Perubahan
Konstruksi
Material Berlapis Menjadi Nano-Struktur
MCM-41 (Hens Saputra & Anwar Mustafa)
PERUBAHAN KONSTRUKSI MATERIAL BERLAPIS MENJADI NANO-STRUKTUR MCM-41 Hens Saputra & Anwar Mustafa Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi e-mail:
[email protected] Abstract A material of MCM-41 has a specific surface area of till 1000 m2lg. During the synthesis of MCM-41, the concentration of surfactant which was used to construct the material must be controlled carefully, if the addition of surfactant is greater than the Critical Micelle Concentration (CMC), most probably the material of MCM-50 will be formed, which has a layering structure. The layering structure is easy broken if the process of calcinations was applied and formed the amorf structure. Therefore, in order to ameliorate this drawback is by changing the structure, namely from the layering structure to the hexagonal structure (MCM-41). The mechanism used to change the structure was by adding silica. The penetration process of silica (Si) to the layering construction (MCM-50) has been performed by a vapor infiltration method and triethylortosilicate solution at 120 C during 2 hours. To remove the surfactant and to form the pore, the calcinations process has been applied at 500 C during 5 hours. In this experiment, the characteristics of product (Silica MCM-41) was done as well, such as to observe it by using Scanning Electron Microscope (SEM), adsorption-desorption isothermal with nitrogen gas and temperature of 77 K, also to analyze it by using Spectrophotometer FTIR. Based upon the results of characterization showed that the nano-structure of MCM-41 material produced had a good stability at high temperature and surface area (BET) about 1100 m2/g so that it was potentially to be applied as an inorganic membrane which is resistant to high temperature, also as support material for catalyst. Kata kunci : Konstruksi, material, Nano-struktur
PENDAHULUAN Proses pembuatan material nanostruktur telah mendapatkan perhatian para peneliti secara serius akhir-akhir ini karena prospek aplikasinya yang luas pada skala komersial, antara lain sebagai bahan pendukung katalis, pembuatan membran, filler, bahan sensor dan lain-lain. Salah satu hasil dari nanoteknologi, peneliti dari Mobil Oil Amerika Serikat menemukan material yang disebut dengan kelompok M41 S yaitu terdiri dari struktur heksagonal (MCM 41) dan struktur kubik (MCM 48). Sejak pertama kali dipublikasikan pad a tahun 1992, kedua struktur material tersebut menjadi sangat populer dan dapat memberikan semangat baru kepada para peneliti di bidang material, khususnya anorganik. Keunikan dari kedua struktur tersebut adalah luas permukaan dan volume pori yang sangat fantastik, yaitu ISSN 1410-3680
--.
MCM-41
sekitar 1.000 m2/g dan 1,02 cm3/g. Sedangkan ukuran porinya dapat diatur mulai dari 1 hingga 3 nm. Dengan memanfaatkan luas permukaan dan struktur pori yang terdapat pada kelompok material M41 S tersebut maka potensi aplikasinya menjadi sangat luas antara lain sebagai supporting catalyst dan membran. Luas permukaan yang besar dapat memberi keuntungan apabila diaplikasikan sebagai supporting catalyst karena memungkinkan kontak antar muka zat-zat yang akan direaksikan menjadi lebih baik sehingga diharapkan dapat meningkatkan konversi reaksinya. Karakteristik lainnya yang menarik adalah struktur yang dapat dibuat secara teratur, baik yang memiliki sistim aliran satu dimensi maupun sistem aliran tiga dimensi seperti MCM-48 sehingga dapat memungkinkan adanya aliran yang berkelak kelok. Kondisi tersebut dapat 45
M.P.I. Vol.1 NO.3. Desember
2007,45
- 50
menyebabkan adanya aliran turbulen yang menguntungkan bila diaplikasikan sebagai katalis atau pendukung katalis. Apabila diaplikasikan sebagai material membran anorganik diharapkan dapat mengurangi resiko terjadinya pore blocking, karena aliran dapat dibelokkan ke arah lain bila terjadi sumbatan. Proses pembentukan material MCM-41 dan MCM-48 sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter proses, antara lain konsentrasi template organik yang digunakan (surfaktan), perbandingan konsentrasi silika, temperatur, dll. Apabila konsentrasi surfaktan terlalu tinggi maka dapat terbentuk material MCM-50, yaitu suatu material yang dikelompokkan dalam M41S juga dengan struktur berlapis. Terbentuknya struktur berlapis ini tidak menguntungkan, karena luas permuakaan yang rendah dan strukturnya akan rusak setelah dikalsinasi yaitu runtuhnya lapisan-Iapisan silika akibat proses dekomposisi lapisan surfaktan. Pada penelitian ini telah dilakukan proses konversi material MCM-50 menjadi MCM-41, sehingga diharapkan dapat memperbaiki karakteristik material yang telah terlanjur terbentuk menjadi MCM-50, dimana terbentuknya struktur berlapis tersebut dipengaruhi oleh kondisi proses seperti yang telah dibahas di atas.
BAHAN DAN METODE PENELlTIAN Bahan dan Peralatan Proses
Bahan yang digunakan pada penelitian nu antara lain tetraethyl ortosilikat (TEOS) dan tetramethyl ortosilikat sebagai sumber silikat, cethyltrimethyl ammonium bromida (C16TAB) sebagai template organik dan katalis NaOH serta pelarut aquadest. Peralatan proses yang digunakan terdiri dari dua bagian yaitu unit mixing dan vapour infiltration. Mixing dilakukan pada temperatur ruang dan tekanan atmosferis dengan kecepatan pengaduk 200 rpm. Peralatan untuk proses vapour infiltration berupa vessel tertutup yang tahan panas, terbuat dari stainless steel. Pada bagian dalam (ruang reaksi) terbuat dari teflon yang mudah dilepas dari frame. Bahan teflon berguna untuk mengantisipasi kemungkinan terjadinya reaksi antara bahan-bahan kimia yang digunakan dengan dinding frame. Metode
Metode penelitian tru terdiri dari penyiapan larutan induk, proses vapour infiltration dan kalsinasi.
C16TAB NaOH Aquadest
TEOS
WASHING
~
MCM-50
TEOS
DRYING
MCM-41
MCM-41
Gambar 1. Proses Pembuatan Material MCM-41 Dan MCM-50 46
ISSN 1410-3680
Perubahan
Konstruksi
Material Berlapis Menjadi Nano-Struktur
MCM-41 (Hens Saputra & Anwar Mustafa)
menganalisis strukturnya sebelum dan sesudah proses konversi dengan metode vapour infliltration maupun proses kalsinasi. Pengamatan partikel dilakukan dengan scanning electron microscope (SEM), dilakukan pula analisis menggunakan FTIR. Analisis distribusi ukuran pori dan luas permukaan (BET surface area) dilakukan menggunakan data adsorpsi-desorpsi isotherm.
Proses penyiapan larutan induk yaitu pencampuran antara surfaktan, pelarut dan katalis. Pembuatan material standar MCM-41 dilakukan dengan perbandingan molar surfaktan/silika O,1-0,O,S dan NaOHITEOS O,1-0,3S. Pembuatan material dengan struktur MCM-SO dibuat dengan perbandingan surfaktan/silika lebih dari 0,7 dan NaOHITEOS lebih dari O,S. Diagram proses pembuatan material standar MCM-41 dan struktur berlapis MCM-SO dapat dilihat pada Gambar 1. Proses konversi struktur MCM-SO menjadi MCM-41 dilakukan pada ruang tertutup, temperatur 120 QC selama 2 jam. Selanjutnya kalsinasi pada temperatur 600 QCselama 1 jam.
HASIL DAN PEMBAHASAN Perubahan struktur berlapis MCM-50 menjadi MCM-41
Setelah proses vapour infiltration yang dilakukan pada material MCM-SO diperoleh struktur MCM-41. Keberhasilan perubahan struktur tersebut dapat diketahui melalui analisis dengan XRD seperti yang terlihat pada Gambar 2.
Karakterisasi
Material yang dihasilkan dianalisis menggunakan X-ray diffraction (XRD) untuk
,-... ::s «i
'--'
>-.
.<::l
tIl
MCM-50
c::
B ..5
~
j\ 1
2
~ MCM-41
r
3
4
S
6
7
8
2 theta (degrees)
Gambar 2. Grafik XRD Struktur MCM-SODan MCM-41 Hasil Konversi
Berdasarkan Gambar 2. dapat diketahui bahwa material dengan struktur berlapis MCM-SOdapat diubah menjadi MCM-41. Ciri struktur MCM-SO adalah terlihatnya pengulangan grafik pada 2 theta 2,S dan S. Sedangkan pada struktur MCM-41 yang dihasilkan grafik pada daerah 2 theta S tidak terlihat lagi. Mekanisme perubahan struktur tersebut dapat dijelaskan melalui Gambar 3. Pada Gambar 3.a terlihat ilustrasi struktur MCM-SO sebelum dilakukan proses vapour infiltration. Tampak jelas adanya susunan material yang berlapis anatara surfaktan dan silika. Apabila dilakukan kalsinasi maka surfaktan akan terdekomposisi menjadi gasgas antara lain CO2, O2 dan uap H20 ISSN 1410-3680
-....
kemudian meninggalkan sistem. Hal ini mengakibatkan hilangnya suatu lapisan yang tersusun oleh surfaktan tersebut, sehingga lapisan silika akan runtuh dan terjadi struktur amorfase. Pada waktu proses vapour infiltration, Si akan menyisip ke seluruh bagian material sehingga terjadi pelapisan pada seluruh bagian material tersebut, baik sisi surfaktan maupun silika. Apabila proses pelapisan terjadi secara sempurna maka seluruh permukaan surfaktan telah terlapisi oleh silika (Gambar 3.b). Pada waktu dikalsinasi seluruh surfaktan akan terdekomposisi dan meninggalkan sistem, sehingga tersisa komponen silika yang berpori. 47
M.P.1. Vol.1 NO.3. Desember
2007, 45 - 50
(a)
(b)
Gambar 3. Mekanisme Perubahan Struktur MCM-50 Menjadi MCM-41
Luas permukaan, volume distribusi ukuran pori
pori
pada grafik, mengindikasikan struktur pori yang seragam pada bagian luar maupun bagian dalamnya. Hasil analisis BET surface area multi point diketahui BET surface area: 1.300 m2/g dan volume pori 1,03 cm3/g. Distribusi ukuran pori dengan metode BJH dapat dilihat pada Gambar 5. Distribusi ukuran pori yang sempit pada material MCM41 dengan ukuran pori rata-rata 2,4 nrn. Spesifikasi tersebut menciptakan potensi untuk diaplikasikan sebagai supporting katalis maupuan bahan baku pembuatan membran.
dan
Hasil analisis adsorpsi-desorpsi isothermal menggunakan gas nitrogen pada 77 K, diketahui adanya struktur mesoporus pada material MCM-41 (Gambar 4). Gambar 4 memperlihatkan grafik adsorpsidesorpsi isotherm powder MCM-41 yang dihasilkan. Terjadi peningkatan volume nitrogen yang teradsorpsi pada daerah antara tekanan relatif 0,2 hingga 0,4. Hal ini menunjukkan adanya pori dengan struktur mesoporus. Tidak terlihat adanya hysteresis 700 500
500 ''''!
'".2E ••e
400
~ 0
> 300
.Q.
/
ad;orp1
en
.•.. desorpt ion
:200
100
o o
0.1
0.2
0.3
OA
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Relatrve preS$yre (P/po)[-]
Gambar4. Adsorpsi-Desorpsi Isothermal MCM-41 48
ISSN 1410-3680
Perubahan
Konstruksi
Material Berlapis Menjadi Nano-Struktur
MCM-41 (Hens Saputra & Anwar Mustafa)
0.20
0.10
0.05
0,00
o
2
3
456
7
Oiameter
8
9
10
film]
Gambar 5. Grafik Sistribusi Ukuran Pori Dengan Metode BJH Sebagai bahan supporting katalis, BET surface area yang luas memungkinkan untuk terjadinya kontak antara zat-zat pereaksi menjadi lebih besar frekwensinya sehingga diharapkan dapat meningkatkan konversi reaksi yang diharapkan. Sebagai bahan baku pembuatan membran, adalah merupakan salah satu persyaratan penting untuk memperoleh produk membran yang memiliki selektivitas tinggi sangat dipengaruhi oleh distribusi ukuran porinya.
•
DAFTAR PUSTAKA
--.. 1. KESIMPULAN
•
Struktur berlapis MCM-50 dapat dikonversi menjadi struktur heksagonal MCM-41 dengan metode vapor
2.
•
Stabilitas struktur MCM-41 sangat baik, tahan terhadap temperatur yang tinggi, sedangkan MCM-50 mudah rusak pada suhu kalsinasi. BET surface area sampel MCM-41 yang dihasilkan adalah 1.300 m2/g dan volume
ISSN 1410-3680
Saputra,
H., Synthesis and Characterization of Zirconium-containing Nanoporous Silica Membranes s Osaka University, Japan, hal. 8-10, 33-35, 2003 Saputra, H., Pemanfaatan silikat untuk pembuatan membran nanofiltrasi tahan panas berstruktur hexagonal (MCM-41),
infiltration.
•
pori 1,03 cm3/g. Distribusi ukuran pori yang sempit merupakan indikasi tingkat keseragaman pori yang balk, ukuran rata-rata pori adalah 2,4 nrn. Berdasarkan karakteristik tersebut, maka material MCM-41 berpotensi untuk dijadikan sebagai supporting catalyst dan bahan untuk membuat membran.
3.
Jurnal Sains dan Teknologi Indonesia, Edisi Khusus, BPPT, Hal 343-347. 2003. Saputra, H., Pembuatan dan Karakterisasi Membran Silika-Alumina MCM-41 Hidrophobik dan Hidrophilik untuk Pemisahan Pelarut Organik-Air,
49
M.P.I. Vol.t No.3. Desember 2007,45 - 50
4.
5.
mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism, Nature 359 710-712,1992.
"Veteran" Yogyakarta tahun 1995. Menamatkan Pendidikan Master Bidang Chemical Engineering di Osaka University Japan pada tahun 2003. Saat ini bekerja sebagai peneliti di Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses (P3TIP), Deputi BidangTeknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa, BPPT.
Nishiyama, N., A. Koide, Y. Egashira, K. Ueyama, Mesoporous MCM-48
Anwar Mustafa. Lahir di Parepare, Sulawesi
Prosiding Seminar Nasional Viable Manufacturing System 2004, UII, Yogyakarta, Hal 539-544, 2004. Kresge, C.T., M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. Vartuli, J.S. Beck, Ordered
membrane stainless
6.
7.
synthesized on steel support,
a porous
Selatan, tanggal 18 September 1960, lulus sarjana Teknik Kimia UPN "Veteran" Yogyakarta tahun 1986 dan Master of
Chem. Commun., hal. 2147-2148A, 1998. Burggraaf,J., Cot,L., Membrane Science and Technology Series,4, Elsevier, Netherlands, 1997. H. G. Karge, J. Weitkamp, Molecular Sieve 1, Springer, Germany, 1998.
Engineering,
Kagoshima
University,
Japan.
pada tahun 1995. Saat ini bekerja sebagai peneliti di Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Industri Proses, Deputi Bidang Teknologi Industri Rancang Bangun dan Rekayasa, BPPT.
RIWAYAT PENULlS
Saputra, Lahir di Gisting, 18 April 1972. Lulus sarjana Teknik Kimia UPN
Hens
-.....
50
ISSN 1410-3680
