Influence of Carbon Concentration on Carbon Encapsulated Nanosilica from Rice Husk to Solar Steam Conversion Nurhayati Ayu Lestari1, Nandang Mufti2, Siti Zulaikah3 Faculty of Mathematics and Natural Sciences, State University of Malang Semarang Street number 5 Malang 65145. Gedung O6
ABSTRACT Solar steam conversion is converting sunlinght into heat which is used to produce steam. Steam can be applied in many technological applications such as sterilization of medical devices, energy, etc. One of methods to produce steam is by converting solar to heat in water environment. In this research nanosilica is used as solar steam converter due to high stability of this compound. Source of silica that used is rice husk which is one of the largest silica abundant. The silica purification was done by alkali extraction method and sol gel method to synthesis nanosilica. Carbon encapsulated nanosilica synthesized by sonochemical method with glucose as source of carbon. The samples has been characterized by XRF, SEM-EDX, and XRD. The effectivity of solar steam conversion performed by measuring time dependent of temperature and pressure. Based on XRF and XRD result shown that nanosilica has purity of 96% in amorphous phase. Based on SED-EDX at carbon encapsulated nanosilica (SiO2@C) that amount of carbon increasing by increasing glucose concentration. Structure morphology of nanosilica is agglomerated and average particle size is 66.49 nm. Based on solar steam conversion, carbon encapsulated nanosilica influence of temperature and pressure rise. Within two minutes the sample of carbon encapsulated nanosilica mixed with water can be produce steam at high temperature. Carbon concentration on carbon encapsulated nanosilica influence the temperature and pressure on solar steam conversion. This is indicated from the result of carbon encapsulated nanosilica test with 41.34% percent carbon produce steam temperature 114.2 ° C and pressure of 0.37 bar. Keywords : solar steam, rice husk, nanosilica
PENDAHULUAN Saat ini nanoteknologi telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Pada tahun 2006, lebih dari 300 buah produk komerisal tersedia di pasaran yang dilklaim behwa terjadinya peningktan sifat-sifatnya dikarenakan adanya peran nanomaterial di dalamnya. Pada tahun 2008 mencapai dua kali lipat dari nilai sebelumnya (Fernandez, 2012). Ukuran partikel yang seragam dan homogen dalam skala nano sangat penting baik dalam bidang sains maupun dalam bidang industri, seperti katalis, pigmen, farmasi (Zawrah, 2009). Salah satu material yang menjadi perhatian peneliti adalah nanopartikel silikia (SiO2). Hal ini
disebabkan karena nanopartikel silika memilliki kestabian yang bagus, iner secara kimia, bersifat biokompatibel yang mampu bekerja selaras dengan sistem kerja tubuh, dan membentuk sperik tunggal (Yuan, 2010). Salah satu sumber penghasil silikaterbesar adalah sekam padi. Sekam padi mengandung sekitar 90% 98% silika setelah mengalami pembakaran sempurna (Hanafie, 2013). Indonesia merupakan negara yang mayoritas penduduknya adalah petani dimana menjadikan beras sebagai makanan pokok. Beras yang dihasilkan dari industri penggilingan padi adalah 65%, 20% adalah sekam padi dan sisanya hilang (Ismunadji dalam Hanafie, 2013). Sekam padi sering dikatakan sebagai limbah atau 1
bahan buangan sisa dari proses pengolahan hasil pertanian. Pemanfaatan sekam padi saat ini masih sangat terbatas, sehingga sekam tetap menjadi bahan limbah yang mengganggu lingkungan. Sekam padi sering dianggap sebagai bahan yang kurang bermanfaat dan bernilaigizi rendah karena mengandung abu yang cukup tinggi (Houston dalam Hanafie, 2013). Nanoteknologi merupakan aplikasi baru yang memiliki dampak besar pada dunia. Nanopartikel silika yang dibungkus Au kemudian dimasukkan ke dalam air dan dikenai sinar matahari dapat meningkatkan suhu secara drastis sehingga muncul uap yang disebut dengan nanobubbles. Dalam hal ini, nanopartikel berperan sebagai converter panas matahari sehingga menyebabkan suhu air meningkat secara drastis (Halas, 2012). Uap dengan suhu tinggi dapat digunakan sebagai desalinasi dan pemurnian air minum. Uap juga dapat digunakan untuk sterilisasi alat - alat medis. Pada percobaan yang dilakukan oleh Halas dkk, temperatur uap yang dihasilkan adalah 140 oC dimana dengan suhu sekian cukup tinggi untuk sterilisasi. Selain itu, uap dapat digunakan untuk menggerakkan turbin langsung untuk pembangkit listrik. Dengan menggunan logam nanopartikel sebagai absorber, suhu uap yang dihasilkan akan naik secara drastis (Polman, 2012). Berdasarkan uraian di atas, bahwa SiO2 yang digunakan sebagai inti (core) dan emas sebagai pelapis (shell) dapat meningkatkan suhu uap dengan waktu yang relatif cepat dan menghasilkan temperatur tinggi. Sedangkan pelapis yang menggunakan emas memakan biaya yang cukup besar, maka perlu dilakukan suatu penelitian untuk mensiasati hal tersebut. Dalam penelitian ini digunakan karbon sebagai pelapis
(shell) dimana karbon juga memiliki stabilitas tinggi pada berbagai ruang lingkup kimia dan fisika baik pada suasana asam maupun basa. Metode yang digunakan untuk pelapisan nano silika adalah metode sonokimia dengan glukosa sebagai sumber karbon. Metode sonokimia merupakan metode yang dapat digunakan untuk mensintesis berbagai macam nanostruktur material carbon seperti nanotubes, nano-unions, nanoscrolls dan lain sebagainya. Selain dilakukan pada temperatur ruang dan tekanan atmosfer yang rendah, metode ini juga tidak menggunakan katalis logam. Berdasarkan uraian di atas, maka penelitian ini berjudul “Pengaruh Jumlah Karbon Pada Pembungkusan Nanosilika Berbasis Abu Sekam Padi Terhadap Konversi Solar Steam”. METODE PENELITIAN Tahap ekstraksi silika murni dari abu abu sekam padi Membersihkan sekam padi sampai benar-benar bersih kemudian dijemur sampai kering. Selanjutnya sekam dibakar di atas tungku kemudian digerus mengguakan ayakan 200 mesh. Hasil ayakan difurnace pada suhu 700oC selama 4 jam. Abu sekam yang sudah difurnace diuji XRF untuk mengetahui kandungan silika dalam abu tersebut. Tahap awal dalam mengekstraksi silika adalah mencampurkan 20 gram abu sekam padi dengan 160 ml NaOH 3N lalu distirer selama 3 jam pada suhu 95oC dengan kecepatan 400rpm. Setelah homogeny larutan disaring dan sisa saringan ditetesi dengan aquades hangat. Hal ini dikarenakan masih ada silika yang tertinggal dalam kertas saring. Hasil tetesan dicampur dengan filtrat yang lolos saringan tadi.
2
Selanjutnya filtrat ditetesi H2SO4 5N sambil distirer sampai pH larutannya 2. Kemudian menambahkan larutan NaOH 2.5 M sampai pH 7.5. Setelah pH netral distirer selama 3 jam dan didiamkan selama 18 jam. Silika yang sudah menjadi gel tadi disaring lalu residunya dibilas dengan aquades sebanyak 5 kali dan dikeringkan selama 3 jam pada suhu 90oC. Bubuk silika yang sudah jadi diuji XRF guna mengetahui kandungan silika. Tahap sintesis nanosilika Bubuk silika yang dihasilkan dari proses di atas diekstraksi menggunakan alat soxhlet dengan pelarut HCl 6N selama 4 jam. Setelah proses ini selesai silika dicuci menggunakan air deionisasi sampai bebas asam. Melarutkan siika ke dalam 2.5N NaOH dan distirer selama 10 jam. Selanjutnya ditambahkan H2SO4 sampai pH 7.5. silika yang sudah diendapkan dicuci berulang kali sampai bebas alkali. Bubuk silika dikeringkan pada suhu 50oC selama 48 jam dalam oven. Nanosilika yang sudah jadi dikarakterisasi menggunakan XRD dan SEM-EDX.
Tahap uji pengaruh nanosilika terhadap laju kenaikan suhu Mencampurkan 1 gram nanosilika dengan 1mL air, kemudian dimasukkan ke dalam tes tube dengan diameter 1 cm. memfokuskan cahaa matahari dengan loop, pastikan jarak loop dengan nanosilika tetap pada setiap pengukuran. Cahaya matahari yang telah difokuskan menggunakan loop diarahkan pada sampel nanosilika selanjutnya diamatai kenaikan suhu setiap 5 detik selama 2 menit. HASIL DAN PEMBAHASAN Ekstraksi Silika Dari Abu Sekam Padi Tahap awal pada proses ekstraksi silika dari abu sekam padi adalah pembakaran sekam padi yang telah dicuci dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Sekam yang sudah dibakar selanjutnya dikalsinasi pada suhu 700oC selama 4 jam. Dari 10 gram abu sekam padi setelah dikalsinasi abu sekam padi yang tersisa adalah sebesar 4,62 gram.
nanosilika
Abu sekam padi yang sudah dikalsinasi mengandung 58,7% Si, 13,7% K, 6,9% Fe, dan pengotor lain yang persentasenya kurang dari 1%.
Membuat larutan glukosa dengan variasi molar yaitu 0,5M, 1 M, 1,5M, dan 2M. mencampurkan 50mL larutan glukosa dengan 5 gram nanosilika lalu distirer Selama 3 jam agar homogeny. Larutan disonikasi selama 2 jam dengan suhu sonikasi 50oC. nanosilika yang telah terbungkus karbon dikeringkan pada suhu 80oC selama 4 jam. Hasil dikarakterisasi menggunkan SEM-EDX untuk masing molaritas glukosa.
Abu sekam padi selanjutnya diekstraksi menggunakan metode ekstraksi alkali. Berikut hasil uji XRF silika murni setelah diekstraksi. Silika murni mengandung 92,9% Si dan pengotor yang persentasenya rendah. Silika masih mengandung pegotor karena adanya unsur yang tidak larut dalam air sehingga perlu dilakukan pemurnian kembali agar persentase silika meningkat.
Tahap pelapisan menggunakan karbon
3
Sintesis Nanosilika Dengan Metode Sol Gel Pada tahap sintesis nanosilika dilakukan soxhletasi dengan menggunakan pelarut HCl. Tujuan dari proses ini adalah untuk mengekstrak oksida-oksida logam pengotor yang terdapat pada silika, sehingga sampel yang dihasilkan lebih murni. Silika murni yang sudah disoxhletasi mengandung 96,5% Si. Hal ini menunjukkan bahwa banyak pengotor yang hilang saat proses soxhletasi. Berikut hasil uji XRD pada nanosilika. Counts SiO2 5X Cuci Sampel 2
Tabel 4.1 Kandungan Unsur Nanosilika Element OK NaK AlK SiK Matrix
Wt % 53,42 02,12 01,06 43,40 Correction
At % 66,57 01,84 00,78 30,81 ZAF
Berdasarkan Tabel 4.1 unsur dalam nanosilika sudah tepat dengan perbandingan atom 1:2. Dalam nanosilika masih mengandung Na dan Al. hal ini disebabkan karena pada saat penyaringan kertas saring yang digunakan mengandung Al. Pembungkusan Nanosilika Dengan Karbon Menggunakan Metode Sonoimia
400
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
Gambar 4.1 Pola Difraksi Nanosilika
dari Gambar 4.1 yang dihasilkan menunjukkan pola difraksi yang cenderung amorf dengan puncak 22,67 (2θ). Untuk mengetahui morfologi serta ukuran nanopartikel dilakukan karakterisasi SEM-EDX. Berikut hasil uji SEM-EDX nanosilika.
Pada proses ini yang digunakan sebagai sumber karbon adalah larutan glukosa. Pada penelitian ini dilakukan variasi molaritas glukosa guna mengetahui pengaruh variasi molaritas glukosa terhadap persen atom karbon pada nanosilika. Berikut hasil SEM untuk berbagai molaritas glukosa pada Gambar 4.3.
Gambar 4.2 Hasil SEM Nanosilika
Gambar 4.3 Hasil SEM 0,5M, 1M, 1,5M, dan 2M (dari kiri atas)
Dari Gambar 4.2 terlihat bahwa ukuran partikel kurang dari 50 nm. Dari hasil SEM nanosilika teraglomerasi sehingga tidak homogen. Berikut ditampilkan hasil EDX nanosilika pada tabel 4.1.
Dari hasil SEM keempat sampel terlihat bahwa nanosilika teraglomerasi sehingga menggumpal. Akan tetapi dilihat dari gambar keempat sampel cenderung sama. 4
Pengaruh molaritas glukosa terhadap persen atom karbon dapat dilihat pada Tabel 4.2. Tabel 4.2 Perbandingan Persen Karbon Untuk Masing-Masing Molaritas SiO2 0%
0.5M 25,65 %
1M 30,10 %
1.5M 34,69 %
2M 41,34 %
dibandingkan laju kenaikan suhu antara air tanpa nanosilika, nanosilika tanpa dilapisi karbon, dan nanosilika yang dilapisi karbon persen karbon yang berbeda-beda. Berikut ditampilkan grafik hubungan suhu dengan waktu untuk masing-masing sampel pada Gambar 4.5.
Dari Tabel 4.2 terlihat bahwa semakin tinggi molaritas glukosa maka persen atom karbon juga semakin tinggi. Untuk mengetahui nanosilika telah terbungkus karbon atau belum dilakukan uji kelarutan basa yaitu dengan melarutkan nanosilika ke dalam NaOH 3N. nanosilikayang belum dibungkus karbon larut dalam NaOH 3N, sedangkan nanosilika yang sudah dibungkus karbon tidak larut dalam larutan NaOH 3N. Hal ini menunjukkan bahwa nanosilika sudah terbungkus dengan karbon. Berikut ditampilkan hasil uji kelarutan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.5 Grafik Hubungan Waktu-Suhu Uap Air
Dari Gambar 4.5 terlihat bahwa semakin tinggi persen karbon, laju kenaikan suhu solar steam semakin tinggi. Hal ini membuktikan bahwa molaritas glukosa berpengaruh terhadap laju kenaikan suhu. Selanjutnya untuk konversi tekanan ditampilkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.4 Hasil Uji Pada NaOH 3M Sebelah kiri sebelum dibungkus karbon Sebelah kanan setelah dibungkus karon
Karakterisasi Konversi Solar Steam Nanosilika yang sudah dibungkus dengan karbon selanjutnya diuji efek termalnya dengan cara memfokuskan cahaya matahari pada sampel nanosilika. Pada tahap ini
Gambar 4.6 Grafik Hubungan WaktuTekanan Uap Air
Dari Gambar 4.6 terlihat bahwa semakin tinggi persen karbon maka tekanan uap air juga semakin tinggi. Hal ini berarti semakin tinggi suhu, tekanan naik mengikuti kenaikan suhu.
5
Jurnal Nanoteknologi, Jurusan Kimia Pascasarjana Universitas Andalas, Padang.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan analisis data yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut. 1. Nanosilika berpengaruh terhadap laju kenaikan suhu pada solar steam dibandingkan dengan air yang tidak ditambahkan dengan nanosilika. 2. Nanosilika yang dibungkus karbon dengan persen karbon yang berbeda berpengaruh terhadapa laju kenaikan suhu pada solar steam. 3. Semakin tinggi molaritas glukosa maka laju kenaikan suhu pada solar steam semakin drastis. SARAN Dengan memperhatikan hasil dalam penelitian ini, maka berikut ini adalah beberapa saran yang diharapkan bisa memberikan manfaat bagi banyak pihak diantaranya : 1. Diasarankan untuk penelitian selanjutnya dilakukan pada musim panas sehingga tidak menghambat saat penelitian. 2. Disarankan jarak antara loop dengan setiap sampel sama sehingga mendapatkan data yang akurat. 3. Disarankan waktu untuk setiap pengambilan data sama sehingga mendapatkan hasil yang sama. DAFTAR RUJUKAN Fernandez, Benny Rio. 2011. Sintesis Nanopartikel. Makalah Sintesis Nanopartikel, Jurusan Kimia Pascasarjana Universitas Andalas, Padang. Fernandez, Benny Rio. 2012. Sintesis Nanopartikel SiO2 Menggunakan Metode Sol-Gel dan Aplikasinya Terhadap Aktifitas Sitotoksik Sel. Review
Halas, Naomi J. 2012. Solar Vapor Generation Enabled by Nanoparticles : 1-21 Hanafi, A. 2010. Studi Pengaruh Bentuk Silika dari Abu Amas Tebu terhadap Kekuatan Produk keramik. Jurnal Kimia Indonesia, Vol.5 No.1: 35-38. Harsono, Heru. 2002. Pembuatan Silika Amorf dari Limbah Sekam Padi. Jurnal Ilmu Dasar, Vol.3 No.2: 98-103. Husnain. 2010. Publikasi Badan Litbang Pertanian Indonesia, Vol.32 No.3. Kalapathy, U. 2002. An Improved Method for Production of Silica from Rice Hull Ash. Bioresource Technology, Vol.85 : 285-289. Rafiee, Ezzat. 2012. Optimization of Synthesis and Characterization of Nanosilica Produced from Rice Husk (a common waste material). International Nano Letters, Vol.2 No.29: 2-8. Yuan,
Huihui. 2010. Study on Controllable Preparation of Silica Nanoparticles with Multi-sizes and Their Sizedependent Cytotoxicity in Pheochromocytoma Cells and Human Embryonic Kidney Cells. Journal of Health Science, Vol.56 No.6 : 632640.
Zawrah, M. F. 2009. Facile And Economic Synthesis Of Silica Nanoparticles. Journal of Ovonic Research, Vol.5 No.5 : 129-133. 6
