SINTESA PARTIKEL MAKROPORI ZIRCONIA DENGAN MENGGUNAKAN METODE BATCH HYDROTHERMAL

ZUDHI LUTFI RIDWANI 2309100061 OKKY PUTRI PRASTUTI 2309100091

DOSEN PEMBIMBING :

Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Siti Machmudah, ST. M.Eng

LABORATORIUM MEKANIKA FLUIDA DAN PENCAMPURAN

TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

Bubuk Zirconia Dioxide

MAKROPORI

TEMPLATE

POLYSTYRENE

HYDROTHERMAL

LATAR BELAKANG PENELITIAN

Sintesa partikel berpori dengan menggunakan Polystirene masih belum banyak dikembangkan. Oleh karena itu dilakukan penelitian lebih lanjut sehingga didapatkan ukuran pori, morfologi, dan tingkat kristalinitas dari produk partikel makropori yang aplikatif.

RUMUSAN MASALAH PENELITIAN

TUJUAN PENELITIAN

Penelitian Sintesa Partikel makropori ini bertujuan untuk :

1. Menghasilkan partikel makropori dengan metode Batch Hydrothermal.

2. Mempelajari pengaruh kondisi operasi hydrothermal dan konsentrasi

Sacrificial Template terhadap pembentukan partikel makropori.

3. Mengevaluasi performance partikel makropori yang dihasilkan.

Metode Porositas Ukuran pori Keuntungan Kelemahan

Replika 40% - 95% 200 μm – 300 mm Sederhana dan fleksibel

Struktur pori yang dihasilkan dapat retak selama pirolisis

Banyak step yang diperlukan sehingga menghabiskan waktu

Direct Foaming

40% - 97% 35 μm - 1.2 mm Metode yang mudah, murah, dan cepat

Foam sering tidak stabil

Sacrificial Template

20% - 90% 1-700 μm

Porositas, distribusi ukuran pori, dan morfologi pori partikel yang dihasilkan dapat disesuaikan

Dapat melepaskan sejumlah gas berlebihan yang menyebabkan retakan pada struktur pori

KEUNTUNGAN DAN KELEMAHAN

Hidrothermal Zirkonia Murni Hidrothermal Zirkonia Murni +

Polystyrene Self Assembly

Penguapan Kalsinasi

Mekanisme Pembentukan Pori (Sacrificial Template)

PENELITIAN TERDAHULU Peneliti Penelitian Jenis Partikel Metode Sintesa Hasil

Robert Bunsen (1839)

Pertumbuhan partikel pada suhu diatas 200°C dan tekanan di atas 100 bar

Barium Karbonat dan Stronsium Karbonat

Hydrothermal Air dapat menjadi media pelarut pada proses hidrothermal.

G. Spezzia (1905) Pertumbuhan partikel makroskopik pada suhu 320-350°C

Partikel alam dalam larutan Natrium Silikat

Hydrothermal Diperoleh ukuran +15 mm dari pertumbuhan partikel yang baru selama 200 hari.

Peneliti Penelitian Jenis Partikel Metode Sintesa Hasil

Lashtabeg (2008) Penggunaan polystirena spheres sebagai template dalam sintesis dan karakterisasi dari Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) berpori.

Yttria Stabilized Zirconia (YSZ)

Spray Pirolisis Semakin tinggi temparetur pemanasan maka stabilitas struktur dari partikel yang dihasilkan akan semakin baik yaitu pada suhu 1400oC.

Behbahani (2012) Sintesis nanopartikel zirconia dari zirconia komersial. Komersial zirconia dicampur dengan 10M larutan NaOH dan diaduk dengan magnetic stirrer. Campuran tersebut dipindahkan ke dalam 100mL reaktor bertekanan tinggi dengan suhu 150oC selama 85 jam.

ZrO2 Hydrothermal Analisa XRD menunjukkan bahwa kristal komersial zirconia berbentuk monoklinik setelah dilakukan proses hydrothermal. Sedangkan fraksi fase molar dari produk didapatkan 72% kubik dan tetragonal, 28% berbentuk monoklinik. Untuk analisa XRD, TEM, dan SEM diperoleh ukuran partikel dari produk sekitar 15-30 nm.

5 jam

6 jam

7 jam

8 jam

Variabel Polystirene

350 400 450 500 5500,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Rela

tive

Freq

uenc

y

Diameter (nm)

400 420 440 460 480 500 520 540

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Rela

tive

Freq

uenc

y

Diameter (nm)

350 400 450 500

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Rela

tive

Freq

uenc

y

Diameter (nm)

420 450 480 510 540

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Rela

tive

Freq

uenc

y

Diameter (nm)

5 jam (Diameter 430 nm) 6 jam (Diameter 462 nm)

7 jam (Diameter 476 nm) 8 jam (Diameter 478 nm)

Ulir

Stainless steel autoclave

Reaktor Teflon

2,7 cm

2,7 cm

Reaktor Hydrothermal

• 1500C Suhu hydrothermal

• 12 jam Waktu sintesa

• 0,5 M 292 nm • 0,3 M 269 nm • 0,1 M 189 nm

Konsentrasi

PEMBUATAN PARTIKEL ZrO2 DARI LARUTAN ZrCl4

• 1500C, 1800C, 2000C Suhu hydrothermal

• 12 jam, 18 jam, 24 jam Waktu sintesa

• 0,5 M Konsentrasi

METODE I

PEMBUATAN PARTIKEL BERPORI

Mendinginkan reaktor Mengendapkan produk

Setelah itu dikeringkan pada oven dengan suhu

600C selama 6 jam.

Kalsinasi pada suhu 6000C selama 6 jam Analisa

ZrCl4 + Air 0,5M – 5 mL

+ Polystirene

0,0004 M – 14 mL

Autoclave Reaktor

Suhu: (1500C, 1800C,

2000C )

Waktu reaksi sintesis:

(12 jam, 18 jam, 24 jam)

Perbandingan volume ZrCl4 : Polystyrene = 25% : 75%

METODE I

- Dengan metode I tidak dihasilkan partikel makropori, Polystirene tidak mengendap bersama ZrO2, namun mengendap sendiri dalam bentuk kristal keras.

- Partikel yang terbentuk semakin teragglomerasi seiring bertambahnya waktu dan suhu sintesa

ANALISA XRD

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

INTE

NSIT

AS

2Θ

12 jam – 150C

12 jam – 180C

12 jam – 200C

18 jam – 150C

18jam – 180C

24 jam – 150C

24 jam – 180C

24 jam – 200C

12 jam – 150C Zr 100%

KUBIK

TETRAGONAL

MONOKLINIK

NO VARIABEL MONOKLINIK (%) TETRAGONAL (%) KUBIK (%) D (nm)1 12 JAM - 150 C 67 17 16 48.95542 12 JAM - 180 C 59 19 22 48.967833 12 JAM - 200 C 52 29 19 18.843994 18 JAM - 150 C 66 20 14 34.977345 18 JAM - 180 C 93.9 6.1 0 40.808376 24 JAM - 150 C 71.3 14.9 13.8 15.303327 24 JAM - 180 C 63 13 24 48.953828 24 JAM - 200 C 54 29 17 30.611199 12 JAM - 150 C Zr 100% 54 25 21 22.25608

- Semakin tinggi suhu sintesa yang digunakan maka semakin sedikit fase monoklinik yang terbentuk. Dan sebaliknya, jumlah fase tetragonal semakin banyak. Untuk fase kubik, semakin tinggi suhu cenderung juga semakin bertambah banyak.

• 1500C, 1800C Suhu hydrothermal

• 12 jam Waktu sintesa

• 0,5 M • 0,3 M • 0,1 M

Konsentrasi

METODE II

Mendinginkan reaktor

Mengendapkan produk

Setelah itu dikeringkan pada oven dengan suhu

600C selama 6 jam.

Kalsinasi pada suhu 6000C selama 6 jam Analisa

ZrCl4 + Air 14 mL

+ ZrO2 7 mL + Polystirene

0,0004 M – 7 mL

Autoclave Reaktor

Suhu: (1500C dan

1800C)

Konsentrasi : 0,1 M; 0,3 M; 0,5 M

Waktu sintesa 12 jam

METODE II

Masih belum terlihat fungsi polystyrene sebagai template, hal ini dikarenakan jumlahnya yang masih sangat sedikit dibanding ZrO2, hal ini berakibat pada tidak terlihatnya pori karena tertutup oleh kumpulan partikel-partikel ZrO2.

• 1500C, 1800C Suhu hydrothermal

• 12 jam, 18 jam Waktu sintesa

• 0,5 M • 0,3 M • 0,1 M

Konsentrasi

METODE III

Mendinginkan reaktor

Mendinginkan reaktor dan mengendapkan

produk

Setelah itu dikeringkan pada oven dengan suhu

600C selama 6 jam. Analisa

Kalsinasi pada suhu 6000C selama 6 jam Analisa

ZrCl4 + Air 14 mL

+

ZrO2 7 mL + Polystirene

0,0004 M 7 mL

Autoclave Reaktor

I

METODE III

Suhu: (1500C dan

1800C)

Konsentrasi : 0,1 M; 0,3 M; 0,5 M

Waktu sintesa I : 12 jam Waktu sintesa II : 3 jam

Autoclave Reaktor

II

SUHU 1500C KALSINASI

a. 0,1 M (diameter pori 380 nm)

Gambar 4.10 Sintesa Partikel pada Suhu 150oC Setelah Kalsinasi (a).0,1 M; (b).0,3 M; (c).0,5 M

b. 0,3 M

c. 0,5 M

SUHU 1800C KALSINASI

a. 0,1 M (diameter pori 419 nm)

Gambar 4.12 Sintesa Partikel pada Suhu 180oC Setelah Kalsinasi (a).0,1 M; (b).0,3 M; c.0,5 M

b. 0,3 M (diameter pori 377 nm)

c. 0,5 M

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

INTEN

SITAS

2Θ

MONOKLINIK TETRAGONAL KUBIK 0,1 M 180 KAL 0,3 M 180 KAL 0,5 M 180 KAL 0,1 M 150 KAL 0,3 M150 KAL 0,5 M 150 KAL 0,1 M 180 KERING 0,3 M 180 KERING 0,1 M 150 KERING 0,3 M 150 KERING 0,5 M 150 KERING

HASIL ANALISA XRD

NO VARIABEL MONOKLINIK (%) TETRAGONAL (%) KUBIK (%) D (nm)1 0,5 M 150 KER 69.7 20.2 10.1 61.730382 0,5 M 150 KAL 74 16 10 97.980063 0,3 M 150 KER 46.5 27.8 25.7 30.65874 0,3 M 150 KAL 71 17 12 27.216345 0,1 M 150 KER 100 0 0 61.722966 0,1 M 150 KAL 64 23 13 40.816997 0,5 M 180 KAL 68.7 21.2 10.1 40.81738 0,3 M 180 KER 66 22 12 48.96319 0,3 M 180 KAL 70 23 7 30.61571

10 0,1 M 180 KER 67 24 9 122.412711 0,1 M 180 KAL 71 18 11 61.23506

- Semakin tinggi suhu sintesa yang digunakan maka semakin sedikit fase monoklinik yang terbentuk. Dan sebaliknya, jumlah fase tetragonal semakin banyak.

Semakin kecil konsentrasi larutan ZrCl4 dalam larutan prekusor maka akan didapatkan partikel dengan intensitas pori meningkat. Partikel-partikel ZrO2 yang lebih kecil-kecil menempel dan menyatu pada permukaan partikel styrene lalu setelah kalsinasi, styrene hilang dan menimbulkan pori

PEMBUATAN PARTIKEL BERPORI

• 1500C, 1800C Suhu hydrothermal

• 12 jam Waktu sintesa

• 0,1 M • 0,05 M • 0,02 M

Konsentrasi

METODE IV

Mendinginkan reaktor

Mendinginkan reaktor dan mengendapkan

produk

Setelah itu dikeringkan pada oven dengan suhu

600C selama 6 jam.

Kalsinasi pada suhu 6000C selama 6 jam Analisa

ZrCl4 + Air

+

ZrO2 (0,5 mL) +

Polystirene 0,0004 M–13,5 mL

Autoclave Reaktor

I

METODE IV

Suhu: (1500C dan

1800C)

Konsentrasi : 0,02 M; 0,05 M;

0,1 M

Waktu sintesa I : 12 jam Waktu sintesa II : 3 jam

Autoclave Reaktor

II

Belum bisa menghasilkan partikel makropori secara jelas, karena komposisi larutan prekusor yang kurang sempurna. Kemungkinan konsentrasi zirkonia terlalu kecil dibanding polystyrene, sehingga tidak cukup untuk melingkupi polystyrene.

Dari hasil penelitian dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Pertikel makropori Zirconia Oxide dapat dibuat dengan cara

sintesa batch hydrothermal. 2. Semakin rendah perbandingan konsentrasi larutan awal ZrCl4 di

dalam larutan prekusor maka semakin besar kemungkinan terjadi pembentukan partikel berpori.

3. Suhu sintesa yang tinggi, dapat membuat partikel ZrO2 lebih seragam ukurannya dan intensitas terbentuknya partikel berpori semakin tinggi.

4. Jumlah kristal berfase tetragonal sebanding dengan semakin tingginya suhu sintesa.

SIMPULAN