Partikel Nano Pada M..

Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Partikel Nano pada Membran Anorganik
Sutrasno Kartohardjono
Jurusan Teknik Gas dan Petrokima, Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Kampus Baru UI Depok 16424, Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak
Membran anorganik memiliki beberapa sifat yang menguntungkan seperti kestabilannya terhadap
bahan kimia dan panas, yang sangat potensial untuk diaplikasikan pada sejumlah proses di
industri. Sifat-sifat mekanik membran anorganik juga menarik walaupun rapuh pada membran
yang tipis yang dapat menjadi faktor pembatas (Tilmant et al., 2000). Untuk membuat membran
anorganik dengan sifat-sifat yang menguntungkan tadi, diperlukan film pendukung yang bebas
cacat dalam membran anorganik dengan ukuran pori yang kecil (berukuran nano) dan
distribusinya tajam. Ada dua metode, proses sol-gel dan deposisi uap kimia (chemical vapor
deposition, CVD), yang merupakan cara yang paing cocok digunakan untuk menghasilkan
deposisi partikel nano pada substrat membran dalam pembuatan membran anorganik. Sementara
itu, difraktometer sinar X (XRD), transmission dan scanning electron microscope (TEM, SEM)
dapat digunakan sebagai metode kharakterisasi untuk membuktikan adanya deposisi partikel nano
pada permukaan membran.
1.
Pendahuluan
Kemajuan pengetahuan tentang keadaan padat telah meningkatkan jumlah penelitian dan pengembangan
partikel nano dalam sepuluh tahun belakangan ini. Istilah partikel nano menjadi familiar digunakan di awal
tahun 90-an bersamaan dengan konsep yang berhubungan, “skala-nano” atau partikel “berukuran nano”. Sejak
itu, istilah yang lebih umum sub-mikron dan partikel yang sangat halus digunakan. Istilah partikel nano
umumnya digunakan sekarang dalam komunitas ilmu bahan untuk menunjukkan partikel dengan diameter lebih
kecil dari 100 nm. Yang berhubungan dengan tapi bukan konsep yang identik yaitu “kluster”, menunjukkan
partikel nano yang lebih kecil dengan kurang dari 104 molekul atau atom, yang berdiameter hanya beberapa nano
meter (Kruis et al., 1998)
Isu ilmu pengetahuan dan teknologi partikel dan bahan berstruktur nano sekarang banyak menarik
perhatian. Alasannya adalah bahwa partikel dan bahan berstruktur nano, dan kombinasi fisika dan kimia dari
suatu bahan pada skala nano meter atau sub nano meter, dapat membawa ke bahan inovatif dengan perbaikan
sifat bahkan ke sifat yang diluar perkiraan. Aplikasinya, yang dapat memiliki pengaruh yang besar, dapat
diantisipasi pada bidang seperti katalis, teknlogi membran, opto-elektronik dan ionik keadaan padat dengan
penekanan pada sistem untuk konversi dan penyimpanan energi bersih. Namun demikian, kemajuan dalam
bidang ini akan sangat bergantung pada laju penelitian dasar dan lanjut pada bahan dan partikel berstruktur nano
dalam kimia keadaan padat, fisika keadaan padat dan ilmu bahan (Fissan dan Schoonman, 1998).
atas sebelah kanan.
2.
Partikel Nano pada Membran Anorganik
Bahan berstruktur nano telah banyak menarik perhatian para ilmuan dan insinyur karena aplikasi
potensialnya di industri sebagai pelapis mekanik dan pelindung. Dalam bentuk film atau lapisan ganda
berstruktur nano bahan-bahan tradisional dapat memiliki beberapa kharakteristik dan sifat yang akan
memperbaiki kemampuan film dan pelapis tadi. Diantara sifat mekanik yang perlu dicatat disini dari bahan
berstruktur nano antara lain kekerasan mekanik, ketahanan kejut termal dan elastisitas serta superplastisitas yang
tinggi. Sementara itu, dalam bahan yang memiliki lapisan ganda berukuran nanometer adalah ketahanan tinggal,
relaksasi ketegangan dan penyumbatan propagasi rengkah. Ketidakporosan adalah sifat lain dari serbuk
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
1
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
berukuran nano, yang dapat diaplikasikan dalam katalisis dan membran anorganik (Bertran et al., 2000).
Membran anorganik dapat digambarkan sebagai bahan poros asimetrik yang terbentuk dari penunjang berporos
makro (diameter pori > 50 nm) dengan deposisi lapisan tipis yang berurutan di atasnya. Bahan pendukung
memiliki fungsi utama untuk memberikan perpindahan selektif dan ketahanan mekanik kepada medium (Cot et
al., 2000). Sifat-sifat perpindahan sistem membran anorganik bergantung pada tampilan struktur mikro seperti
ukuran dan bentuk pori, tortuositas dan arsitektur membran.
Pengembangan membran anorganik baik untuk pemisahan maupun untuk reaktor katalitik telah banyak
menarik perhatian belakangan ini. Dalam reaktor membran katalitik, membran dapat berperan ganda sebagai
promosi reaksi katalitik terintegrasi dan juga sebagai partisi reaktan dan pemisahan produk. Kombinasi sifat
selektif dan reaktif dari membran anorganik sangat menjanjikan yaitu sebagai sistem membran anorganik yang
dapat memberikan proses reaksi dan pemisahan sekaligus. Kopling dari reaksi dan pemisahan produk dapat
meningkatkan hasil atau selektifitas reaksi yang dibatasi oleh kesetimbangan. Membran anorganik memiliki
beberapa sifat yang menguntungkan seperti kestabilan kimia dan termal, yang sangat potensial untuk aplikasi di
sejumlah proses-proses industri dimana dijumpai kondisi-kondisi di atas. Sifat mekanik membran anorganik
juga sangat menarik walaupun memiliki sifat yang rapuh pada membran yang tipis dan ini dapat menjadi faktor
pembatas (Tilmant et al., 2000).
3.
Preparasi Membran Anorganik
Untuk membuat membran anorganik dengan sifat-sifat yang menguntungkan ini, diperlukan untuk
membentuk film pendukung yang bebas cacat dalam membran anorganik dengan pori yang lebih kecil
(berukuran nano) dan distribusi porinya yang tajam. Pori dapat berupa tampilan inheren dari struktur kristalin
(zeolit, mineral tanah liat dan sebagainya) atau dapat dibentuk dengan memampatkan dan konsolidasi partikelpartikel nano.
Metode yang paling disukai untuk membuat lapisan oksida berukuran mikro (diameter pori, dp < 2 nm)
dan meso-pori (2 nm < dp < 50 nm) dalam membran anorganik adalah proses sol-gel. Proses sol-gel adalah
suatu teknik yang baik di diadaptasi untuk preparasi membran dengan berbagai kharakteristik morfologi seperti
porositas, diameter pori dan ukuran partikel, yang dapat dioptimasi untuk setiap aplikasi (Julbe et al., 1993).
Ada dua rute sol-gel, tergantung dari sifat alami prekursor: garam-garam metal atau metal alkoksida, yang dapat
digunakan untuk membuat penyokong membran anorganik dimana struktur pori terutama dipengaruhi oleh
perbedaan langkah yang terlibat didalam prosesnya. Tekniknya melibatkan polimerisasi anorganik baik dalam
media air maupun media organik. Tahapan awal dalam proses sol-gel terdiri dari preparasi sol menggunakan
molekul prekursor, baik garam metal atau metal alkoksida. Dalam dua kasus di atas reaksi kondensasi terjadi
pada tahapan sol dengan pembentukan kluster atau koloid, yang bertumbukan pada tahap akhir membentuk gel.
Partikel-partikel elementer yang terbentuk terikat bersama-sama dalam agregat yang lebih besar ukurannya
hingga 1 µm. Agregat tadi, dengan pengolahan yang baik, dapat dipecahkan menjadi beberapa nm di tahap
akhir. Reaksi kimia yang terlibat adalah hidrolisa dan kondensasi utk kedua fasa, dan secara skematik dapat
digambarkan sebagai berikut:
Dalam fasa air:
Hidrolisa
M (OH 2 ) nz + ←⎯
→ M (OH )(OH ) (nz−−11)+ + H +
pH
Kondensasi
M (OH )(OH ) (nz−−11)+ + H + ⎯
⎯→ M 2 (OH ) 2 (OH ) 22 (nz−−41) + + 2 H 2 O
Dalam fasa organik:
Hidrolisa
M (OR) n + H 2 O ⎯
⎯→ M (OR) n −1 (OH ) + ROH
Kondensasi
M (OR) n + M (OR) n −1 (OH ) ⎯
⎯→ M 2 O(OR) 2 n − 2 + ROH
Dalam preparasi membran anorganik, pelapisan lapisan aktif harus dilakukan pada tahapan sol dengan
sifat rheologi yang diadaptasi ke pori substrat yang dipilih sebagai penyokong membran. Pada dasarnya,
membran anorganik terbentuk melalui tiga langkah perlakuan panas dari lapisan gel. Pertama, lapisan gel
penyokong dikeringkan pada suhu rendah (<100oC). Kemudian lapisan yang kering dibakar hingga suhu
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
2
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
intermediet (≈350oC) untuk membakar sisa grup organik dan karbon. Akhirnya konsolidasi membran dilakukan
dengan cara sintering viskos atau konvensional bergantung pada struktur amorf atau kristalin dari bahan
membran. Selama proses sol-gel membran anorganik, sol dan gel berevolusi dalam berbagai cara tergantung
pada katagori prekursor yang digunakan. Evolusi ini mempunyai pengaruh yang besar pada struktur pori dari
bahan membran akhir. Gambar 1 menggambarkan 2 rute utama dalam preparasi membran anorganik dengan
proses sol-gel. Penggunaan pengikat (binder) pada tahapan sol, seperti diperlihatkan pada Gambar 1, diperlukan
untuk mengontrol ketebalan membran dan membatasi infiltrasi sol.
Metode lain untuk mensintesa partikel nano dalam membran anorganik adalah proses deposisi uap kimia
(chemical vapor deposition, CVD). Proses CVD adalah proses dimana dua atau lebih prekursor bereaksi dalam
fasa gas untuk membentuk produk padat, yang akan jatuh pada substrat yang diinginkan (Xomeritakis dan Lin,
1994). Proses CVD telah secara luas digunakan dalam industri mikro-elektronik untuk fabrikasi peralatan
semikonduktor.Aplikasi yang relatif baru dari proses CVD adalah preparasi membran anorganik berpori mikro
atau tak berpori dengan deposisi produk padatan di dalam atau di atas substrat berpori. Modifikasi permukaan
membran dengan CVD terdiri dari deposisi oksida padat pada dinding dalam dari substrat berpori. Modifikasi
ini disebabkan oleh inter-difusi dan reaksi uap metal klorida dan air (atau oksigen) dalam substrat berpori.
Reaksi kimianya adalah:
M n Cl 2 n ( g ) + nH 2O( g ) ⎯
⎯→ MOn ( s ) + 2nHCl ( g )
Dalam prosesnya, dua reaktan uap dipisahkan menjadi dua ruang terpisah oleh substrat membran berpori.
Prekursor uap diperbolehkan berdifusi ke dalam substrat berpori dimana mereka ereaksi dan membentuk produk
padat, yang secara perlahan menutupi pori. Proses CVD diakhiri jika semua pori substrat telah tertutup oleh
deposit padatan. Suhu deposisinya berada dalam kisaran 300 – 500oC.
4.
Kharakterisasi membran anorganik
Kharakterisassi membran anorganik pada intinya ditujukan untuk menunjukkan adanya deposisi partikel
nano pada membran penyokong serta komposisi partikel dan bahan berstruktur nano tersebut. Komposisi
partikel dan bahan berstruktur nano dapat dilakukan menggunakan berbagai teknik mikroanalitik tak-rusak,
energi fluoresense sinar-X dispersif, dan spektoskopi foto-elektron sinar-X. Struktur mikro dari bahan
berstruktur nano dapat diselidiki menggunakan transmission dan Scanning electron microscopy (TEM, SEM)
dan atomic force microscopy (AFM). Sementara itu pengukuran menggunakan difraksi sinar-X dapat dilakukan
untuk menentukan struktur atomik dari bahan amorf, partikel nano dan bahan berstruktur nano.
5.
Kesimpulan
Istilah partikel nano umumnya digunakan untuk menunjukkan partikel dengan diameter lebih kecil dari
100 nm. Sementara kluster menunjukkan partikel nano yang lebih kecil dengan kurang dari 104 molekul atau
atom, yang menempati ruang dengan diameter hanya beberapa nano meter (Kruis et al., 1998). Salah satu
aplikasi dari partikel nano ini adalah untuk membuat membran anorganik. Membran anorganik memiliki
beberapa sifat yang menguntungkan seperti kestabilannya terhadap bahan kimia dan panas, yang sangat potensial
utk diaplikasikan pada sejumlah proses-proses di industri. Untuk membuat membran anorganik dengan sifatsifat yang menguntungkan tadi, diperlukan untuk membuat film pendukung yang bebas cacat dalam membran
anorganik dengan ukuran pori yang kecil (berukuran nano) dan distribusinya tajam. Ada dua metode, proses solgel dan deposisi uap kimia (chemical vapor deposition, CVD), yang merupakan cara yang paing cocok
digunakan untuk menghasilkan deposisi partikel nano pada substrat membran dalam pembuatan membran
anorganik. Sementara itu, difraktometer sinar X (XRD), transmission dan scanning electron microscope (TEM,
SEM) dapat digunakan sebagai metode kharakterisasi untuk membuktikan adanya deposisi partikel nano pada
permukaan membran.
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
3
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Prekursor oksida
Prekursor organik
metal hidrat
metal
Sol
Sol
(spesies polimer)
(Colloidal species)
(+ Binder Plasticizer)
Pelapisan
Transisi sol-gel
Lapisan Gel
Membran organic-anorganik
MEMBRAN ANORGANIK MURNI
Gambar 1. Preparasi membran anorganik dengan proses sol-gel (Julbe et al., 1993)
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
4
Dasar-Dasar Teknik Kimia
ISSN 1410-9891
Daftar Pustaka
1.
Bertran, E., Viera, G., Martínez, E., Esteve, J., Maniette, Y., Farjas, J., and Roura, P., (2000), “Surface
analysis of nanostructured ceramic coatings containing silicon carbide nanoparticles produced by
plasma modulation chemical vapor deposition”, Thin Solid Films 377-378: 495-500.
2.
Cot, Louis, André Ayral, Jean Durand, Christian Guizard, Nadine Hovnanian, Anne Julbe and André
Larbot, (2000), “Inorganic membranes and solid-state sciences”, Solid State Sciences 2: 313-334.
3.
Fissan, H.J., and Schoonman, Joop, (1998), “Vapor-phase synthesis and processing of nanoparticle
materials (nano)-A European Science Foundation (ESF) Program”, Journal of Aerosol Science 29 (5-6):
755-757.
4.
Julbe, A., Guizard, C., Larbot, A., Cot, L., and Giroir-Fendler,A., (1993), “The sol-gel approach to
prepare candidate microporous inorganic membranes for membrane reactors”, Journal of Membrane
Science 77: 137-153.
5.
Kruis, Einar F., Heinz Fissan and Aaron Peled, (1998), “Synthesis of nanoparticles in the gas phase for
electronic, optical and magnetic applications – a review”, Journal of Aerosol Science 29 (5-6): 511535.
6.
Tilmant, J.B., Pommier, C., and Chhor, K., (2000), “Synthesis of supported TiO2 membrane using
supercritical alcohol”, Materials Chemistry and Physics 64: 156-165.
7.
Xomeritakis, G., and Lin, Y.S., (1994), “CVD of solid oxides in porous media for ceramic membrane
preparation or modification explicit solutions for deposition characteristics”, Chemical Engineering
Science 49 (23): 3909 - 3922.
Peningkatan Daya Saing Nasional Melalui Pemanfaatan Sumber
Daya Alam untuk Pengembangan Produk dan Energi Alternatif
5