POROUS ORGANOSILICON NANOTUBE IN PEBAX BASED MIX MATRIX MEMBRANES FOR BIOGAS PURIFICATION OLEH: Adinda Wulan Pangesty (16030234029) Shofi Nur Aliyah (16030234021) Della Dwi Ananda (16030234045) JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA 2019 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Biogas yang terutama terdiri dari metana adalah energy terbarukan yang penting. Namun, sebagai salah satu pendampingnya pengotor dalam biogas, CO2 akan merusak pipa gas dan mengurangi panasnya pembakaran biogas. Karena itu, perlu untuk memurnikan biogas (CO2/ CH4 pemisahan) untuk meningkatkan efisiensi ekonomi dan berkontribusi untuk memerangi efek rumah kaca. Teknologi pemisahan gas berbasis membrane memiliki keuntungan yaitu : dampak yang lebih kecil hemat energi ramah lingkungan diproses dengan teknologi pemisahan gas tradisional seperti adsorpsi, penyerapan dan distilasi kriogenik. Sehingga peneliti ingin membuktikan bahwa teknologi pemisahan gas berbasis membran dapat meningkatkan kinerja pemisahan untuk memurnikan biogas. 1.2. Rumusan Masalah Bagaimana hasil desain nanotube berpori untuk meningkatkan kinerja pemisahan MMM ? 1.3. Tujuan Penelitian Untuk mengetahui desain nanotube berpori yang tepat untuk meningkatkan kinerja pemisahan MMM 1.4. Manfaat Penelitian Untuk menambah pengetahuan tentang nanotube berpori untuk meningkatkan kinerja pemisahan MMM. BAB II KAJIAN PUSTAKA Biogas yang terutama terdiri dari metana adalah energy terbarukan yang penting. Namun, sebagai salah satu pendampingnya pengotor dalam biogas, CO2 akan merusak pipa gas dan mengurangi panasnya pembakaran biogas. Karena itu, perlu untuk memurnikan biogas (CO2/CH4 pemisahan) untuk meningkatkan efisiensi ekonomi dan berkontribusi untuk memerangi efek rumah kaca. Teknologi pemisahan gas berbasis membrane memiliki keuntungan yaitu : dampak yang lebih kecil hemat energi ramah lingkungan diproses dengan teknologi pemisahan gas tradisional seperti adsorpsi, penyerapan dan distilasi kriogenik. Pengisi dalam MMM ( Membran Mixed-Matriks ) dapat dibagi menjadi 2 : 1. Pengisi dalam MMM Berpori : Saluran transportasi antar muka dan saluran transportasi didalamnya bisa bertemu. 2. Pengisi dalam MMM Tidak Berpori : Dapat menganggu rantai polimer dalam pengemasan dan bertemunya saluran transport antar muka dimana antara polimer dan pengisi Pada gambar dibawah ini merupakan ilustrasi sebagai contoh MMM berbasis Pebax dengan pengisi berbeda jenis dan kinerja pemisahan CO2/ CH4. Itu kinerja pemisahan, terutama permeabilitas CO2, dari MMM didoping dengan pengisi berpori jelas lebih tinggi dari MMM dengan pengisi tidak berpori. Pada pengisi berpori berbentuk nanotube, nanotube adalah nanomaterial satu dimensi. Dengan saluran transportasi yang melekat dapat mengangkut molekul dengan cepat melalui membran, oleh karena itu nanotube sebagian besar karbon yang sering digunakan dalam MMM untuk meningkatkan kinerja pemisahan. BAB 3 METODE PENELITIAN 3.1 Bahan Pebax, Kopolimer Triblock, 1,4-bis (triethoxysilyl) benzene (BTEB), Triethoxysilane dan 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS, 97%), etanol anhidrat , Asam klorida pekat (HCl) dan KCl 3.3 Langkah Penelitian : 1. Sintesis SiNT, PSiNT dan N-PSiNT SiNT disintesis melalui proses perawatan PSiNT. Berdasarkan reaksi hidrolisis dan ko-kondensasi antara triethoxysilane dan gugus silanol pada permukaan PSiNTs, mikropori di dinding PSiNT dipasang untuk membentuk SiNT. 1 g PSiNT + triethoxysilane (5 mmol) dan methylbenzene (10 mL) - reaktor hidrotermal PTFE dan disimpan pada 100 ° C selama 24 jam Setelah diisolasi dengan filtrasi, hasilnya padatan dikeringkan dengan vakum. 2. Persiapan MMM berbasis organosilicon nanotube Tiga jenis (SiNTs, PSiNTs dan N-PSiNTs) diultrasonik dalam campuran etanol/air (70/30%) di suhu kamar Sejumlah tertentu Pebax dilarutkan dalam etanol/air campuran (70/30% berat) di bawah pengadukan magnet selama 2 jam pada 80°C sampai dapatkan 5% larutan homogen nanotube organosilicon dispersi ditambahkan masingmasing dalam larutan Pebax dan diaduk pada suhu tinggi selama 12 jam Setelah mengeluarkan gelembung, kemudian dicetak pada cetakan dan dikeringkan di bawah kondisi ambient selama 24 jam. Kemudian membran selanjutnya dikeringkan dalam oven pada 45°C selama 24 jam untuk menghilangkan sisa pelarut Untuk perbandingan, membran Pebax murni juga disiapkan mengikuti prosedur yang sama. Membran yang dihasilkan dengan ketebalan 60–80 μm dilambangkan sebagai Pebax-N-PSiNTs (x), Pebax-PSiNTs (x) dan Pebax-SiNTs (x) masing-masing, di mana x (= 0,2, 0,5, 1, 2) pada konten (% berat) dari nanotube organosilicon dalam massa total Pebax plus organanotube nosilicon. 3. Karakterisasi serbuk dan membran FT-IR serbuk (SiNT, PSiNT dan N-PSiNT) dan MMM dilakukan oleh Fourier transform infrared (FT-IR, BRUKER Vertex 70) spektrometer dengan rentang pemindaian 4000–400 cm -1 dan resolusi 1,93 cm -1 . MMM diukur dengan mode refleksi sedangkan SiNT, PSiNT, dan N-PSiNT diuji dengan transmisi mode. Morfologi dan ukuran nanotube (SiNTs, PSiNTs dan NPSiNTs) diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-2100F).Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM) (Nanosem 430) terhubung dengan dispersi energi INCA Oxford Xsistem ray (SEM-EDX) digunakan untuk memeriksa organosilicon distribusi nanotube dalam matriks polimer. Stabilitas termal PSiNTs dan N-PSiNT dianalisis dengan analisis termo-gravimetri (TGA) menggunakan Netzsch 209F3. Suhu transisi gelas ( Tg ) dari membran adalah dalam vestigated via differential scanning calorimetry (DSC) menggunakan Netzsch 200F3 kalorimeter. 4. Eksperimen permeasi gas Dengan Kromatografi gas (Agilent 6820) dilengkapi dengan detektor konduktif termal (TCD) diterapkan untuk menganalisis komposisi CO2 , N2 dan CH4 . BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Karakterisasi SiNT, PSiNTs dan N-PSiNTs 4.1.1. TEM Morfologi SiNT, PSiNT dan N-PSiNT diperoleh oleh TEM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. dapat dilihat bahwa tiga jenis nanotube memiliki morfologi yang serupa, dengan diameter dalam dan panjang nanotube masing-masing sekitar 5 nm dan 40-100 nm. 4.1.2. FT-IR Spektra FT-IR dari tiga nanotube ditunjukkan pada Gambar. 3 . Itu puncak karakteristik pada 3035cm−1 , 1383 cm−1 dan 1160 cm−1 dari spektrum nanotube (SiNT, PSiNT dan N-PSiNT) ditugaskan untuk CH spesies gugus aromatik, getaran cincin benzen dan peregangan C-Si getaran masing-masing. Setelah dimodifikasi dengan amino, N-PSiNT memiliki puncak baru muncul di 1635cm−1 , yang dianggap berasal dari NH getaran lentur. Selain itu, karena pengenalan kelompok amino, intensitas puncak pada 3700-3000cm−1 (peregangan NH/OH getaran) meningkat. Intensitas puncak yang lemah berubah pada 1635 cm-1 dan 3700-3000 cm-1 dapat dikaitkan dengan kandungan gugus amino rendah sekitar 4% berat . 4.1.3. Adsorpsi CO2 Sifat adsorpsi karbon dioksida dari PSiNTs dan N-PSiNTs adalah diukur dengan ASAP 2020. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, kapasitas adsorpsi N-PSiNTs adalah 12,9 cm 3 / g (STP) pada 30 kPa (tekanan parsial CO2 pada uji) dan 30 ° C. Ini hampir 170% lebih tinggi dari PSiNT (4,72 cm 3 (STP) / g) pada kondisi yang sama. Perbedaan adsorpsi kapasitas dapat dikaitkan dengan fakta bahwa gugus amino dalam N-PSiNTs menyediakan lebih banyak situs dasar yang mendukung adsorpsi 4.1.4. BET dan distribusi ukuran pori Gambar 5(a) dan (b) menunjukkan isoterm adsorpsi N-PSiNT dan PSiNT. N-PSiNTs dan PSiNTs menunjukkan sifat adsorpsi tipe I/IV vior dengan loop histeresis, yang merupakan model khas untuk hidup berdampingan intensitas mikropori (<2nm) dan mesopori (2-50nm). Di bawah tekanan, N2 jumlah adsorpsi N-PSiNTs dan PSiNTs peningkatan secara signifikan dengan peningkatan tekanan. Ini dapat dikaitkan itu N2 secara istimewa diadsorpsi dalam mikropori pada tekanan rendah. Selain, lingkaran histeresis yang menonjol mencerminkan mesopori yang berkembang dengan baik. Ini hasil membuktikan bahwa kehadiran struktur berpori hirarkis NPSiNTs dan PSiNTs, dan distribusi ukuran diameter pori sekitar 1.2nm dan 5.2nm. Gambar. 5(c), profil isoterm dari SiNTs menunjukkan perilaku tipe-IV, yang merupakan model khas untuk mesopori, dan distribusi ukuran diameter pori adalah sekitar 5,2 nm. Bisa dilihat dari Gambar. 5 bahwa mikropori di dinding adalah tentang 1.2nm dan diameter dalam nanotube sekitar 5nm, yaitu konsisten dengan gambar TEM. Hasilnya menunjukkan bahwa organosilicon nanotube dengan berpori dan non-berpori di dinding berhasil 4.2. Karakterisasi membran 4.2.1. FT-IR Spektrum FT-IR dari membran disajikan dalam Gambar 6. Membran Pebax murni, Pebax-SiNTs (0,5), Pebax-PSiNTs (0,5) dan membran Pebax-N-PSiNTs (0,5) memiliki karakteristik yang serupa posisi puncak. Puncaknya sekitar 3308cm −1 , 1636 cm −1 dan 1097 cm −1 sesuai dengan getaran peregangan NH (ikatan amida), C=O (karbonil) dan C–O (ikatan eter), masing-masing . Dibandingkan membran, puncak sekitar 3308cm −1 untuk Pebax-N-PSiNTs (0,5) membran telah bergeser merah. 4.2.2. SEM Morfologi cross-sectional dari Pebax murni dan Pebax-NMembran PSiNT ditunjukkan pada Gambar7. Dapat dilihat bahwa masih asli Membran Pebax memiliki penampang yang halus sedangkan MMMs menunjukkan a penampang kasar, dengan penambahan N-PSiNTs. N-PSiNT adalah terdistribusi secara seragam dalam membran dengan muatan kurang dari dengan bahwa Pebax , Pebax-SiNTs (0,5) dan Pebax-PSiNTs (0,5) 0,5% berat. Ketika memuat lebih tinggi dari 1% berat, manifes MMM aglomerasi jelas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7 (d) dan (e). 4.2.3. DSC Kaca transisi suhu (Tg) dari Pebax dan MMM murni ditunjukkan pada Gambar. 8. Tg terkait dengan mobilitas rantai polimer. Di Secara umum, peningkatan interaksi antar muka menyebabkan melemahnya mobilitas rantai polimer dan peningkatan Tg pada Gambar 8 , PSiNTs (0,5) bila dibandingkan dengan Pebax murni. pada Tg nilai Pebax-N-PSiNTs (0,5) lebih tinggi dari Pebax-SiNTs (0,5) dan Pebax-PSiNTs (0,5). Karena itu, pengurangan mobilitas rantai menegaskan bahwa N-PSiNTs memiliki interaksi antar muka (ikatan hidrogen) dengan Pebax, yang konsisten dengan hasil FT-IR. 4.3. Pertunjukan pemisahan gas 4.3.1. Permeabilitas dan selektivitas MMM Kinerja pemisahan membran dalam gas campuran (CO2/CH4) pada kondisi lembab dan kering ditunjukkan pada Gambar. 9. PebaxPSiNTs dan Pebax-N-PSiNTs, mereka CO2 permeabilitas dan CO2/CH4 selektivitas menunjukkan kecenderungan yang sama: peningkatan pertama dan kemudian menurun, dengan pengisian pengisi meningkat dari 0,2% menjadi 2%. Ketika pengisian pengisi 0,5% berat, permeabilitas CO2 mencapai yang tertinggi nilai (P CO2 = 972 Barrer untuk Pebax-N-PSiNTs, P CO2 = 912 Barrer untuk Pebax-PSiNTs), yang masing-masing meningkat sebesar 95,9% dan 83,8% Pada Gambar 10 spektrum FT-IR dari CO2 yang adsorbpsi dan desorpsi. Setelah adsorpsi CO2, Pebax-N-PSiNTs (1) di daerah lembab menunjukkan band-band baru. Pita lemah pada 665 cm -1 terkoneksi disamping menjadi pita serapan karakteristik HCO3 - , sementara itu pita lebar pada 2250 cm -1 adalah indikasi CO2 Efek porositas pada dinding dan gugus amino pada CO2 permeabilitas dalam membran diselidiki di bawah optimal kondisi pengisian. Pada Gambar. 11, permeabilitas CO2 dari Pebax-SiNTs (0,5), Pebax-PSiNTs (0,5) dan Pebax-N-PSiNTs (0,5) di lipatan secara bertahap dibandingkan dengan membran Pebax murni. Permeabilitas CO2 dari Pebax-N-PSiNTs (0,5) adalah 972 Barrer, dengan CO2 Selektivitas CH4 pada 29.1, melampaui batas atas. 4.3.2. Stabilitas operasi jangka panjang Stabilitas operasi jangka panjang sangat penting untuk penerapan selaput. Selama uji pemisahan terus menerus 160 jam pada 2 bar dan 30℃, Yang Pebax-N-SiNTs (0,5) ditampilkan CO sangat baik 2 / CH4 stabilitas paration tanpa kehilangan kinerja yang cukup besar. 4.3.3. Perbandingan dengan MMM berbasis CNT lainnya Pertunjukan pemisahan CO2 dari MMM dalam pekerjaan ini adalah dibandingkan dengan beberapa MMM berbasis CNT, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 13. Jelas, pemisahan CO2/CH4 Kinerja Pebax-N-PSiNTs dengan jumlah filler 0,5 dan 1 wt % menunjukkan keunggulan dibandingkan MMM berbasis CNT lainnya, dan melampaui batas atas 2008. BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dalam karya ini, PSiNTs novel dirancang untuk membuat CO2 yang efisienjalur dalam MMM. Dibandingkan dengan CNT yang umum digunakan, berpori organosilicon nanotube menciptakan lebih banyak saluran transportasi dan mengintensifkan mekanisme difusi molekul gas dalam MMM. Selain itu, PSiNT yang dimodifikasi amino (N-PSiNTs) juga disiapkan untuk dibuatMMM, mencapai intensifikasi sinergis dari transportasi yang difasilitasimekanisme dan mekanisme difusi. Kinerja pemisahan Pebax-N-PSiNTs dengan 0,5wt% dan 1wt% N-PSiNTs melebihi kebanyakan MMM berbasis CNT. Hasil menunjukkan bahwa desainnanotube berpori dengan saluran transportasi gas cepat adalah yang efektif strategi untuk meningkatkan kinerja pemisaan MMM, yang bisa diperluas untuk membuat jenis bahan membran lainnya.
