11/28/2014
TEKNOLOGI NANO KARBON BERBASIS HASIL HUTAN
Saptadi Darmawan Wasrin Syafii I Nyoman J Wistara Akhirudin Maddu Gustan Pari
PENDAHULUAN Teknologi Nano
Atom Molekul
Makromolekul 1-100 nm
Nanostruktur Peralatan Sistem Sifat-sifat dan fungsi baru
U.S. EPA, 2007
Memanipulasi Mengontrol
1
11/28/2014
Aplikasi Penyimpan Gas Baterai Superkapasitor Fuel cells Sensor Chip’s Drug delivery Solar cell
http://www.motorauthority.com
https://kiyisanbbl.wordpress.com
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
Fiber
Tube
Nano Karbon
Particle
Porous
2
11/28/2014
Karbon Nanoporous
Keunggulan sifat (porositas)
-Luas permukaan -Volume pori -Diameter pori
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) : - micropores < 2 nm - mesopores 2 - 50 nm - macropores > 50 nm. Diameters < 100 nm (Lu, 2004)
KARBON NANOPOROUS
Teknik
Teknik
Templat
Aktivasi
Arang kayu mangium
3
11/28/2014
Teknik Templat
Templat : silika dan zeolit Sumber Karbon: Poly(vinyl alcohol), Poly(ethylene terephthalate) Polyimid Propilene Pelarut: Hidrogen Flourida (HF)
Karbon Nanoporous
Skala komersil masih sulit dilakukan
Teknik Aktivasi Bahan Baku Karbonisasi Pirolisis
Arang-hidro Arang
Karbonisasi Hidrotermal
Prekursor Aktivasi Kimia (KOH)
Karbon Nanoporous
4
11/28/2014
Karbonisasi Hidrotermal
Kondisi: - Reaktor tertutup - Media air - Tekanan autogenus
Kelebihan: - Suhu rendah : energi - Produk berupa gas sedikit - Komposisi kimia seragam - Kandungan gugus fungsi oksigen tinggi
Karbon Nanoporous
Batu Bara
Minyak Bumi Bahan baku
Lignoselulosa
Terbarukan
5
11/28/2014
Aktivasi Saat Ini Karbon nanoporous
Templat
Bahan
Asam Kuat
Fosil dan batubara Pirolisis Biomasa > 400C
Aktivasi
KOH (3:1 - 4:1) Konduktivitas rendah
Pelarut asam
Aktivasi Pada Penelitian Ini Bahan kimia Pelarut asam
KOH + Steam = siklus KOH
Bahan baku Biomasa
Karbon nanoporous
Karbonisasi hidrotermal suhu rendah
Karbonisasi pirolisis suhu rendah
Prekursor : Karbon amorf Bahan mudah menguap tinggi Kematangan karbon rendah
6
11/28/2014
Kayu Solid
Tujuan :
Kayu Lapis
Diversifikasi biomasa karbon nanoporous karbonisasi bertingkat
Papan partikel /serat
Perubahan struktur setiap tahap Kondisi terbaik.
Pulp kertas
Karbon nanoporous
Arang
Pirolisis
Arang hidro Biomasa
Hidrotermal
KARBONISASI
BAHAN BAKU
Karakerisasi
KOH Steam
Arang
Arang hidro
Pemanasan
AKTIVASI
KONDUKTIVITAS
KARBON NANO POROUS KONDUKTIF
Karbon porous Kajian
Ruang Lingkup
7
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Biomasa
Komponen Kimia (%)
11/28/2014
Pinus Selulosa (%)
Mangium Hemiselulosa (%)
T. Kemiri Lignin (%)
Pinus Permeabilitas
Biomasa
Mangium
T kemiri
8
11/28/2014
Intensitas (a.u.)
Pinus Mangium T kemiri
Biomasa
Sudut 2 ()
65.39%
84.05%
82.01%
Materi mudah menguap
Analisis
Mangium
T. kemiri
K. kimia
**
***
*
Proksimat
***
**
*
Unsur
***
**
*
Morfologi
***
**
*
Gugus fungsi
***
**
*
Amorphous
**
*
***
Bentuk kristal
***
*
**
Biomasa
Pinus
Biomasa yang paling berpotensi menghasilkan karbon nanoporous kayu pinus > mangium > tempurung kemiri
9
11/28/2014
Gas
Kondensor
Pemanas listrik Kran Reaktor
Penampung destilat Thermo meter
Sampel
Keran pembuang Sampel
Safety valve
Kontrol Panel
Kabonisasi Hidrotermal (KHT) Suhu : 200 dan, 300oC Waktu : 6 jam Volume air : 1/3 volume digester Sampel : 15% berat air
Arang
Karbonsasi
Kabonisasi Pirolisis (KP) Suhu : 200, dan 300oC Waktu : 6 jam
Arang-hidro
Back Preasure gauge Pemanas listrik
Arang Pinus
T Kemiri
Arang-hidro
Karbonsasi
Mangium
Pinus Mangium T Kemiri
10
11/28/2014
Mangium
Karbonsasi
Arang-hidro
Arang
Pinus
T Kemiri
Volume@STP(cc/g)
Volume @ STP (cc/g)
16
4,0
Arang
14
Arang-hidro
3,5 3,0
12
2,5
10 Desorption
6
2,0 1,5
Adsorption
4
1,0
2
0,5
Desorption
Adsorption 0,0
0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
P/P0
P/P0
Sample
0,8
1,0
Karbonsasi
8
Diameter pori (nm)
Arang
2,80
Arang-hidro
1,86
11
11/28/2014
2. Morfologi arang-hidro > porous > arang 3. Kandungan materi menguap arang-hidro > arang
Karbonsasi
1. Proses dekomposisi biomasa pada proses KH > KP
Sifat-sifat tersebut mendukung pembentukan karbon aktif dengan porositas tinggi terutama arang-hidro dari kayu pinus
Porositas tinggi: aktivasi kimia dengan KOH Luas permukaan > 1.900 m2/g KOH : arang = 1:1 - 8:1
Aktivasi
Pemberian uap air Siklus pembentukan KOH terjadi Pemakaian KOH rendah (1:3) Siklus KOH (K2CO3, K2O, KOH)
12
11/28/2014
Proses
Aktivasi
Suhu : 800C Waktu: 30 menit
Proses aktivasi
Karbon Aktif
Struktur Kristalin
KA-KP2P KA-KP3P KA-KP2M KA-KP3M KA-KP2K KA-KP3K
Aktivasi
KA-KHT2P KA-KHT3P KA-KHT2M KA-KHT3M KA-KHT2K KA-KHT3K
13
11/28/2014
Daya jerap iodin vs derajat kristalinitas Daya jerap iod (mg/g) 1200 1150 1100
Aktivasi
1050 1000 950 900 850 800 20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
D Kristalinitas (%)
Morfologi Permukaan
Aktivasi
KA-KH2Pinus
KA-KH2Mangium
KA-KH2T. Kemiri
14
11/28/2014
Analisis Porositas Volume, cc/g
KA KH2Pinus
IUPAC : Tipe I Uap air : mesopori
KA KP2Pinus
Contoh Uji
Aktivasi
VM:
Diameter Luas, pori BET (nm) (m2/g)
Luas mikropori (m2/g)
Total vol. pori (cc/g)
Volume Vol. mikropori mikropori / total vol.pori (cc/g) (%)
KA KP2P
1,68
1.454
1,172
0,896
0,5876
65,58
KA KH2P
1,70
2.240
1,513
1,583
0,7462
47,14
Sintering Konduktivitas Porositas? - Konvensional - Spark Plasma Sintering
Sintering
Cara konduktivitas: - Pemanasan - Kerapatan - Doping
15
11/28/2014
Proses Bahan baku ; KA-KH2P Sintering : - Konvensional - Spark Plasma Sintering
: 900oC 1 jam : 1300oC 5 menit
Sintering
Doping - LiOH - Karbon:doping = 5:1
Spark Plasma Sintering
SPS LiOH
SPS LiOH Li2O 900 Kontrol 900 KA-KH2P
Sintering
SPS Li2O LiOHkontrol 900 SPS
C mesopori
16
11/28/2014
Analisis sinar-X
Karbon aktif Prekursor Kontrol 900 Li2O 900 LiOH 900 SPS Kontrol 1300 SPS Li2O 1300 SPS LiOH 1300 Mesoporous Nanopowder
Derajat kristalinitas (%) 20,81 35,46 33,65 33,25 55,81 60,74 70,25 68,59 43,99
Kematangan Karbon 0,93 1,07 1,03 1,01 4,95 14,79 23,79 5,93 1,25
Aromatisiti (%)
Konduktivitas (S/m)
0,42 0,48 0,43 0,37 0,92 0,97 0,98 0,96 0,59
130,84 747,41 2.135,18 2.125,53 ND ND ND ND ND
Karakteristik porositas
Radius Pori (nm)
BET (m2/g)
Mikro (m2/g)
Vol. Tot. (cc/g)
Vol. Mikro. (cc/g)
Vol Mikro/ total (%)
Kontrol 900
2,84
1.324
862.642
0,9416
0,448
0,4758
LiOH 900
3,00
1.273
746.445
0,9566
0,384
0,4014
Karbon Mesoporous
4,83
285
Karbon Nanopowder
1,94
375
0,1323
36.4
Contoh Uji
0,6890 267
0,3640
17
11/28/2014
Sintered 900C , 1 jam
Sintered 900C, 1 jam, Li₂O
Sintered 900C, 1 jam, LiOH
SPS Kontrol
SIMPULAN
Sintering : - Meningkatkan konduktivitas - Menurunkan porositas
18
11/28/2014
Sifat bahan baku Materi mudah menguap dan morfologi biomasa serta struktur kristal selulosa mempengaruhi pembentukan karbon nanoporous. Penentuan awal terbentuknya struktur arang atau arang-hidro KOH kecil + uap air = porositas tinggi. kayu pinus (hidrotermal 200oC) = karbon nanoporous konduktivitas terbaik
Karbon nanoporous konduktif
19
11/28/2014
- Balitbang Kehutanan - Balai Penelitian Teknologi Hasil Hutan Bukan Kayu Mataram - Puslitbang Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan - Departemen Hasil Hutan Fahutan IPB - Semua pihak yang telah membantu penelitian
20
11/28/2014
I
CHO + * CH2OH + *OH + *H + *O + *C *CHO + * CH2OH *CHO + *OH *OH + *H
*H + *H *C + *O
CH3COOH HCOOH
H2 O
H2 CO
*C
Penataan atom karbon membentuk heksagonal
Graphene
Graphite 28 November 2014
41
Karbonisasi hidrotermal selulosa Struktur polifuran Glukosa
HMF Dehidrasi
Polimerisasi/ polikondensasi
Selulosa Kondensasi intramolekul dan dekarboksilasi
Utama
Jaringan aromatik karbon aranghidro
Falco et al. 2011)
21
11/28/2014
Karbonisasi pirolisis lignin
Hwang & Obst. (2003)
2.2. Bahan dan Metode Kayu mangium, pinus dan tempurung kemiri - Komponen kimia kayu - Analisis proksimat - SEM dan EDX - FTIR - XRD * Derajat kristalinitas * Z (penentuan dominansi antara selulosa Iα dan I) Z = 1693d1 - 902d2 – 549 d1 (100 dan 010) dan d2 (110 dan 1-10) Z > 0 mengindikasikan dominasi selulosa Iα Z < 0 merupakan selulosa I.
* Penetapan perbandingan antara selulosa Iα/I d1x/y (nm) = 0,613(x/10) + 0,602(y/10) d2x/y (nm) = 0,535(y/10) + 0,529(x/10)
22
11/28/2014
Aktivasi
23
