PENGUJIAN FLUKS OKSIGEN PADA MEMBRAN DATAR BERBAHAN DASAR OKSIDA PEROVSKIT La 0,7 Sr 0,3 Co 0,8 Fe 0,2 O 3 DAN Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3

Prosiding SEMIRATA 2015 bidang MIPA BKS-PTN Barat Universitas Tanjungpura, Pontianak Hal. 670 - 679

PENGUJIAN FLUKS OKSIGEN PADA MEMBRAN DATAR BERBAHAN DASAR OKSIDA PEROVSKIT La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3 DAN Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3 DETERMINATION OF OXYGEN FLUX ON FLAT MEMBRANES MADE OF La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3 AND Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 PEROVSKITE OXIDE Hamzah Fansuri1*, Muhammad Imam Syafi’i1, Shofiyullah Romdoni1, Wahyu Prasetyo Utomo1, Nurul Widiastuti1, Irmina Kris Murwani1, Endang Purwanti1 Bambang Prijamboedi2 dan Heri Haerudin3 Jurusan Kimia FMIPA ITS, Surabaya1* Jurusan Kimia FMIPA ITB, Bandung2 PT. Pertamina, Research & Development-Refinery Directorate, Jakarta3 *E-mail : [email protected]

ABSTRACT La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3 and Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 perovskite oxide has the ability to release oxygen lattice without experiencing significant changes in the crystal structure so that it can serve as a catalyst for oxidation-reduction reaction and material for oxygen conductive membrane. Perovskite oxides are synthesized by solid state method and made into a flat membrane diameter ± 11 mm and a thickness of ± 1 mm of powders each of which passes through a sieve of 400 mesh and pressed at 4 tons for 15 minutes followed by sintering for 4 hours at 1200oC and 1150oC for La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3 and Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3, respectively. Tests conducted with oxygen flux membrane reactor which has been modified. The concentration of oxygen that penetrates the membrane was measured by gas chromatography. Oxygen flux (in mL.min-1.cm-2) tested at temperatures ranging from 600 to 900oC is from 1.75 to 4.70 for Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 and from 0.95 to 1.93 for La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3. The test results show membranes that made from Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 have oxygen flux higher than the membrane made from La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3. Keywords: symmetrical membrane, oxygen flux, perovskite oxide, La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3 and Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 ABSTRAK Oksida perovskit La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3 dan Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3 memiliki kemampuan untuk melepaskan oksigen kisinya tanpa mengalami perubahan struktur kristal yang berarti sehingga dapat berfungsi sebagai katalis reaksi oksidasi-reduksi maupun bahan membran penghantar oksigen. Oksida-oksida perovskit tersebut disintesis dengan metode solid state dan dibuat menjadi membran datar berdiameter ±11 mm dan ketebalan ± 1 mm dari serbuk masing-masing yang lolos saringan 400 mesh melalui proses pencetakan dengan penekanan sebesar 4 ton selama 15 menit diikuti oleh sintering selama 4 jam pada suhu 1200oC untuk La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3 dan 1150oC untuk Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3. Pengujian fluks oksigen dilakukan dengan reaktor membran yang telah dimodifikasi. Konsentrasi oksigen yang menembus membran diukur dengan kromatografi gas. Fluks oksigen (dalam mL.min-1.cm-2) yang diuji pada suhu mulai dari 600 sampai dengan 900oC adalah antara 1,75 sampai dengan 4,70 untuk Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3 dan antara 0,95 sampai dengan 1,93 untuk La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3. 670


Hasil pengujian fluks membran menunjukkan bahwa membran berbahan Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3 memiliki fluks oksigen lebih tinggi daripada membran berbahan La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3. Katakunci: membran simetris, fluks oksigen, oksida perovskit, La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3 dan Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3

1.

PENDAHULUAN Oksida-oksida perovskit berbasis LaCoO3 yang memiliki potensi sebagai membran

penghantar ion oksigen dan katalis pada reaksi oksidasi-reduksi diantaranya adalah La0,7Sr0,3Co0,8Fe0,2O3- (LSCF 7382) [1, 2] dan Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3- (BSCF 5582) [3, 4, 5]. Potensi tersebut didasarkan pada kemampuannya dalam melepaskan oksigen kisi tanpa menyebabkan perubahan struktur yang berarti. Adanya perbedaan kation situs A (La3+ = 1,36 Å dan Ba2+ = 1,61 Å) pada oksida-oksida itu dapat mempengaruhi fluks oksigen yang dihasilkannya. Utomo dkk. [6] melaporkan bahwa fluks oksigen dari oksida BSCF 5582 lebih tinggi daripada oksida LSCF 7382 dan nilainya meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Fluks oksigen adalah rapat jumlah ion oksigen yang dapat dilewatkan oleh membran dari sisi yang kaya oksigen ke sisi yang miskin oksigen per satuan luas permukaan membran [7]. Pengujian fluks oksigen dari membran datar simetris oksidaoksida tersebut sudah banyak dilakukan, namun hasil yang dilaporkan berbeda-beda sebagaimana yang terangkum dalam Tabel 1, sehingga sulit untuk dapat menentukan fluks oksigen mana yang lebih baik antara dari dua atau lebih membran penghantar ion oksigen. Perbedaan ini disebabkan oleh beberapa faktor yang berpengaruh pada laju difusi oksigen seperti ketebalan membran [8, 9, 10], kerapatan membran, dan tekanan umpan [11]. Adapun faktor lain yang keberadaannya bisa diabaikan dalam jumlah kecil yaitu adanya pengotor pada bahan baku [12]. Tabel 1. Fluks oksigen (dalam mL.min-1.cm-2) pada membran simetris oksida perovskit Bahan Membran

BSCF 5582

LSCF 6482 LSCF 6428

Tebal (mm)

Suhu (oC)

Fluks Oksigen

Pustaka

1~2 1 1 1 1 1 0,62 0,30

950 850

1,4 dan 3,7 0,74 1,99 3,68 2,1 1,2 2,0 2,31 – 3,1

[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [18]

900 850 900

671


Penelitian ini bertujuan untuk dapat membedakan fluks oksigen dari membran datar simetris berbahan dasar LSCF 7382 dan BSCF 5582 yang dibuat dan disiapkan dengan cara yang sama sehingga faktor-faktor yang menyebabkan perbedaan di luar sifat-sifat kimiawi keduanya dapat diabaikan.

2. METODE PENELITIAN 2.1 Pembuatan sampel dan karakterisasinya Serbuk oksida perovskit LSCF 7382 dan BSCF 5582 disintesis dengan metode solid state dari bahan baku La2O3 p.a (99,5%, Merck), BaCO3 p.a (99,5 %, Merck), Sr(NO3)2 p.a (99,0 %, Merck), Co3O4 p.a (99,5 %, Aldrich) dan Fe2O3. p.a (97,0 %, Brataco Chemical) sebagaimana yang dilaporkan oleh Utomo dkk [6]. Serbuk hasil sintesis dianalisis dengan X-ray Diffraction (XRD) Philips X’Pert PN-1830. Serbuk LSCF 7382 dan BSCF 5585 hasil sintesis yang lolos saringan 400 mesh selanjutnya digunakan sebagai bahan dasar pembuatan membran datar simetris dengan ketebalan awal ±2 mm dan diameter ±13 mm. Pembuatan membran dilakukan dengan penekanan dengan gaya tekan 4 ton selama 15 menit menggunakan pencetak pellet FTIR. Membran mentah yang dihasilkan selanjutnya disinter pada suhu 1150 oC untuk BSCF 5582 dan 1250 oC untuk LSCF 7382 selama 4 jam dengan laju kenaikan suhu 3oC.men-1. Morfologi membran dianalisis dengan SEM Zeiss EVO MA-10. 2.2 Pengujian Fluks Oksigen Pengujian fluks oksigen pada membran BSCF 5582 dan LSCF 7382 dilakukan dengan reaktor dengan susunan sebagaimana Gambar 1. Pasta perak (50 % Ag.) digunakan untuk merekatkan membran dengan tabung kwarsa di sisi permeat. Jarak antara membran dengan tabung kwarsa sisi umpan adalah sekitar 0,1 mm. Rangkaian reactor tersebut diletakkan dalam tabung alumina untuk selanjutnya dimasukkan ke dalam tube furnace. Pengujian fluks oksigen dilakukan pada suhu 600-900oC. Suhu ruang dinaikkan hingga mencapai 900oC dengan laju kenaikkan 3oC.men-1 kemudian ditahan selama 5 jam dan diikuti pengujian fluks oksigen selama 30 menit terakhir. Penurunan suhu dilakukan secara bertahap (selisih 50oC) dengan masing-masing tahapan ditahan selama 40 menit dan diikuti pengujian fluks oksigen selama 30 menit terakhir. Gas umpan yang digunakan adalah oksigen HP (99,99 %) dengan laju alir 150 mL.men-1, sedangkan gas pembawanya adalah He UHP (99,999 %) dengan laju alir 30 mL.men-1. Gas permeat yang dihasilkan langsung dianalisis secara online menggunakan kromatografi gas (GC

672


Buck Scientific Model 910) yang dilengkapi dengan kolom molecular sieve dan detektor TCD. Fluks oksigen dihitung berdasarkan Persamaan 1. (1) di mana

adalah fluks oksigen (mL.men-1.cm-2), F adalah laju alir helium (mL.men-1),

adalah konsentrasi oksigen (%) dan S adalah luas efektif membran (cm2) [19]. Gas Umpan (O2)

Furnace Tabung Alumina Batu Tahan Api Membran

Pasta Perak

Tabung Kwarsa

He

Gas

O2 GC

Pembawa

(He)

Gambar 1. Desain reaktor pengujian fluks oksigen

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Struktur kristal dan morfologi membran BSCF 5582 dan LSCF 7382 Struktur Kristal dari serbuk LSCF 7382 dan BSCF 5582 hasil sintesis ditunjukkan oleh difraktogram sinar-X pada Gambar 2. Berdasarkan perbandingan dengan difraktogram standard (JCPDS No. 01-089-1265 untuk LSCF 7382 dan 01-075-6980 untuk BSCF 5582) dapat diketahui bahwa fasa LSCF 7382 dan fasa BSCF 5582 merupakan oksida perovskit dengan sedikit pengotor pada LSCF 7382 hasil sintesis yang sekitar 37o dengan intensitas

merupakan Co3O4 yang tidak bereaksi

yang sangat kecil sehingga keberadaannya bisa diabaikan. Oleh karena itu, maka serbukserbuk LSCF 7382 dan BSCF 5582 selanjutnya dibuat menjadi membran.

673

Intensitas (cpm)


5

LSCF 7382

15

25

35

45

55

Standard JCPDS : 01-089-1265

65

75

85

95

2q

Intensitas (cpm)

(a)

5

BSCF 5582

15

25

35

45

55

Standard JCPDS : 01-075-6980

65

75

85

95

[2q

(b)

Gambar 2. Difraktogram Sinar-XRD: (a) LSCF 7382 dan (b) BSCF 5582. Hasil analisis SEM, sebagaimana dapat dilihat pada Gambar 3, menunjukkan bahwa kedua membran memiliki permukan yang rapat. Permukaan BSCF 5582 lebih rata dan memiliki batas butiran yang tegas dengan ukuran (jarak terpanjang) sekitar 47,07 sampai 144,39 µm. Di lain pihak, permukaan membran LSCF 7382 tampak tidak seseragam BSCF 5582 dan batas butiran yang tidak jelas serta memiliki ukuran butiran sekitar 1,53 sampai 12,11 µm. Perbedaan ini diperkirakan terjadi oleh karena perbedaan kation pada situs A yaitu Lantanum dan Barium dimana barium memiliki titik leleh lebih rendah daripada lantanum sehingga BSCF 5582 lebih mudah tersinter daripada LSCF 7382.

674


(a)

(b) Gambar 3. Foto SEM permukaan membran: (a) LSCF 7382 dan (b) BSCF 5582. Gambar 4 menunjukkan penampang lintang dari membran LSCF 7382 dan BSCF 5582. Berdasarkan gambar tersebut, dapat diketahui bahwa kedua membran masih mengandung pori-pori namun tidak ditemukan adanya lorong (channel) pada penampang lintangnya yang menghubungkan kedua sisi membran sehingga tidak memungkinkan terjadinya perpindahan oksigen melalui lorong tersebut. Ukuran pori pada penampang lintang membran BSCF 5582 lebih besar daripada LSCF 7382, yakni masing-masing sekitar 10,6-27,27 µ dan 0,54-4,98 µ. Terbentuknya pori pada sisi dalam membran terjadi karena proses sintering yang relatif singkat (4 jam) untuk membran dengan ketebalan sekitar 2 mm dengan tekanan saat pencetakan yang relatif rendah pula sehingga kerapatan awal (sebelum sintering) kemungkinan masih rendah dan diperlukan waktu sintering yang lebih panjang untuk membuatnya rapat sempurna. Selain itu, suhu sintering yang berbeda antara kedua membran itu juga berpengaruh pada kerapatannya. Pengaruh ini dapat dilihat dari besar penyusutannya, dimana membran yang mengalami penyusutan tinggi akan memiliki kerapatan yang tinggi pula. Dalam hal ini, membran 675


BSCF 5582 memiliki susut bakar lebih rendah daripada LSCF 7382 yaitu masing-masing sebesar 24,98 % dan 47,81 % dengan ketebalan akhir kedua membran yaitu 1,6 mm.

(a)

(b)

Gambar 4. Foto SEM penampang lintang membran : (a) LSCF 7382 dan (b) BSCF 5582.

3.2 Hasil Pengujian Fluks Oksigen Gambar 5 menunjukkan hasil pengujian fluks oksigen pada LSCF 7382 dan BSCF 5582. Berdasarkan gambar tersebut maka dapat diketahui bahwa membran LSCF 7382 memiliki fluks oksigen yang lebih rendah daripada BSCF 5582 dan besar fluks oksigen dari kedua membran itu meningkat seiring dengan kenaikan suhu. Hal ini sesuai dengan yang dilaporkan Utomo dkk [6], yang menyatakan bahwa LSCF 7382 memiliki stabilitas reduksi yang lebih tinggi daripada BSCF 5582 sehingga fluks oksigennya lebih rendah. Pada BSCF 5582 fluks oksigen meningkat terus pada rentang suhu 600-850 oC dan berhenti pada suhu di atasnya. Hal ini sesuai dengan yang dilaporkan Babakhani dkk [8] dari hasil uji TGA dibaawah atmosfer N2 dan O2-TPD, dimana BSCF 5582 mengalami penurunan berat yang monoton terhadap kenaikan suhu dan puncak desorpsi oksigennya mulai menurun pada suhu sekitar 900 oC. Di lain pihak, fluks oksigen LSCF 7382 mengalami kenaikan fluks oksigen dalam dua tahap yaitu pada rentang suhu 700-750 oC dan 850-900 oC. Besar nilai fluks oksigen kedua membran tersebut pada tiap suhu dapat disajikan pada Tabel 2.

676


5 JO2 (mL.menit-1.cm2)

4,5 4 3,5 3 2,5

BSCF 5582

2

LSCF 7382

1,5 1 0,5 600

650

700

750 800 Suhu (oC)

850

900

Gambar 5, Kurva hasil pengujian fluks oksigen pada membran BSCF 5582 dan LSCF 7382.

Tabel 2. NIlai fluks oksigen membran LSCF 7382 dan BSCF 5582 Membran

Fluks Oksigen (mL.men-1.cm-2) 600 oC

650 oC

700 oC

750 oC

800 oC

850 oC

900 oC

BSCF 5582

1,7485

2,2062

2,6752

3,3149

3,8801

4,6004

4,7245

LSCF 7382

0,9516

1,0475

1,0785

1,4968

1,5944

1,6071

1,9350

4. PUSTAKA [1] Garcia-Belmonte G, Bisquert J, Fabregat F, Kozhukharov V, dan Carda JB. Grain Boundary Role in the Electric Properties of La1-xSrxCo0,8Fe0,2O3-δ Perovskite. Solid State Ionics. 1998; (107): 203-2011. [2]

Rousseau S, Loridant S, Delichere P, Boreave A, Deloume JP, dan Vernoux P. La(1x)SrxCo1-yFeyO3-d

Perovskite Prepared by Sol-Gel Method: Characterization and

Relationship with Catalytic Properties for Total Oxidation of Toluene. Applied Catalysis B: Environmental. 2009; (88): 438-447. [3]

Shao Z, Dong H, Xiong G, Cong Y, dan Yang W. Performance of A MixedConducting Ceramic Membrane Reactor with High Oxygen Permeability for Methane Conversion. Journal of Membrane Science. 2001a; (183): 181-192.

[4]

Shao Z, Xiong G, Tong J, Dong H, dan Yang W. Ba Effect in Doped Sr(Co0,8Fe0,2)O3-δ on the Phase Structure and Oxygen Permeation Properties of the Dense Ceramic Membranes. Separation and Purification Technology. 2001b; (25): 419-429. 677


[5]

Baumann S, Serra JM, Lobera MP, Escalástico S, Schulze-Küppers F, dan Meulenberg

WA.

Ultrahigh

Oxygen

Permeation

Flux

Through

Supported

Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ Membranes”, Journal of Membrane Science. 2011; (377): 198-205. [6]

Utomo W. P., Aliyatulmuna A, dan Fansuri H. (2013). Oxygen Permeability of LSCF 7382, SCF 182 and BSCF 5582 Asymmetric Membranes. The 8Tth ICAST Kumamoto, Japan: Kumamoto University, 2013.

[7]

Kondratenko EV, Wang H, Kondratenko AV, dan Caro J. Selective Oxidation of CH

4

and C2H6 Over A Mixed Oxygen Ion and Electron Conducting Perovskite—A TAP and Membrane Reactors Study. Journal of Catalyst, 2009; (297): 142-149. [8]

Chen D, dan Shao Z. Surface Exchange and Bulk Difussion Properties of Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ Mixed Conductor. International Journal of Hydrogen Energy. 2011; (36): 6948-6956.

[9]

Tan X, Wang Z, Liu H, dan Liu S. Enhancement of Oxygen Permeation Through La0,6Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-δ Hollow Fibre Membranes by Surface Modifications. Journal of Membrane Science. 2008b; (324): 128-135.

[10] Xu SJ, dan Thomson WJ. Oxygen Permeation Rates Through Ion-Conducting Perovskite Membranes. Chemical Engineering Science. 1999; (54): 3839-3850. [11] Park JH, Kim JP, dan Son SH. Oxygen Permeation and Stability of Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3- Membrane According to Trace Elements and Oxygen Partial Pressure in Synthetic Air. Energy Procedia. 2009; (1): 369-374. [12] Kruidhof h, Bouwmeester HJM, Doorn RHEV, dan Burggraaf AJ. Influence of OrderDisorder Transition on Oxygen Permeability Through Selected Nonstoichiometric Perovskite-type Oxides. Solid State Ionics. 1993; (63): 816-822. [13] Park JH, Kim JP, Son SH, Choi SH, dan Hyun I. Effect of surface modification of Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3- membrane for oxygen separation. Energy Procedia. 2011; (4); 653-658. [14] Babakhani EG, Towfighi J, Shirazi L, dan Pour AN. Order-disorder transition and phase stability of BaxSr1-xCo0,8Fe0,2O3- oxides. Journal of Membrane Science. 2011; (376): 78-82. [15] Qiu L, Lee TH, Liu LM, Yang YL, dan Jacobson AJ. Solid State Ionics. 1995; (76): 321. [16] Shao ZP, Xiong GX, Cong Y, Dong H, Tong JH, dan Yang WS. Investigation on The Permeation Behaviour and Stability of a Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3- Oxygen Membrane. Journal of Membrane Science. 2000; (172): 177.

678


[17] Teraoka Y, Zhang HM, Furukawa S, dan Yamazoe N. Oxygen Permeation Through Perovskite-type Oxides. Chem. Lett. 1985; (11): 1743. [18] Yang, W., Wang, H., Zhu, X. dan Lin, L. (2005). "Development and Application of Oxygen Permeable Membrane in Selective Oxidation of Light Alkanes." Topics in Catalysis 3(1-2): 155-167. [19] Wang H, Cong Y, dan Yang W. Oxygen Permeation Study in a Tubular Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3- Oxygen Permeable Membrane. Journal of Membrane Science. 2002; (210): 259-271.

679

PENGUJIAN FLUKS OKSIGEN PADA MEMBRAN DATAR BERBAHAN DASAR OKSIDA PEROVSKIT La 0,7 Sr 0,3 Co 0,8 Fe 0,2 O 3 DAN Ba 0,5 Sr 0,5 Co 0,8 Fe 0,2 O 3

Recommend Documents