Pembuatan dan Karakterisasi Geopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton

Akta Kimindo Vol. 3 No.2 April 2008: -

Akta Kimindo Vol. 3 No. 2 April 2008 :61 - 66

AKTA KIMIA

INDONESIA

Pembuatan dan Karakterisasi Geopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton‡ H. Fansuri1,*, N. Swastika1 dan L. Atmaja1 1Laboratorium

Kimia Anorganik

Jurusan Kimia FMIPA ITS Surabaya

ABSTRAK Geopolimerimerisasi abu layang adalah salah satu cara yang sangat potensial untuk meningkatkan pemanfaatan Abu layang sebagai limbah dari pembakaran batu bara pada pembangkit listrik. Geopolimer disintesis dari abu layang PLTU Paiton di Probolinggo menggunakan larutan NaOH dengan konsentrasi 8 dan 10 M dengan perbandingan Na-silikat/NaOH (b/b) antara 0.5 – 2.5. Kualitas dari geopolimer yang terbentuk diuji berdasarkan kuat tekannya yang diukur dengan Universal Testing Machine. Kuat tekan terbaik yang dihasilkan adalah 78.34 MPa dengan porositas 0.2558 dan densitas 2.2789 g/mL. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa kuat tekan geopolimer meningkat pada peningkatan komposisi SiO2. Peningkatan konsentrasi NaOH juga dapat meningkatkan kuat tekan, namun pada jumlah yang berlebih akan memperlemah solidifikasi geopolimer akibat pembentukan Na2O. Kata kunci: abu layang, larutan alkalin, geopolimer ABSTRACT Geopolymerization is a highly pontential method to increase the utilization of coal fly ash which is a side product of coal combustion in power plants. The geopoymer is sinthesized from fly ash from Paiton Power Plant in Probolinggo using 8 and 10 M NaOH solution and Na-silicate/NaOH weight ratio between 0.5 and 2.5. The geopolymer quality was measured from its compressive srength using a Universal Testing Machine. It was found that the strongest geopolymer has a compressive strength, porosity and density of 78.34 MPa, 0.2558 and 2.2789g/mL, respectively. It was also found that the compressive strength increases as the composition of SiO2 in geopolymer mixture increases. The increase of NaOH concentration will increase the strength of geopolymer too but an excess amount of NaOH reduces the geopolymer solidification due to the formation of Na2O. Key words: fly ash, alkalin solution, geopolymer PENDAHULUAN Geopolimer merupakan polimer anorganik aluminosilikat yang diyakini mempunyai sifatsifat kimia dan fisika yang baik sebagai bahan pengganti semen Portland (PC). Pada umumnya, geopolimer tersebut dibuat dari bahan-bahan aluminosilikat yang reaktif seperti metakaolinit. Komponen utama abu layang adalah aluminosilikat sehingga abu layang berpotensi digunakan sebagai bahan baku gepolimer sebagaimana dilaporkan oleh Davidovits (1991) dan Xu & Van Deventer (2000). ‡

Makalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia IX, di Surabaya 24 Juli 2007 * Corresponding author : Phone : + 62 31 5992090; Fax : 62 31 5928314; e-mail : [email protected]

© Kimia ITS – HKI Jatim

Abu layang adalah hasil dari pembakaran yang berukuran sangat halus dan sangat ringan sehingga dapat melayang di udara. Salah satu sumber abu layang adalah batu bara. Konsumsi batu bara di Indonesia mencapai 36 juta ton yang umumnya digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan menghasilkan sekitar 11.5 juta ton abu layang pada tahun 2004 (Badan Pusat Statistik, 2004). Sejauh ini, pengguna utama abu layang yang diproduksi oleh PLTU adalah pabrik semen, yaitu sebagai bahan baku pada pembuatan PC. Selain itu, belum banyak pemanfaatan lainnya sehingga umumnya sisa abu layang yang tidak diserap oleh pabrik semen dibiarkan menumpuk sebagai limbah.

61

H. Fansuri et al. Pembuatan dan Karakterisasi Geopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton

PERCOBAAN Abu layang yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari PLTU Paiton di Probolinggo, Jawa Timur. Komposisi kimia abu layang tersebut ditunjukkan oleh Tabel 1. Pelet geopolimer dibuat dengan komposisi seperti pada Tabel 2. Untuk menjaga konsistensi percobaan, semua larutan yang digunakan dibuat minimal 24 jam sebelumnya untuk menuntaskan reaksi eksotermis pelarutan NaOH. Bahan-bahan pada Tabel 2 tersebut dicampur hingga homogen kemudian dicetak berbentuk silinder dengan diameter 20 mm dan tinggi 40 mm. Untuk mengurangi gelembung udara yang terperangkap di dalam cetakan, pelet-pelet tersebut digetarkan selama 15 menit dan diratakan permukaannya, kemudian didiamkan selama 1,5 jam. Pelet yang sudah kering dimasukkan ke dalam oven pada suhu 60oC selama 24 jam. Selanjutnya pelet-pelet tersebut disimpan pada suhu kamar dan diuji kuat tekannya saat berumur 7, 14 dan 28 hari. Komposisi fasa dari pelet ditentukan dengan metode difraksi menggunakan sinar-X CuK Morfologi geopolimer diamati menggunakan SEM. Sementara itu metode Day

62

& Marsh (1987) digunakan untuk mengukur porositas terbuka dari geopolimer. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh waktu simpan dan konsentrasi NaOH Pengaruh waktu simpan yang diamati pada penelitian ini dibatasi sampai 28 hari karena tidak ada peningkatan kuat tekan yang berarti setelah waktu itu sebagaimana dilaporkan oleh Hardjito dkk (2004). Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi waktu simpan disajikan oleh Gambar 1 yang menunjukkan bahwa pada konsentrasi NaOH 8M, kuat tekan menurun saat disimpan dalam waktu yang lebih lama. Sebaliknya, pada konsentrasi NaOH 10M, kuat tekannya bertambah seiring dengan semakin lamanya waktu simpan. Pada konsentrasi NaOH 10 M, terdapat lebih banyak NaOH yang tersedia untuk reaksi geopolimerisasi. Oleh karena itu, reaksi geopolimerisasi dapat terus berlangsung selama masa penyimpanan. Hal sebaliknya terjadi pada konsentrasi 8M, tidak terdapat cukup banyak NaOH yang memungkinkan terjadinya reaksi yang berkelanjutan pada masa simpan. Pengaruh faktor konsentrasi NaOH ini lebih jelas lagi ditunjukkan oleh Gambar 2 sampai 4. Larutan NaOH diperlukan dalam reaksi geopolimerisasi, yaitu untuk pelarutan (leaching) Si dan Al pada partikel abu layang ke dalam fasa gel. Ion hidroksida mengaktifkan oksida-oksida Si dan Al dan membentuk monomer-monomer pembentuk geopolimer. Reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut:

4 NaOH  Si 4

3NaOH  Al 3

OH   HO  Si OH  4Na   OH

OH   HO  Al OH  3Na 

90

Kuat tekan (MPa)

Pembuatan geopolimer dari bahan selain kaolinit dilaporkan oleh Xu & Van Deventer (2000). Geopolimerisasi abu layang diselidiki secara lebih spesifik lagi oleh Van Jaarsveld dkk (2002; 2003) yang meneliti pembuatan geopolimer dari abu layang dan menyelidiki pengaruh komposisi kimia abu layang terhadap sifat-sifat geopolimer yang dihasilkannya. Sifat-sifat abu layang dari batu bara sangat bergantung dari bahan batu bara yang digunakan dan proses pembakarannya. Oleh karena itu komposisi kimia, ukuran partikel dan sebarannya serta sifat-sifat fisiko-kimia abu layang lainnya tidak akan sama walaupun dihasilkan di tempat yang sama. Sifat-sifat fisikokimia tersebut mempengaruhi proses geopolimerisasi abu layang sehingga geopolimerisasi abu layang selama ini bersifat unik dan belum ada pedoman yang bersifat generik untuk menentukan parameter proses yang paling sesuai bagi abu layang tersebut. Berdasarkan uraian tersebut di atas maka penelitian ini menyelidiki geopolimerisasi abu layang yang dihasilkan oleh PLTU Paiton. Penekanan pada penelitian ini lebih ditujukan pada parameter kimiawi dari proses geopolimerisasi seperti komposisi kimia abu layang, komposisi pereaksi dalam pembuatan pelet, komposisi fasa dan morfologi geopolimer yang dihasilkan dengan tujuan umum untuk mendapatkan informasi yang bersifat fundamental bagi geopolimerisasi abu layang dari batu bara.

80 70 60 50 40 30 20 10 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Pellet 7 hari

14 hari

28 hari

Gambar 1. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi masa simpan © Kimia ITS – HKI Jatim


Larutan NaOH yang lebih pekat menyediakan ion OH- lebih banyak sehingga pembentukan monomer-monomer lebih optimal. Larutan NaOH juga dikonsumsi oleh logam-logam lain, seperti besi dan mangan. Fe2O3 dapat bereaksi dengan NaOH membentuk Fe(OH)3 dan mengendap dalam bentuk hidroksida atau oksihidroksidanya. MnO juga mengalami leaching pada pH tinggi (Bankowski et al, 2004 dalam Van Deventer et al, 2006). Kondisi ini menyebabkan NaOH, yang seharusnya digunakan untuk leaching Si dan Al, justru bereaksi sebagian dengan logam-logam tersebut. Pada saat pelet geopolimer dipanaskan, terjadi penguapan molekul-molekul air. Jika di dalam sistem pelet geopolimer sudah tidak lagi terdapat molekul air, penguapan molekul air dapat pula terjadi dari molekul NaOH yang Oksida Konsentrasi (% berat)

Pelet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

SiO2 38.08

2NaOH (aq)  Na 2 O (s)  H 2 O (l) Kondisi seperti ini sudah tentu tidak dikehendaki karena menghambat proses polimerisasi aluminosilikat pada masa simpan. Itu sebabnya, peningkatan konsentrasi larutan NaOH yang lebih banyak boleh jadi tidak akan menambah kekuatan geopolimer yang dihasilkan sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2. Na2O merupakan serbuk putih yang reaktif dengan air dan CO2 di udara. Reaksi dengan molekul CO2 terjadi di pori-pori geopolimer dan merubah Na2O menjadi Na2CO3 yang berbentuk kristal jarum berwarna putih (Windholtz, 1976).

Na 2 O(s)  CO2 (g)  Na 2 CO3(s)

Tabel 1 Komposisi kimia Penyusun Abu layang Al2O3 CaO Fe2O3 MgO MnO Na2O

K2O

P2O5

TiO2

LOI

10.72

2.78

0.08

0.34

0.25

10.98

19.27

5.26

19.26

8.36

Tabel 2 Komposisi Massa Bahan Geopolimer dan Kuat Tekannya Massa pereaksi (gram) Konsentrasi Perbandingan berat Abu NaOH Na-silikat/ NaOH Na-silikat NaOH Air layang 8M 0,5 21,14 3,02 1,50 4,54 8M 1,0 21,14 4,53 1,13 3,40 8M 1,5 21,14 5,44 0,90 2,72 8M 2,0 21,14 6,04 0,75 2,27 8M 2,5 21,14 6,47 0,65 1,95 10 M 0,5 21,14 3,02 1,16 4,28 10 M 1,0 21,14 4,53 1,38 3,15 10 M 1,5 21,14 5,44 1,10 2,52 10 M 2,0 21,14 6,04 0,92 2,10 10 M 2,5 21,14 6,47 0,79 1,81 Abu layang

Pelet

terdehidrasi menjadi oksida natrium (Windholtz, 1976):

SiO2 (mmol)

Tabel 3 Komposisi mol SiO2, Na2O dan H2O Na-Silikat

Na2O (mmol)

SiO2 (mmol)

Na2O (mmol)

H2O (mmol)

Kuat tekan (MPa) 14 28 7 hari hari hari 35,67 35,24 35,88 37,37 41,72 40,98 36,72 33,76 69,43 34,39 44,16 45,22 37,58 32,27 45,18 23,51 24,20 42,68 33,54 34,80 53,00 31,21 23,78 38,20 19,11 37,90 71,76 39,07 57,00 78,34

NaOH

Na2O (mmol)

Aquades

H2O (mmol)

H2O (mmol)

1

134,17

28,49

18,23

2,89

97,08

18,77

18,77

252,16

2

134,17

28,49

27,34

4,33

145,61

14,07

14,07

189,13

3

134,17

28,49

32,83

5,20

174,87

11,26

11,26

151,29

4

134,17

28,49

36,45

5,78

194,15

9,38

9,38

126,08

5

134,17

28,49

39,05

6,19

207,97

8,08

8,08

108,54

6

134,17

28,49

18,26

2,89

97,08

22,01

22,01

237,73

7

134,17

28,49

27,34

4,33

145,61

17,26

17,26

174,94

8

134,17

28,49

32,83

5,20

174,87

13,81

13,81

139,95

9

134,17

28,49

36,45

5,78

194,15

11,51

11,51

116,63

10

134,17

28,49

39,05

6,19

207,97

9,91

9,99

100,41


63


100 80 kuat tekan

Kuat tekan (MPa)

100 80 60 40

60 40 20 0

20

0.0

0 40

45

50

1.0

1.5

7 hari Linear (7 hari)

Gambar 2. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi konsentrasi Na2O Kuat tekan Geopolimer sebagai fungsi perbandingan natrium silikat/NaOH Kaitan antara kuat tekan geopolimer dari abu layang PLTU Paiton dengan perbandingan molar natrium silikat terhadap NaOH ditunjukkan oleh Gambar 3 sampai 5. Ion-ion silikat yang terkandung di dalam larutan natrium silikat sudah dalam bentuk oligomer yang siap berpolimerisasi dengan ion-ion silikat dan aluminat dari pelarutan aluminosilikat abu layang. Semakin banyak natrium silikat yang digunakan berarti semakin banyak pula oligomer silikat reaktif yang tersedia. Oleh karena itu, geopolimer yang dibuat dengan jumlah natrium silikat lebih besar menghasilkan kuat tekan yang tinggi sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 3 sampai 5. Pada gambar-gambar tersebut, jumlah natrium silikat dinyatakan dalam mmol SiO2.

2.5

3.0



Gambar 4. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi variasi perbandingan massa Na2SiO3/ NaOH pada NaOH 10 M 100

Kuat tekan (MPa)

NaOH 10 M Linear (NaOH 10 M)

2.0

perbandingan Na2SiO3/NaOH (b/b)

55

Na2O (mmol) NaOH 8 M Linear (NaOH 8 M)

0.5

80 60 40 20 0 150

155

160


165

SiO2 (mmol)

170

175


Gambar 5. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi konsentrasi SiO2

Kuat tekan (MPa)

100 80 60 40 20 0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

(a)

Perbandingan Na2SiO3/NaOH (b/b) 7 hari Linear (7 hari)



Gambar 3. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi variasi perbandingan massa Na2SiO3/ NaOH pada NaOH 8 M. Pengaruh komposisi natrium silikat dan NaOH dengan sifat ikatannya terlihat jelas pada morfologi geopolimer yang dihasilkan. Gambar 6 adalah foto SEM dari potongan geopolimer pelet 1 (natrium silikat rendah, NaOH 8M) dan pelet 10 (natrium silikat tinggi, NaOH 10M).

64

(b) Gambar 6. Morfologi geopolimer: pelet 1 dan (b) pelet 10.



100

Kuat tekan (MPa)

Pada pelet 1, masih terlihat bahwa masih ada partikel abu layang yang tidak bereaksi dan tidak menyatu dengan matriks geopolimer yang mengelilinginya sedangkan pada pelet 10 terlihat bahwa seluruh partikel abu layang bereaksi dan menyatu dengan matriks geopolimernya (Gambar 6a-b).

80 60 40 20

Kuat tekan (MPa)

100

0 0.20

80

0.30

0.35

0.40

Porositas

60 40

NaOH 8 M

NaOH 10 M

Linear (NaOH 8 M)

Linear (NaOH 10 M)

Gambar 9. Pengaruh porositas terhadap kuat tekan

20 0 300

320

340

360

380

H2O (mmol) NaOH 8 M Linear (NaOH 8 M)


Gambar 7. Kuat tekan sebagai fungsi konsentrasi H2O 0.4

0.3

Porositas

0.25

0.2

0.1

Analisa Difraksi Sinar X Penyelidikan mengenai fasa amorf sangat penting untuk memahami geopolimer sehingga perlu analisa difraksi siinar X pada pellet 1 (kuat tekan terendah) dan pelet 10 (kuat tekan tertinggi) (Gambar 10 dan 11). Hasil difraktogram geopolimer menunjukkan bahwa pelet 1 justru lebih banyak mengandung fasa amorf daripada pelet 10 walaupun pelet 1 mempunyai kuat tekan lebih lemah. Dengan demikian, kuat tekan pelet 10 lebih mungkin disebabkan kombinasi antara kristal yang keras dengan fasa amorf yang liat sehingga menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi. 2500 Q

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2000

Analisa Porositas terbuka Pori-pori dalam geopolimer sangat mempengaruhi kuat tekan geopolimer. Hasil pengukuran porositas terbuka dari geopolimer disajikan pada Gambar 8. Pada gambar tersebut terlihat bahwa peningkatan rasio berat natrium silikat/NaOH menurunkan porositas geopolimer yang dihasilkan (rasio berat natirum silikat/NaOH untuk No 1 sampai 5 adalah sama dengan 6 sampai 10 yaitu berturut-turut 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 dan 2,5. Pelet No. 1 sampai 5 dibuat dengan konsentrasi NaOH = 8 M sedangkan No. 6 sampai 10 menggunakan NaOH 10 M). Pori-pori pada geopolimer sangat berpengaruh terhadap kekuatannya. Semakin banyak pori-pori, maka kekuatan dari geopolimer akan berkurang. Sebaliknya, semakin sedikit poripori maka kekuatan geopolimer akan bertambah. Kaitan antara porositas (jumlah kuantitatif dari pori-pori) dengan kuat tekan geopolimer ditunjukkan oleh Gambar 9. © Kimia ITS – HKI Jatim

1500

G Q

1000

G M

M GG Q

Q

Q Q

Q

M

G

Q Q

M

500 G

0 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

2q (o)

Gambar 10. Difraktogram geopolimer pelet 1 dan 10. Q= kuarsa, M= magnetite, dan G= gismondin. 500

400

Intensitas (counts)

Gambar 8. Porositas geopolimer tiap pelet

Intensitas (counts)

Pellet

300

200

100

0 5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

2q (o)

Gambar 11. Keberadaan fasa amorf pada geopolimer pelet 1 dan 10

65


KESIMPULAN Geopolimer merupakan polimer anorganik aluminosilikat yang sangat kompleks. Salah satu parameter proses geopolimerisasi adalah reaktan yang digunakan, yaitu SiO2, H2O dan NaOH. SiO2 meningkatkan kuat tekan namun keberadaan H2O justru memperlemahnya. NaOH membantu mengoptimalkan kuat tekan namun NaOH berlebih justru menghambat solidifikasi geopolimer. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih untuk Prof. Triwulan beserta kelompok penelitiannya, PLTU Paiton, Lab. Kimia Fisika, Lab.Beton dan Bahan Bangunan, Center for Fuels and Energy dan dukungan dana student grant dari TPSDP.

DAFTAR PUSTAKA Badan Pusat Statistik-Indonesia (2004) Statistik Industri Besar dan Sedang (1), BPS Press: Jakarta

66

Day, R.L. and Marsh, B.K. (1987). Cement and Concrete Research Vol. 18, hal 63-73 Davidovits, J. (1991) Journal of Thermal Analysis Vol. 37 hal. 633-1656 Hardjito, D., Wallah, S. dan Sumajouw, D. 2005. Dimensi Teknik Sipil, Vol. 6, No. 2, hal. 88-93 Škvára, F., Kopecky, L., Nemecek, J. and Bittnar, Z. (2006) Ceramics-Silikaty, Vol. 50, No. 4, hal. 208-215 Van Deventer, J.S.J., Provis, J.L., Duxon, P., Luckey, G.C (2006) Jornal of Hazardous Materials, Article in Press Windholtz, Martha (Ed). (1976) The Merck Index. An Encyclopedia of Chemicals and Drugs, Merck & Co: USA Xu, H and van Deventer, J.S.J. (2002), International Journal of Mineral Processing, Vol. 59, No.3 hal. 247-266


Pembuatan dan Karakterisasi Geopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton

Recommend Documents