332 ISSN 0216 - 3128 ANALISA KESTABILAN MEMBRAN SILICA METODE PENDEPOSISIAN UAP KIMIA Tumpal Pandiangan Pusat Penelitian Sistem Reaktor Maju BATAN. Serpong ABSTRAK Tumpal Pandiangan BASIL ANALISA KESTABILAN MEMBRAN SILICA HASIL METODE PENDEPOSISIAN UAP KIMIA. Dua jenis tabung alpha-alumina berukuran pori sekitar 0.1 f.Drl dimodifikasi dengan cara mendeposisikan uap kimia "tetraethoxysilane", dengan waktu yang berbeda yailu 23 dan 19 jam. Kestabilan kimia membran silika dalam li1lgkungiln proses, untuk mengekspos membran terhadap lingkungan campuran gas HI-H20 pada temperatur 450 °c dengan tekanan I bar, dimana agresif proses lingkungclII akan disimulasi kecuali tekanan. Ada tigajenis membran silika yaitu NS-I, NS-2 dan NS-3 disiapkan dengan metode pendeposisian uap kimia (CVD). Penyiapan sampel NS-I dan NS-2, mengalami perlakuan CVD yang tidak terus menerus tetapi dihentikan setelah waktu CVD masing -masing 10 jam dan kemudian didinginkan pada temperatur lingkungan udara luar. Membran tersebut disimpan dalam atmosfer laboratorium untuk satu malam kemudian CVD dilakukan pada hasil berikutnya. Sedangkan NS-3 disiapkan dengan perlakuan CVD tanpa berhenti. Pengujian "permeance "gas tunggal : He, Hz dan Nz diukur setelah 50 jam di ekspos, guna mengendali kestabilan lapisan permukaan terhadap karakteristik pemisahan gas. Dari hasil uji tersebut diperkirakan akibat perlakuan perulangan temral CVD dari NS-I dan NS-2 sehingga menimbulkan adanya perbedaan kestabilan kimia tersebut ABSTRACT Using porous alpha alumina tubes with average pore of 0.1 I'll! as the substrates, two types of membranes were prepared by adopting different CVD time. one with 23 hours and the other with 19 hours. The chemical stability of silica membrane in process environment. for exposing membranes to an environment of HI-HzO gaseous miture at 45ffC and I bar, by which the most aggressive process environment could be simulated exept the pressure. Three types of silica membranes, NS-I, NS-2 and NS-3 were prepared by CVD. In preparing NS-I and NS-2, CVD treatment was temporarily stopped after CVD time reached to each 10 hours and the membrane was cooled down to ambient temperature. The membranes were kept in a laboratory atmosphere for one night and the rest of CVD was carried in the next day. On.the other hand, NS-3 was prepared at stretct without stoping. In the exposure test. single gas permeances of He. Hz. and Nz were measured every 50 hours to monitor the stability of surface layer risponsible for the appearance of gas separation characteristics. It was considered that the thermal cycle experienced in the CVD treatment of NS-l was responsible for the difference of chemical stability. PENDAHULUAN Satu dari metode-metode yang dipromosikan untuk produksi hidrogen dalam scala besar adalah metode "chemical water spliting" menggunakan suplai panas dari reaktor pending in gas temperatur tinggi. Dalam proses IS[I) reaksi- reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut : (i) [2(I) + SOl (g) + 2H20 (I) -7 2HI (aq) + H2S04 (aq) (ii) HlS04(aq) -7 H20 (g) + S02(g) + 1/2 O2(g) (iii) 2HI (g) -7 H] (g) + [2 (g). Disini perbandingan konversi kesetimbangan reaksi ketiga (iii), untuk peruraian HI dibatasi dengan nilai rendah yaitu sekitar 20 %, yang mana nilai tersebut sedikit tergantung pada temperatur dalam kisaran temperatur kamar hingga 1000°C. Konversi salah satu bagian pada reaksi tersebut, akan diusahakan lebih cepat, sehingga hasil akhir meningkatkan efisiensi termal produksi hidrogen, oleh pemisah produksi. Dan oleh karena pergeseran salah satu komposisi campuran reaksi, sehingga peruraian reaksi ditingkatkan. Kemampuan untuk pemisahan hydrogen oleh membran keramik dapat digunakan dalam konfigurasi untuk mendukung hasH reaksi katalis kesetimbangan terbatas seperti peruraian hydrogen sulfida dan reaksi pergeseran gas air. Beberapa kombinasi katalis dan pemisahan gas memerlukan suatu membran dengan pemisahan yang tinggi, kecepatan permeance yang cukup dan kestabilan kimia, thermal dan mekanik yang tinggi. Silicon dioxide amOl! dalam bentuk nonporous mempunyai pemisahan yang tinggi tetapi permeabi/itas yang rendah untuk hydrogen[2.3 4.5]. Applikasi membran ini adalah untuk mendapatkan bentuk film yang sangat tipis yang bebas dari cracks atau pinholes dan diaplikasikan pada material pendukung porous untuk mendapatkan kestabilan mekanik[6.7.8)' Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir P3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
Transcript
332 ISSN 0216 - 3128
ANALISA KESTABILAN MEMBRAN SILICAMETODE PENDEPOSISIAN UAP KIMIA
Tumpal PandianganPusat Penelitian Sistem Reaktor Maju BATAN. Serpong
ABSTRAK
Tumpal Pandiangan
BASIL
ANALISA KESTABILAN MEMBRAN SILICA HASIL METODE PENDEPOSISIAN UAP KIMIA. Dua
jenis tabung alpha-alumina berukuran pori sekitar 0.1 f.Drl dimodifikasi dengan cara mendeposisikan uapkimia "tetraethoxysilane", dengan waktu yang berbeda yailu 23 dan 19 jam. Kestabilan kimia membran
silika dalam li1lgkungiln proses, untuk mengekspos membran terhadap lingkungan campuran gas HI-H20pada temperatur 450 °c dengan tekanan I bar, dimana agresif proses lingkungclII akan disimulasi kecualitekanan. Ada tigajenis membran silika yaitu NS-I, NS-2 dan NS-3 disiapkan dengan metode pendeposisianuap kimia (CVD). Penyiapan sampel NS-I dan NS-2, mengalami perlakuan CVD yang tidak terus menerustetapi dihentikan setelah waktu CVD masing -masing 10 jam dan kemudian didinginkan pada temperaturlingkungan udara luar. Membran tersebut disimpan dalam atmosfer laboratorium untuk satu malam
kemudian CVD dilakukan pada hasil berikutnya. Sedangkan NS-3 disiapkan dengan perlakuan CVD tanpaberhenti. Pengujian "permeance "gas tunggal : He, Hz dan Nz diukur setelah 50 jam di ekspos, gunamengendali kestabilan lapisan permukaan terhadap karakteristik pemisahan gas. Dari hasil uji tersebutdiperkirakan akibat perlakuan perulangan temral CVD dari NS-I dan NS-2 sehingga menimbulkan adanyaperbedaan kestabilan kimia tersebut
ABSTRACT
Using porous alpha alumina tubes with average pore of 0.1 I'll! as the substrates, two types of membraneswere prepared by adopting different CVD time. one with 23 hours and the other with 19 hours. The
chemical stability of silica membrane in process environment. for exposing membranes to an environment ofHI-HzO gaseous miture at 45ffC and I bar, by which the most aggressive process environment could besimulated exept the pressure. Three types of silica membranes, NS-I, NS-2 and NS-3 were prepared by CVD.In preparing NS-I and NS-2, CVD treatment was temporarily stopped after CVD time reached to each 10hours and the membrane was cooled down to ambient temperature. The membranes were kept in alaboratory atmosphere for one night and the rest of CVD was carried in the next day. On.the other hand,NS-3 was prepared at stretct without stoping. In the exposure test. single gas permeances of He. Hz. and Nzwere measured every 50 hours to monitor the stability of surface layer risponsible for the appearance ofgas separation characteristics. It was considered that the thermal cycle experienced in the CVD treatment ofNS-l was responsible for the difference of chemical stability.
PENDAHULUAN
Satu dari metode-metode yang dipromosikanuntuk produksi hidrogen dalam scala besaradalah metode "chemical water spliting"menggunakan suplai panas dari reaktor pending ingas temperatur tinggi. Dalam proses IS[I) reaksireaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut :
Disini perbandingan konversi kesetimbanganreaksi ketiga (iii), untuk peruraian HI dibatasidengan nilai rendah yaitu sekitar 20 %, yang mananilai tersebut sedikit tergantung pada temperaturdalam kisaran temperatur kamar hingga 1000°C.Konversi salah satu bagian pada reaksi tersebut,akan diusahakan lebih cepat, sehingga hasil akhirmeningkatkan efisiensi termal produksi hidrogen,oleh pemisah produksi. Dan oleh karena pergeseran
salah satu komposisi campuran reaksi, sehinggaperuraian reaksi ditingkatkan.
Kemampuan untuk pemisahan hydrogenoleh membran keramik dapat digunakan dalamkonfigurasi untuk mendukung hasH reaksi kataliskesetimbangan terbatas seperti peruraian hydrogensulfida dan reaksi pergeseran gas air. Beberapakombinasi katalis dan pemisahan gas memerlukansuatu membran dengan pemisahan yang tinggi,kecepatan permeance yang cukup dan kestabilankimia, thermal dan mekanik yang tinggi. Silicondioxide amOl! dalam bentuk nonporousmempunyai pemisahan yang tinggi tetapipermeabi/itas yang rendah untuk hydrogen[2.34.5].
Applikasi membran ini adalah untukmendapatkan bentuk film yang sangat tipis yangbebas dari cracks atau pinholes dan diaplikasikanpada material pendukung porous untukmendapatkan kestabilan mekanik[6.7.8)'
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128 333
Dalam operasi reaktor membran, lanjutandegradasi sifat akan tergantung pada lingkungangas (reactants, hasil produksi) dan temperatur.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengujidurability membran dalam lingkungan proses
TATA KERJA
Modifikasi Membran dan "Permeace' GasKomponen Tunggal
Silika membran dibuat dengan metode CVD(Chemical Vapor Deposition). Tabung alphaalumina digunakan sebagai matriks, dengan ratarata ukuran pori 0.1 !-tm.Proses dilakukan denganmengadopsi Si pada matriks selama 23 jam danyang lain selama 19 jam.
Durabilitas Silica Membran dalamLingkungan Proses
Untuk menguji kestabilan kimia membransilica dalam lingkungan proses, dibuat suatuperalatan percobaan guna meng ekspos membranterhadap lingkungan campuran gas HI-H20 padatemperatur 450°C dan tekanan 1 bar. Dengan haltersebut lingkungan proses yang paling aggressiveakan disimulasi kecuali tekanan. Membran silica
yang digunakan dalam percobaan disiapkan denganmenggunakan tabung alumina alpha poros sebagaibahan matriks, permukaan luarnya di coatingdengan alumina gamma ukuran pori rata-rata 0,001micro meter. Sesuai denga studi sebelumnya dalamkelompok peneliti di JAERI ukuran poros terkecilsubtrate yang di coating dengan gamma aluminadapat disiapkan untuk membuat membran silicadengan kemampuan pemisahaan yang terbaik(pemisahan HiHI tertinggi). Tiga jenis membransilica telah di buat yaitu: (I) NS-I, dibuat denganwaktu CVD yang sangat lama guna memperolehpemisahan yang tinggi ; NS-2, dibuat denganwaktu CVD yang relatif pendek untuk memperolehpermeance yang tinggi. dan NS-3, disiapkandengan waktu CVD yang relatif lama juga
Dalam penyiapan sampel NS-l dan NS-2,perlakuan CVD yang tidak terus menerus tetapidihentikan setelah waktu CVD masing -masing 10jam dan kemudian didinginkan pada temperaturlingkungan udara luar. Membran tersebut disimpandalam atrnosfer laboratorium untuk satu malam
kemudian CVD dilakukan pada hasi berikutnya.Sedangkan NS-3 disiapkan tanpa berhenti.
Pengujian permeance gas tunggal : He, H2
dan N2 diukur setelah 50 jam ekspos, gunamengendalikan kestabilan lapisan permukaan
terhadap karakteristik pemisahan gas. Hasilpenelitian ditunjukkan oleh Gambar 1,2 dan 3.
Pemisaltan Campuran HrH20-HI
Percobaan pemisahan campuran HrH20-HIdilakukan pada kisaran temperatur 300-600°C.Membran yang telah dirnodifIkasi difIkskan dalamreaktor quartz (diameter dalam 18 mm dan panjang500 mm) dalam pemanas listrik. Gas yang akandiuji diambil dari penguapan campuran HI danhidrogen. Kecepatan aliran hidrogen dijaga yaitu 20m1Jmin dan komposisi molar HrH20-HI jugatetap yaitu : 0,23; 0,65; 0,12. Tekanan total dari duabagian sisi di jaga pada tekanan atrnosfer.
Gas nitrogen dimasukkan ke bagian dalammembran untuk membuat perbedaan tekanan, danmembawa gas permeace. Permeating gas HIditangkap dalam "colt trap" dan dianalisa dengantitrasi. Permeating H2 dan H20 dianalisa denganChromatograph tanpa menggunakan "colt trap"
"Peremeance" melalui membrane dihitungdengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
P(mollPa m2 s) = F/(Ailpi) (1)
Pengujian kestabilan
Kestabilan dari membran diuji denganmengekspos membran dalam campuran gas HrH20-HI pada 450°C dan permeance H2 dan H20
dirnonitoring.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk setiap kasus, akibat meningkatnyawaktu ekspos akibatnya permeance meningkat dandaya pisah menurun. Sesuai dengan hasil studisebelurnnya yang ada diliteratur deposit silicaadalah stabil pada tempeeratur dibawah 500°C,dimana alumina gamma menunjukkan perubahanstruktur secara lambat. Akibat pengaruh uap, silicaamorf diketahui menjadi lebih rapat. Dalamlingkungan ini dipertimbangkan bahwa uap panasdan atau senyawa halogen korosif, HI yang telahbereaksi dengan lapisan permukaan yangberkomposisi silica dan alumina gamma danpengontrol microporos permeation gas.
Perbandingan perubahan permeance NS-ldan NS-3 adalah sangat penting. Tingkat perubahanpermeance dengan waktu exposure adalah jauhlebih kecil pada NS-3 dibanding NS-l. Keduamembran disiapkan dengan waktu CVD yang sarnadan mereka menunjukkan charakteristik permeancegas yang hampir sarna sebelum di exposure ( lihatGambar 1 dan 3). Perbedaan sebelumnya adalahperlakuan panas CVD, dimana temperatur
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Jull 2003
334 ISSN 0216 - 3128 Tumpal Pandiangan
-e- H2,O--HI, 0- NZ
Percobaan NS-l berubah sementara NS-3 tidakberubah.
Oleh karenanya dipertimbangkan bahwapercobaan siklus termal dalam perlakuan CVD NS1 telah bertanggung jawab untuk kestabilan kimayang berbeda ' Satu penjelasan yang mungkin yaitusebagai berikut: Siklus termal menimbulkan stressdi dalan lapisan"deposition',' yang mana tidak hilangwalaupun telah mendapat perlakuan CVD dan inidapat menurunkan kestabilan kimia lapisandeposition.
10".
10'" I • , . , , • __.•L' ~ •. '~-'
a 50 100 L50 200 250 300 350 400
E>lp05Urelime in HI.",o miltture gas [hr]
If "
Gambar 1. Perubaltall permeance gas tUlIggalniembrall NS-I sebagai fungsi waktuekspos pada temperatur 450 DC dalamcampl/r{//I gas HI-H:!O
Gambar 3. Perubaltan "permeanc/I gas tunggalmembran NS-3 sebagai fungsi waktuehpos pada temperatur 450 DC dalamcampuran gas HI-H20
KESIMPULAN
Telah dipertimbangkan bahwa perlakuansiklus ternUll dalam CVD untuk NS-l adalah
berkaitan untuk perbedaan kestabilan kimia. Satukemungkinan penjelasan adalah bahwa sik]uistermal menyebabkan stress di dalam lapisandeposition, yang mana stress tersebut tidak hilangwalaupun telah mengalami perlakuan CVD dan halini dapat menurunkan kestabilan kimia lapisandeposition
UCAP AN TERIMAH KASIH
Penelitian ini dibuat atas bantuan STAJAERI- JAPAN Penulis berterimah kasih atas
bantuan dana yang didukung oleh STA,Laboraturium dan bantuan pengetahuan dari DR.Kaoru Onuki dan DR. Gab-Jin Hwang yang sangatberdedikasi .
DAFT AR PUST AKA
I. M.SAKURAI, M.AIHARA,N. MIY AKE,A.TSUTUSMI,K.YOSHIDA, "Test of one-loopflow chema for the UT-3 thermochemical
hydrohen production process", In\. J. HydrogenEnergy 17(8)( 1992) 587-592.
2. C.E. MEGIRIS, J.H.E. GLEZER, "Synthesisof Hr pem1Selective membranes by modifiedchemical vapor deposition. Microstructure andpern1Sclectivity of SiOz/C/vycor membranes",Ind. Eng. Chem. Res. 3 I (1992) 1293-1299.
Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
Tumpal Pandiangan ISSN 0216 - 3128 335
3. H.Y. HA, S.W. NAM, S.-A. HONG, W.K.LEE, "Chemical vapour deposition ofhydrogen-perms elective silica film on porousglass supports from TEOS,J". Membr. Sci. 85(1993) 279-290.
4. M. TSAPATlS, G. GAVALAS, "Structure andaging characteristics of H2- permselectiveSiOrvycor membranes", J. Membr. Sci. 87(1994) 281-296.
6. J.C.S. WU, H. SABOL, G. W. SMITH, D.L.FLOWERS, P.K.T. Lill, "Characterization ofhydrogen- permselective microporous ceramicmembranes," J. Membr. Sci. 96 (1994) 275280
7. S. YAN, H. MAEDA, K. KUSAKABE, S.MOROOKA, "Hydrogen perms elective Si02membrane formed in pores of alumina supporttube by chemical vapor deposition withtetraethylorthosilicate", Ind. Eng. Chern. Res.33 (1994) 2096-2101.
8. B.K.SEA,K.KUSAKABE,S.MOROOKA,"Pore size control and gas permeation kineticsof silica membranes by pyrolysis of phenilsubstituited ethoxylines with cross-flowthrough aporous support wall," J.Membr.Sci.130 (1997)41-52.
TANYAJAWAB
Sumiyanto
Bagairnana anda menentukan efisiensi produksiH2?
Reaksi pembentukan H2 yang diteliti itu ordeberapa dan lajunya berapa ?
Tumpal Pandiangan
Kami tidak mengukur ejisiensi produksiH2• tetapi secara teori hal tersebut pastidapat dihitung.
Yang kami teliti adalah bagaimanakestabilan membran yang dibuat apabiladiexpos pada parameter lingkungannya,yaitu : adanya gas H20, HI dan Hz. ladiorde dan laju produksi harganya tidakditeliti.
Suharyanto
Seberapa besar selektifitas membran terhadapH2 dibanding gas lain.
Bagaimana menguji selektifitas membranterhadap gas lain
Tumpal Pandiangan
Selektifitas membran terhadap H2 dan gaslain seperti N2, HzO adalah : untuk Hzdengan N2 50 sid 100.
Dengan melewatkannya melalui alat ukurgas chromatograji dan atau menggunakanpengukur lainnya.
Proslding Pertemuan dan Presentasilimiah Penelltlan Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologl NukllrP3TM-BATAN Yogyakarta, 8 Juli 2003
