Pengaruh Konsentrasi Prekursor Jenis Sililation Agent Dan Teknik Pengeringan Pada Pembuatan Silika Aerogel Dari Water Glass Melalui Proses Pengeringan Atmosferik

PENGARUH KONSENTRASI PREKURSOR, JENIS SILILATION AGENT

DAN TEKNIK PENGERINGAN PADA PEMBUATAN SILIKA AEROGEL DARI

WATER GLASS MELALUI PROSES PENGERINGAN ATMOSFERIK

Oleh : Basilio Ribeiro, ST

Yustia Wulandari M, ST. MT

Proposal Hibah Bersaing 2008

Silika Aerogel merupakan material solid dengan properti fisik yang unik dan ekstrim dimana densitas dan koefisien thermalnya sangat rendah namun luas permukaan dan thermal toleransinya sangat besar

isolator

Thermal

Accustic

CryogenicHigh Temp.Translucent

BuildingTransportasiMachinery

ChemistryAdsorbentCatalis supportExtracting agentNano vesselKinetik

energi absorber Tank baffle

Star dust impactShock absorption

Electronik

IsolatorSensor materialAmpedance adjustmentPigment carrierCerenkov DetectorLow ε material

Pharmacy / agriculture

Carrier material

Actine substanceFungicidesHerbicidesPesticides

Filler

liquid

films

Elastomers

PaintsVarnishesFunc. Liquid

PEMANFAATAN SILIKA AEROGEL

Metode sol-gel :precursor silika direaksikan, menghasilkan Silicon dioksida Pada awal reaksi, campuran berupa liquid (sol), namun saat reaksi terus berlangsung, larutan semakin viscous dan mulai kehilangan fluiditinya dan berubah menjadi gel. Gel dikeringkan untuk mengeluarkan solvent yang ada di dalam gel, digantikan dengan gas (udara) sehingga terbentuklah aerogel.

Precursor MixingGelification Aging Drying

Sol Gel Aerogel

PROSES PEMBUATAN AEROGEL

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

Bahan baku Peneliti Proses Keunggulan & Kelemahan

Sodium Silicate/

Water Glass

Kistler (1931) Netralisasi dan pengeringan Superkritis Solvent

Keunggulan: Aerogel transparant, densitas 0,02 gr/cm3

Kelemahan: waktu lama,T & P Tinggi

Didik Purwanto (2007)

Netralisasi dan pengeringan Superkritis CO2

Aerogel transparan namun densitas masih tinggi

Schwertfeger (1998)

Rao dkk (2004)

Bhagat dkk (2006)

Netralisasi dan pengeringan Atmosferic (penambahan Silylation Agent)

Keunggulan: kondisi atmosfer

Kelemahan: gel mengkerut

Densitas > 0,1 gr/cm3

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

Bahan baku Peneliti Proses Keunggulan & Kelemahan

TEOS / TMOS Peri 1966

Nicolaon 1968

Briker dkk 1982

Tewari 1986

Tilotson 1992Smirnova 2002

Hidrolisa-kondensasi dengan pengeringan Superkritis solvent dan CO2

Keunggulan:

- aerogel transparan dan berdensitas

0,003 – 0,02 gr/cm3

-Tidak butuh pemurnian hasil samping

-Waktu relatif lebih cepat

Kelemahan:

Reagen harus murni, harga mahal dan bersifat toksit

Permasalahan yang ada

Dari segi bahan baku…

• Pada umumnya silika aerogel dibuat dari TEOS/TMOS, dimana reagent tersebut sangat mahal dan bersifat toksit

• Alternatif bahan yang murah, mudah didapat, dan tersedia dalam jumlah banyak adalah water glass. Namun dengan bahan ini diperlukan proses pemurnian Natrium (Rao, 2004 & Bhagat, 2006).

• Aerogel yang dihasilkan rata-rata masih berdensitas tinggi : 0,1-0,6 gr/cm3

• Perlu dicari komposisi atau konsentrasi larutan prekursor (waterglass) yang dapat menghasilkan aerogel berdensitas rendah

Permasalahan yang adaDari segi metode pengeringan…• Umumnya digunakan proses pengeringan superkritis (suhu

dan tekanan tinggi) agar gel silika dapat berubah menjadi aerogel tanpa pengerutan. Alat pengeringan superkritis mahal dan proses sulit

• Jika dikeringkan pada tekanan atmosferik, gel cenderung mengkerut dan pecah/rusak dikarenakan munculnya tekanan kapilaritas. Hal ini juga yang menyebabkan densitas aerogel jadi besar.

Permasalahan yang ada

Dari segi metode pengeringan…• Untuk mempekuat gel agar tahan terhadap proses

pengeringan perlu ditambah sililation agent (Rao, 2004 & Bhagat, 2006)

• Jenis dan komposisi sililation agent ini perlu dicari untuk mendapatkan hasil aerogel yang kuat.

Permasalahan yang ada

• Bhagat telah mengembangkan metode pengeringan atmosferik dengan suhu pemanasan bertahap 65, 80, dan 150 oC. Namun densitas aerogel masih besar (+ 0,12 gr/cm3) dan sebagian besar pecah/hancur

• Perlu dicoba modifikasi suhu dan tahapan pengeringan atmosferik untuk memperoleh hasil aeerogel yang lebih baik

TUJUAN PENELITIAN

• Membuat silika aerogel dari bahan water glass dengan pengeringan atmosferik

• Mengevaluasi pengaruh kondisi operasi: konsentrasi larutan prekursor, lama aging, komposisi sililation agent dan teknik pengeringan atmosferik terhadap karakteristik silika aerogel seperti densitas, porositas, dan surface area.

TARGET PENELITIAN

• Produk silika aerogel utuh dan transparan dengan densitas< 0,1

• 2-3 publikasi mengenai data komposisi sililation agent dan teknik pengeringan yang menghasilkan aerogel terbaik

PROSEDUR PERCOBAAN

Air

Water Glass

pengenceran

ion exchanger

Gel silika

Pengeringan atmosferik

NH4OH

Na+

Aerogel silika

Karakterisasi:- Fisik- Luas permukaan - Densitas- PorositasA

A

H+

Proses aging65 oC

Sol silikaSililation agent

VARIABEL PENELITIAN

• Tahun Pertama1. Konsentrasi silika dalam waterglass : 5%, 7,5% ; dan 10 %2. Konsentrasi Sililation agent (HMDZ) : 2%, 5%, dan 10%3. Waktu Aging : 1, 3, 5 jam4. Suhu pengeringan : 60, 80, dan 100 oC

• Tahun Kedua1. Konsentrasi silika dalam waterglass : 5%, 7,5% ; dan 10 %2. Konsentrasi Sililation agent (TMCS) : 2%, 5%, dan 10%3. Waktu Aging : 1, 3, 5 jam4. Suhu pengeringan : 60, 80, dan 100 oC5. Variabel lain sesuai rekomendasi hasil penelitian pada tahun

pertama

Sekian….

TERIMA KASIH

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Pertama kali silika aerogel dibuat oleh Kistler 1931 dengan mereaksikan sodium silikat (water glass) dengan asam klorida

• Na2SiO3 + 2HCl [SiO2.xH2O] + 2 NaCl • Garam NaCl sebagai hasil samping dipisahkan melalui pencucian gel• Kemudian silika gel dikeringkan dalam autoclave dengan tekanan

dan suhu diatas titik kritis solventnya• Aerogel yang dihasilkan transparan dan Densitasnya antara 0,02 s/d

0,1 g/cm3

Tabel 2.2. Properti Fisik Silika Aerogel

Properti Harga Keterangan

Densitas 0,003-0,35 g/cm3 Sebagian besar berdensitas 0,1 g/cm3

Luas permukaan 500-1000 m2/g Diukur dengan Nitrogen adsorpsi/desorpsi

Fraksi solid 0,13-15% Umumnya 5%

Diameter rata-rata pori 20 nm Diukur dengan Nitrogen adsorpsi/desorpsi

Diameter partikel primer 2-5 nm Diukur dengan electron microscopy

Refractive index 1,0-1,05 Harga ini sangat rendah dibanding solid lain

Ketahanan terhadap suhu >500 oCPengerutan mulai terjadi pada 500 oC, dan terus meningkat. Meleleh pada 1200 oC

Koefisien thermal 2,0-4,0 x 10-6 Diukur dengan metode ultrasonic

Konstanta dielektrik 1,1 Sangat rendah dibanding dengan solid lain

Kecepatan suara 100 m/s Salah satu nilai terendah material solid lain

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Peri 1966, membuat silika aerogel dari TEOS dengan proses satu langkah.

TEOS dihidrolisa sekaligus dikondensasi dengan reaksi

Si(OCH2CH3)4 + 2H2O SiO2 + 4HOCH2CH3

Gel yang dihasilkan dikeringkan pada kondisi superkritis solvent (alkohol)

• Nicolaon 1968, juga berhasil mengembangkan silika gel dari berbagai reagen tetra siliconalkoxide (Si(OR)4 sebagai bahan silika aerogel

• Kelebihan : tidak terbentuk hasil garam Na sehingga tidak diperlukan pemurnian gel yang memakan waktu lama. Alkohol terbentuk saat reaksi sehingga tidak perlu dilakukan penggantian solvent

• Kelemahan: tetra siliconalkoxide merupakan reagen yang sangat mahal

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Briker dkk 1982, membuat silika aerogel dari reagent TEOS dengan proses dua langkah (hidrolisa dan kondensasi dipisahkan).

• Tewari 1986 mengencerkan reagent dengan alkohol untuk menurunkan densitas silika aerogel. Diperoleh silika aerogel berdensitas 0,02 gr/cm3 dengan waktu gelatin 14 hari

• Pengenceran ini memiliki batas dimana pada pengenceran berlebih akan terjadi reaksi reesterifikasi yang akan menghambat pembentukan gel

• Kelebihan : kedua reaksi bisa dioptimalkan untuk mengatur properti dari silika aerogel yang diinginkan

• Kelemahan: Untuk silika aerogel dengan densitas < 0,1 g/cm3 butuh waktu gelatin yang lama.

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Schaefer 1987, menganjurkan untuk memisahkan alkohol yang terbentuk pada reaksi hidrolisa dengan destilasi dan melarutkan silika yang terkondensasi sebagian ke dalam alkohol yang lain untuk meminimalkan terjadinya reaksi reesterifikasi

• Tilotson 1992, memisahkan alkohol hasil reaksi hidrolisa dengan destilasi dan melarutkan silika terkondensasi sebagian dengan pelarut non alkohol (aseton, ether, acetonitrile) sehingga reaksi reesterifikasi dapat dihindari. Meski pada larutan sangat encer, waktu gelatin tidak lebih dari 72 jam. Dan mampu dihasilkan silika aerogel yang transparan dengan densitas 0,003 gr/cm3

• Kelebihan: waktu gelatin singkat dan densitas aerogel sangat rendah• Kelemahan dari proses di atas tetap pada penggunaan reagent yang

murni dan mahal yaitu TMOS

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Heley 1995, menghidrolisa SiCl4. partikel gel dikeringkan dengan metode superkritis dan diperoleh silika aerogel powder dengan densitas 0,04 gr/cm3

• Bommel 1995 memodifikasi metode pengeringan superkritis dengan mengalirkan CO2 superkritis sehingga tahapan pemanasan dan pendinginan tidak ada.

• BASF, German mengembangkan pembuatan silika aerogel dari sodium silicate (water glass) dan telah memasarkannya secara komersial dengan nama BASOGEL

• Schwertfeger 1998, membuat silika aerogel dari water glass dengan menambahkan silylation agent pada gel (TMDSO dan TMCS) sehingga pengeringan bisa dilakukan pada tekanan atmosfer dengan efek pengerutan yang minimal

PENELITIAN SILIKA AEROGEL

• Smirnova, 2002, Mempersingkat waktu gelatin dengan menambahkan CO2 pada sol dan mengeringkan gel dengan CO2 Superkritis

• Rao dkk 2004 membuat silika aerogel dari water glass dengan penambahan Silylation agent. Disimpulkan: semakin besar besar ratio Na2SiO3:H2O, volume pengerutan dan densitas aerogel semakin turun. Aerogel yang dihasilkan berdensitas 0,14 gr/cm3

• Tang dan Wang 2005, membuat silika aerogel dari sekam padi, dengan cara mengambil kandungan silikanya lalu ditambahkan H2SO4. gel yang sudah dicuci dari garam Na dan digantikan solvennya dengan ethanol dikeringkan dengan CO2 Superkritis. Dihasilkan silika aerogel dengan densitas 0,037 kg/m3 dan luas area 597,7 cm2/gr

For the process of trimethyl treatment of the hydrogel, the solution and surface chemistry can be fully described by the following two independent stoichiometric reactions:In solution:(CH3)3-Si-O-Si-(CH3)3 + 2HCl = 2 (CH3)3-Si-Cl + H2O (1) (HMDS) (TMCS)On the surface:≡Si-OH + (CH3)3-Si-Cl = ≡Si-O-Si-(CH3)3 + HCl (2)where ≡Si refers to a surface species, and it is assumed that the chlorosilane is the surface reactive species.

A BOUT SILYLATION

A BOUT BET (Brunauer, Emmett, Teller)

Metode pengukuran luas area dengan adsorpsi isotermal oleh Nitrogen pada –196 oC.

Persamaan BET:

Dimana:

va = mole gas yang teradsorpsi pergram adsorbent pada tekanan gas p

vm = capasitas surface yaitu jumlah mole adsorbent yang diperlukan untuk membentuk monomolekuler layer

Po = tekanan saturated gas pada P dan T yang digunakan.

C = Konstanta

Ketika diplot dengan kita dapatkan slop dan intersep

Lalu dari vm, kita hitung luas area (m2/g).

op

pcvm.

1

)( ppv

p

oa cv

c

m .

)1(

ommoa pcv

pc

cvppv

p

..

)1(

.

1

)(

2010 NxavS mmBET

N= 6,02.1023am= luas area 1 molekul gas N = 16,3 A2

Pertumbuhan partikel

Gelling : partikel bergandengan, membentuk jaringan yang mengisi seluruh volume sol sehingga viskositas larutan meningkat dan kehilangan fluiditynya

Koagulasi: partikel bersatu menjadi satu cluster yang kompak dan sulit untuk dipisahkan dengan filtrasi

Flokulasi: partikel bersatu bersama jembatan dari flokulasi agent dengan susunan

Tentang Superkritis

Fluida superkritis, seperti gas, akan menempati seluruh volume yang tersedia, mempunyai range densitas yang besar

Properti Gas (ambient) Fluida Superkritis Liquid (ambient)

Densitas (g/cm3) 0,0006-0,002 0,2-0,5 0,6-1,6

Viskositas (g/cm.s) 0,0001-0,003 0,0001-0,0003 0,002-0,03

Difusifitas 0,1-0,4 0,0007 0,2-2 x 10-5

Viskositas FSC: gaya interaksi antar molekul rendah viscositas rendah dibanding liquid

Densitas FSC: gas like densitas rendah, kelarutan tinggi, tergantung besarnya tekanan

Difusi: sangat tinggi dibanding liquid

Volatilitas sangat tinggi sehingga mudah dipisahkan

solid

gas

liquidMelting curve

Boiling curve

superkritis

213 233 253 273 283 293 313 323

T (K)

35

30

25

20

15

10

5

0

P (Mpa)

Diagram fase CO2

Pc=7,38 Mpa

Tc=304,2 K

Gas Tc (oC) Pc (bar)

Xenon

Trifluoromethane

Chlorotrifluoromethane

Carbondioksida

Dinitrigen monoksida

Sulfur hexafluoride

Chlorodifluoromethane

Propane

Ammonia

Trichlofluoromethane

Air

16,6

25,9

29,0

31,0

36,5

45,5

96,4

96,8

132,4

198,0

374,0

57,6

46,9

38,7

72,9

71,7

37,1

48,5

42,4

111,3

43,5

217,7

Tc dan Pc berbagai fluida superkritis