorbsi pada puncak (akhir) isotherm dan konversi volume gas menjadi volume liquid. diameter pori rata-rata
4V d A
A adalah surface area BET.
Types IV Isotherms
Volume adsorbed
Histeresis menunjukkan kondensasi kapiler dalam meso dan makropori.
Pada P/Po~0.4 menunjukkan adanya sedikit mesopori
Perkiraan lokasi pembentukan monolayer
Daerah slope rendah pada pertengahan isotherm menunjukkan awal pembentukan multilayer
Relative Pressure (P/Po)
H2C4H4O6 + H2O ↔ H3O+ + HC4H4O6HC4H4O6- + H2O ↔ H3O+ + C4H4O6-2
Ka1 Ka2
Ka = [H+][ HC4H4O6-] x = [H+] = [HC4H4O6-] ≈ x2 = (C)( Ka) [H2C4H4O6]
pH = -log H+ Walaupun ionisasi kedua menghasilkan H+ yang cukup signifikan tetapi HC4H4O6juga dihasilkan dalam jumlah yang sama sehingga H+ dari ionisasi kedua dapat diabaikan (Ka1 dan Ka2 relatif sama).
L(+) 25 °C : pKa1= 2.95 pKa2= 4.25 meso 25 °C: pKa1= 3.22 pKa2= 4.85
Ka = 10-2.95
V=
volume filtrat yang diuapkan volume NaOH volume filtrat yang dihasilkan 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
Massa SiO2 dalam larutan sodium silikat (filtrat) Massa SiO2 = Massa filtrat kering – Massa Na2O Mol SiO2 = massa SiO 2 BM SiO 2 Rasio SiO2/Na2O, x =
ρ filtrat =
mol SiO 2 mol Na 2 O
massa filtrat yang dihasilkan Volum Piknometer
massa SiO 2 100% Konsentrasi SiO2 (% wt) filtrat x V filtrat =
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.
Facile synthesis of a sulfonated carbon−silica-meso composite and mesoporous silica (Devaki et all, 2011)
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 nonsurfactant templating precursor and the resultant composite upon calcination yielded the mesoporous silica.
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 metalcatalyzed 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.
Kandungan Senyawa dalam Limbah Padat PLTPB Dieng
PLTPB Dieng
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
Mengandung kadar SiO2 yang sangat tinggi
a.u
Silika Amorf
Menghasilkan limbah padat PLTPB sebanyak 165 ton/bulan
Senyawa
10
20
30
40
2 Theta
50
60
Hasil Analisa XRD terhadap Limbah Padat PLTPB
