.atkan Stabilitas Struktur Membran Silika Dengan Penambahan Si Sebelum Kalsinasi (Mochamad Rosjidi & Hens .aputra)
PERBAIKAN STABILlTAS STRUKTUR MEMBRAN SILlKA DENGAN PENAMBAHAN Si SEBELUM KALSINASI Mochamad Rosjidi & Hens Saputra Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses Telp. (021) 3169322, Fax. (021) 3169309 Email:
[email protected]
Abstract An anorganic membrane of MCM-41 possessing hexagonal structure was able to be made on the support of alpha alumina by using dip-coating method. In this experiment, the mother solution was formulated by using a mixture of cethyl trimethylammonium bromide (C16TAB), HCI, ethanol, and aquadest. Base upon the previous experiment showed that the nanoporous membrane (MCM-41) being made by using dip-coating method formed the thin wall of pores, and it was broken while the process of calcination was performed at 600 C. In order to increase the stability of MCM-41 membrane, the thickness of pore wall was needed to be increased. One of the methods, which can be used, is by employing the process of vapor infiltration using tetraethyl ortosilicate solution. This process was performed to the MCM-41 membrane which was already formed by the dip-coating method. To observe the morphology of membrane was performed by employing X-ray diffraction (XRO) and Scanning electron microscopy (SEM). Based on the analysis of permeation gas through the membrane showed that the occurring mechanism followed the law of Kudsen diffusion and was not detected to occur the viscous flow. Therefore, it can be concluded that the membrane had narrow pore size distribution and no indication of membrane breakage as result of the pinhole or leakage. Kata kunci : membran silika, stabilitas, kalsinasi.
PENDAHULUAN Berdasarkan bahan baku yang digunakan, membran dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu membran organik dan membran anorganik. Membran organik adalah membran yang dibuat dari bahanbahan organik seperti polimer, kompon, dll. Sedangkan membran anorganik dapat dibuat dari bahan anorganik seperti keramik, zeolit, paduan logam, serta bahan-bahan anorganik lainnya. Membran polimer lebih mudah dibuat dengan biaya yang relatif murah bila dibandingkan dengan membran anorganik, tetapi terdapat keterbatasan antara lain mudah rusak bila terkena pelarut organik, bahan kimia yang bersifat asam, basa atau pada temperatur tinggi. Karakteristik tersebut sangat mempengaruhi kinerja membran maupun umur penggunaan membran tersebut. Sedangkan membran anorganik ISSN 1410-3680
lebih tahan terhadap pelarut organik serta memiliki stabilitas yang sangat baik terhadap temperatur tinggi. Akhir-akhir ini banyak peneliti yang tertarik pada proses pembuatan membran anorganik karena beberapa keunikan karakteristiknya. Perkembangan penelitian membran anorganik meningkat sangat pesat setelah ditemukannya struktur ---.M41 S oleh peneliti Amerika Serikat Karge, dkk pad a tahun 1992. Struktur tersebut terdiri dari MCM-41 (heksagonal), MCM-48 (kubik) dan MC M-50 (lamellar). Struktur MCM-41 dan MCM-48 memiliki luas permukaan 2 mencapai 1000 m /g. Ada beberapa metode pembuatan membran anorganik antara lain dengan solgel conversion dimana proses pelapisan membran pada support dapat dilakukan menggunakan metode immersion, spin coating, dip coating, brush coating atau sputtering. Metode immersion dapat 51
M.P.I. Vol.t No.3. Desember 2007, 51 - 56
menghasilkan lapisan membran dengan tebal sekitar 20 mikron (Saputra, 2003), sedangkan metode spin coating dan dip coating diperoleh membran yang lebih tipis, yaitu sekitar 0,2 mikron. Aplikasi metode dip coating dengan single dip coating menghasilkan membran yang lebih tipis tetapi keberhasilan proses akhir yaitu penghilangan template dari membran tersebut sering menghadapi kendala yaitu kerusakan membran. Hal tersebut disebabkan oleh sangat tipisnya membran yang dihasilkan sehingga proses dekomposisi surfaktan mengubah struktur silika yang telah terbentuk. Salah satu cara untuk mengantisipasi kondisi membran yang tidak stabil pada single dip coating membran silika adalah meningkatkan jumlah Si pada seluruh bagian membran. Pada penelitian ini dilakukan proses vapor infiltration yaitu penambahan Si yang diperoleh dari tetraethyl ortosilicate (TEOS) kepada membran silika dengan struktur heksagonal (MCM-41) yang dihasilkan dari proses single dip coating. Pembuktian struktur diuji dengan X-ray diffraction (XRD). Dilakukan pula karakterisasi permeasi gas nitrogen pada beberapa tekanan.
temperatur 600°C selama 1 jam dengan kenaikan temperatur 1 derajat per menit. Pendinginan dilakukan secara alamiah. eTAS, TEOS,aquades, ethanol, Hel
DRYING
Alpha alumina
TEOS-~
VAPOR
INFIL TRA TION
WASHING
Aquades
METODE PENELlTIAN
Metode penelitian pembuatan membran silika dengan struktur heksagonal (MCM-41) yang menggunakan metode single dip coating dan proses vapor infiltration dapat dijelaskan melalui Gambar 1. Larutan yang digunakan untuk proses dip coating yang merupakan larutan induk adalah campuran dengan perbandingan mol 0,5 surfaktan (cetyltrimethyl ammonium bromide I CTAB) : 100 pelarut aquades : 75 ethanol : 2 HCI : 3 TEOS. Seluruh bahan tersebut dicampur pada temperatur ruang hingga homogen dengan kecepatan pengadukan 200 rpm selama 15 menit. Tahap selanjutnya adalah proses dip-coating, yaitu proses melapisi support alpa alumina dengan larutan induk. Setelah proses dipcoating, membran dikeringkan pada temperatur 150°C, kemudian diikuti dengan proses vapor infiltration yang dilakukan pada temperatur 120°C selama 2 jam menggunakan tetra ethyl ortosilicate pada ruang tertutup yang terbuat dari SS 316 dengan pelindung teflon. Setelah proses vapor infiltration, membran dicuci dengan aquades dan dikeringkan pada temperatur 90 QC. Setelah kering dikalsinasi pada 52
DRYING
Membran MCM -41
---.
Gambar 1. Diagram Proses Pembuatan Membran MCM-41 Karakterisasi membran yang dihasilkan dilakukan menggunakan X-ray diffraction (XRD) sebelum dan sesudah vapor infiltration maupun setelah kalsinasi, juga dibandingkan dengan membran MCM-41 tanpa perlakuan vapor infiltration.
HASIL DAN DISKUSI
Kondisi membran silika MCM-41 tanpa perlakuan vapor infiltration sebelum dan ISSN 1410-3680
~.
Perbaikan Stabilitas Struktur Membran Silika Dengan Penambahan Si Sebelum Kalsinasi (Mochamad Rosjidi & Hens Saputra)
sesudah kalsinasi ditunjukkan melalui grafik XRD seperti dapat dilihat pad a Gambar 2. Dari Gambar 2 diketahui bahwa sebelum proses kalsinasi membran yang dibuat dengan cara single dipcoating, struktur MCM-
41 yang terbentuk terlihat melalui grafik XRD. Setelah proses kalsinasi, ternyata struktur MCM-41 rusak, hal ini ditandai dengan tidak terlihatnya grafik XRD.
MCM-41 After calcination ~1'
~in
1
2
I
3
-
4
h
5
6
7
8
9
2 theta [degrees]
Gambar 2. Grafik XRD Membran MCM-41 Dengan Single Oipcoating, Sebelum Dan Sesudah Kalsinasi.
After Calcination After vapor infiltration
MCM-41 single dipcoating 2
3
4
5
6
7
8
9
2 theta [degrees] Gambar 3. Grafik XRD Membran MCM-41 Dengan Single Oipcoating, Diikuti Vapor Infiltration Sebelum Dan Sesudah Kalsinasi. ISSN 1410-3680
53
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007, 51 - 56
(a)
(b)
Gambar4. Foto SEM Dan Pemetaan Membran MCM-41 (a) Foto SEM, (b) Distribusi Si
support. Hal ini dapat dibuktikan melalui pengamatan dengan Scanning Electron Microscope (SEM) dan pemetaan dengan EDX seperti terlihat pada Gambar 4. Gambar 4.a. memperlihatkan foto SEM membran MCM-41 yang dihasilkan. Lapisan membran yang sangat tipis terlihat pada sisi kanan gambar. Gambar 4.b. adalah hasil pemetaan Si menggunakan EDX pada posisi yang sama dengan Gambar 4.a. Titik-titik adalah menggambarkan posisi Si.
Hasil analisis XRD membran MCM-41 yang di-treatment dengan vapor infiltration dapat dilihat pad a Gambar 3. Dari Gambar 3 dapat diketahui bahwa vapor infiltration menggunakan TEOS efektif untuk meningkatkan stabilitas membran silika MCM-41 yang dibuat dengan metode single dip coating. Hal itu terbukti dengan tetap adanya struktur MCM-41 setelah proses kalsinasi pada temperatur 600°C. Si yang berasal dari TEOS menyisip ke seluruh permukaan membran maupun bagian
~
i' ...jj••
..
Hel i Um
• Nitrogen
2
..•
•
a
..
.do 1dI'_1IiI
Gambar 5. Permeasi Gas Nitrogen Dan Helium Pada Membran MCM-41 54
ISSN 1410-3680
Perbaikan Stabilitas Struktur Membran Silika Dengan Penambahan Si Sebelum Kalsinasi (Mochamad Rosjidi & Hens Saputra)
Uji gas permeasi pada membran yang belum dikalsinasi menunjukkan hasil bahwa tidak terdapat aliran gas yang melewati membran. Hal ini menunjukkan bahwa membran dalam keadaan tertutup sempurna seluruh porinya oleh molekul-molekul surfaktan. Pada waktu proses kalsinasi, seluruh molekul surfaktan terdekomposisi menjadi gas-gas CO2, O2 dan H20, kemudian menguap meninggalkan membran sehingga terbentuk lubang-Iubang yang teratur sebagai pori membran. Permeasi gas nitrogen dan helium pada membran MCM-41 yang telah dikalsinasi pada berbagai beda tekanan menghasilkan grafik seperti terlihat pada Gambar 5. Dari Gambar 5 terlihat bahwa permeance gas murni (nitrogen dan helium) konstan walaupun pressure drop berubah. Data ini mengindikasikan bahwa mekanisme transport gas melalui membran sesuai dengan kaidah difusi Knudsen dan tidak terlihat adanya aliran viscous. Dapat diketahui bahwa membran dalam keadaan baik, tidak ada kerusakan akibat retak atau pinhole. Aliran viscous hanya terjadi pada lubang yang lebih besar.
KESIMPULAN •
•
•
Proses vapor infiltration menggunakan TEOS dapat meningkatkan stabilitas membran silika dengan struktur heksagonal (MCM-41) yang dibuat dengan cara single dipcoating. Membran MCM-41 tahan terhadap temperatur tinggi. Melalui EDX dapat diketahui bahwa Si terdistribusi secara merata pada seluruh bagian membran maupun support. Mekanisme transport gas yang terjadi pada membran silika yang dihasilkan mengikuti kaidah difusi Knudsen.
DAFT AR PUST AKA 1.
Burggraaf,
Science 2.
A.J.,
and
L.
Cot,
Technology
Membrane Series 4,
Elsevier, Netherlands, 1996. C.T. Kresge, M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. Vartuli, J.S. Beck, Ordered
mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism, Nature 359, 1998 3.
Gunter Schulz-Ekloff, Dieter Wohrle, Bast van Duffel, 2002, Chromopores in
porous silicas and minerals: preparation ISSN 1410-3680
and optical properties, Microporous and Mesoporous Materials 51, Elsevier. 4.
G.Z. Cao, and A.J.
J. Meijerink, H.W.Brinkman Burggraaf, Permporometry
study on the size distribution of active pores in porous ceramic membranes, J. 5. 6.
Memb. Sci. 83, Amsterdam, 1997 H. G. Karge, J. Weitkamp, 1998, Molecular Sieve 1, Springer, Germany. Oye G., Sjoblom, M. Stocker, Synthesis,
characterization and potential applications of new materials in the mesoporous range, advanced in col/oid and interface science, Elsevier, 89-90, 7.
8.
2001. Saputra,
H., Pemanfaatan silikat untuk pembuatan membran nanofiltrasi tahan panas berstruktur hexagonal (MCM-41), Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia, Edisi Khusus, BPPT, Indonesia, 2003. Saputra, H., Pengaruh perbandingan
konsentrasi silikat-surfaktan pada pembentukan struktur material M41S, Pengkajian Industri, Jakarta, 2003, Saputra, H., 2004, "Pembuatan dan Karakterisasi Membran Silika-Alumina MCM-41 Hidrophobik dan Hidrophilik untuk Pemisahan Pelarut Organik-Air", Prosiding Seminar Nasional Viable Manufacturing System 2004, UII, Yogyakarta. 10. Thomas J. Pinnavaia and M.F. Thorpe, "Access in Nanoporous Materials, Plenum Press, New York, 1995. 11. Xiao-Lin Wang, Ai-Ling Ying, Wei-Ning Wang, "Nanofiltration of L-phenylalanine and L-aspartic acid aqueous solutions", Journal of Membrane Science 196, 2002. 12. Zhou, W., J. Klinowski, "The mechanism channel formation in the mesoporous molecular sieve MCM-41", Chem. Phys 292,1998.
9.
RIWAYAT PENULlS Moch Rosjidi. Lahir di Jember tanggal 19 Mei 1960, lulus sarjana Teknik Kimia ITB tahun 1984 dan Master of Biochemical Engineering, UC Swansea - Wales, U.K. pada tahun 1990. Saat ini bekerja sebagai peneliti di Pusat Teknologi Industri Proses, Deputi Bidang Teknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa, BPPT.
Hens Saputra, Lahir di Gisting, 18 April 1972. Lulus sarjana Teknik Kimia UPN "Veteran" Yogyakarta tahun 1995. Menamatkan Pendidikan Master Bidang 55
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007,51
- 56
Chemical Engineering di Osaka University Japan pada tahun 2003. Saat ini bekerja sebagai peneliti di Pusat Teknologi Industri Proses (P3TIP). Oeputi BidangTeknologi
56
Industri Rancang Bangun dan Rekayasa. BPPT.
ISSN 1410-3680
