PENINGKATAN REAKTIVITAS SORBEN KALSIUM
HIDROKSIDA DAN TANAH DIATOME (DE)
ENHANCEMENT OF CALCIUM HYDROXYDE REACTIVITY
USING DIATOMACEOUS EARTH (DE) SORBENT
Mariana Jurusan Teknik Kimia.
Fakultas Teknik.
Universitas Syiah Kuala.
Jl.
Nyak Arief.
Darussalam.
Banda Aceh 23111 e-mail: mariana_hasyim@yahoo.
Abstrak Gas hasil pembakaran sampah terdiri dari gas-gas yang berbahaya seperti SO2.
HCL.
CO, dan sebagainya.
Teknologi penghilangan gas-gas berbahaya dapat dilakukan dengan menggunakan proses kering dan proses Proses kering lebih ekonomis bila dibandingkan dengan proses basah.
Kelemahan proses kering adalah konversi absorpsi dan efisiensi penyisihan gas relatif rendah.
Salah satu cara mengatasi masalah tersebut adalah dengan menggunakan sorbent yang mempunyai reaktivitas tinggi.
Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan reaktivitas sorbent Ca(OH)2 dengan menggunakan tanah diatome (DE) sebagai sumber Reaksi antara SiO2 dengan Ca(OH)2 membentuk kalsium silikat hidrat (CaO.
SiO2.
2H2O) yang mempunyai porositas dan reaktivitas tinggi.
Penelitian ini dilakukan dalam dua tahap, yaitu tahap persiapan sorbent dan tahap uji reaktivitas sorbent.
Persiapan sorbent dilakukan dalam reaktor batch dengan mereaksikan Ca(OH)2 dan DE dengan 100 g air pada berbagai variasi rasio Ca(OH)2/DE dengan rasio berat fasa air/padatan sebesar 10.
Uji reaktivitas sorbent dilakukan dengan menentukan daya serap sorbent terhadap methylene blue.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa densitas slurry dan berat sampel padat meningkat setelah reaksi.
Konversi reaksi meningkat dengan kenaikan temperatur reaksi, kecepatan pengaduk dan waktu reaksi.
Konversi reaksi konstan setelah 20 menit.
Temperatur reaksi 65oC menghasilkan konversi reaksi tertinggi dari variabel yang dilakukan.
Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa reaktifitas sorbent Ca(OH)2/DE lebih tinggi dari sorbent Ca(OH)2.
Kata kunci: sorbent Ca(OH)2, tanah diatome, konversi, reaktivitas.
Abstract Gas emission from solid waste incineration contains dangerous gases such as sulfur oxides, hydrochloric acid, carbon monoxide, and others.
Acid gas removal technology can be done by using dry and wet The dry process is more economical than the wet process.
However, the dry process has low efficiency in gas removal and sorbent utilization.
One way to overcome this problem is to use a sorbent which has high reactivity.
The aim of this research was to increase the reactivity of calcium hydroxide sorbent by using diatomaceous earth as silica source.
The reaction between sulfur dioxide with calcium hydroxide to form calcium silicate hydrates (CaO.
SiO2.
2H2O), which has high porosity and reactivity.
The experiment was carried out in two work phases.
The first was preparation of sorbent and sorbent reactivity The sorbent preparation was done in a batch reactor by reacting calcium hydroxide and DE together with 100 g of water at various ratios of calcium hydroxide /DE with a weight ratio of water phase/solids of 10.
The sorbent reactivity test was performed by determining methylene blue absorption by the sorbent.
The results showed that the solid density and the weight of solid sample increased after the reaction.
The conversion reaction increased with the increasing reaction temperature, mixing rate, and reaction time.
The conversion rate was constant after 20 minutes.
The highest conversion rate was obtained at 65oC.
The experimental results also showed that the reactivity of combined Ca(OH)2/DE sorbent was higher than that of Ca(OH)2 only.
Keywords: sorbent Ca(OH)2, diatomaceous earth, conversion, reactivity.
Jurnal Purifikasi.
Vol.
No.
Juli 2011: 31-42
PENDAHULUAN
Emisi gas dari hasil insinerasi sampah dalam mengandung berbagai komponen yang berbahaya, yaitu: .
sulfur dioksida (SO.
, nitrogen oksida (NO.
, karbon monoksida (CO), asam klorida.
logam logam.
Gas-gas tersebut tersebut dapat bereaksi dengan radikal bebas di udara membentuk asam yang dapat menyebabkan terjadinya hujan asam dan penipisan lapisan ozon yang mengakibatkan pemanasan global, timbulnya berbagai penyakit seperti iritasi pernapasan dan batuk, serta peningkatan angka kematian (Pearlman et al.
, 1971.
Goldstein et al.
, 1973.
Bates, 1972.
Fairchild et al.
, 1.
Berbagai teknologi proses penyisihan gas-gas yang berbahaya telah dikembangkan.
Proses yang umum digunakan adalah proses kering dan proses basah.
Beberapa keunggulan proses kering dibandingkan dengan proses basah antara lain: murah, mudah penanganan, dan tidak menghasilkan limbah cair.
Salah satu proses pemisahan gas secara kering yang efektif dan ekonomis adalah menggunakan reaktor dengan absorbent Ca(OH)2.
Namun proses ini juga mempunyai kelemahan, seperti rendahnya konversi sorbent dan efisiensi pemisahan gas (Mariana et al.
, 2003.
Seno et al.
Uchida et al.
, 1.
Untuk meningkatkan efisiensi pemisahan gas dan reaktivitas sorbent .
onversi kalsiu.
, berbagai variasi bahan aditif dapat ditambahkan.
Sorbent yang diperoleh dari campuran larutan Ca(OH)2 dengan bahan mengandung silika dapat meningkatkan konversi kalsium dibandingkan dengan bahan tanpa campuran aditif (Garea et al.
, 1.
Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1, reaksi pozzolanic antara silika dengan Ca(OH)2 di dalam slurry membentuk kalsium silikat hidrat (CSH.
dan kalsium alumina (CAH.
yang dapat meningkatkan reaktivitas dari sorbent Ca(OH)2 (Liu et al.
, 2002.
dan Shih, 1992.
Ishizuka et al.
, 2.
Reaktivitas sorbent juga sangat tergantung pada luas permukaan kontak sorbent (Klinspor et al.
, 1983.
Tsuchiai et al.
menyebutkan bahwa penghilangan gas maksimum diperoleh ketika pada waktu sebuah sorbent mencapai diameter pori rata-rata maksimum, tetapi pada saat itu luas permukaan kontak spesifik belum mencapai maksimum.
Penelitian Renado et al.
menunjukkan bahwa volume mesopore dan macropore merupakan komponen paling utama yang berhubungan dengan reaktivitas sorbent dan konversi penyisihan gas.
Hydrated Calcium Silicate (CSH.
Ca(OH)2 Slurring Gambar 1.
Model Reaksi Pozzolanic Ca(OH)2 dengan Silika pada DE (Mariana, 2.
Mariana.
Peningkatan Reaktivitas Sorben Kalsium Hidroksida Tanah diatome (DE) atau fly ash (FA) merupakan material pozzolanic yang mengandung SiO2.
Al2O3, dan CaO (Jozewicz et ,1988.
Penelitian FA sebagai sumber silika telah banyak dilakukan, tetapi penelitian DE sebagai sumber silika hampir tidak ada.
Penelitian ini difokuskan pada Ca(OH)2 mempunyai reaktivitas yang tinggi dengan penambahan aditif DE.
hidrat dan aditif DE, bersama-sama dengan 100 g air dimasukkan ke dalam beaker polypropylene conical pada berbagai variasi rasio Ca(OH)2/DE dengan rasio berat air/padatan (Ca(OH)2 additive.
Beaker kemudian ditutup dan dimasukkan ke dalam water bath pada berbagai variasi Kemudian diaduk dengan magnetic stirrer selama 2 jam.
Setelah diaduk, slurry dikeringkan selama 24 jam pada temperatur 120oC dan solid dikalsinasi pada berbagai variasi temperatur selama 2 jam.
Adonan hasil pengeringan dihaluskan dan kemudian dilakukan analisis spesifik surface area (SBET).
Komposisi sorbent dianalisis dengan menggunakan XRD sistem Rint 2000.
Rigaku Co.
Japan.
SEM.
Hitachi S-3000N digunakan untuk melihat marfologi sorbent.
Padatan sorbent dianalisis menggunakan analisis thermogravimetric.
Uji reaktivitas sorbent dilakukan dengan menentukan daya serap sorbent terhadap methylene blue.
Adapun diagram alir keseluruhan penelitian yang dilakukan pada proses batch ditunjukkan pada Gambar 3.
METODA
Persiapan bahan yang diperlukan meliputi pengadaan bahan-bahan berupa Ca(OH)2.
DE, dan akuades.
DE dihaluskan dan diayak sesuai dengan variabel proses yang dilakukan.
Peralatan yang dipersiapkan meliputi: erlemenyer, pipet volumetrik, aluminium foil, corong pemisah, gelas ukur, magnetic stirrer/water batch, dan termometer.
Kapur hidrat .
ydrated lim.
yang digunakan dalam percobaan ini adalah Ca(OH)2 murni .
,9(OH).
, sedangkan tanah diatome yang digunakan berasal dari NAD.
Persiapan sorbent ditunjukkan pada Gambar 2.
Kapur Ca(OH)2 additive Water Mixer Water bath Heater Magnetic stirrer Gambar 2.
Skema Persiapan Sorbent Jurnal Purifikasi.
Vol.
No.
Juli 2011: 31-42 Ca(OH)2 Air Slurry Diaduk Dikeringkan Dihaluskan Analisa Tes daya serap Analisa TG-DTA Gambar 3.
Diagram Alir Keseluruhan Penelitian yang Dilakukan Konversi reaksi ditentukan dengan menggunakan perbandingan antara konsentrasi reaktan yang bereaksi dengan konsentrasi reaktan mula-mula.
Sedangkan penentuan daya serap methylene blue dilakukan dengan menggunakan cara agitasi sebagai berikut:
Sebanyak 1 g sorbent Ca(OH)2/DE dimasukkan ke dalam 50 ml larutan methylene blue 250 ppm.
Erlenmeyer ditutup dan digoyang pada skala 150 rpm selama 1 jam.
Isi erlenmeyer selanjutnya disaring dengan menggunakan kertas saring Whatman No.
Konsentrasi methylene blue pada filtrat ditentukan dengan menggunakan kurva kalibrasi absorbansi methylene blue yang diukur menggunakan spectrofotometer.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Tanah Diatom Adapun tanah diatome yang digunakan berasal dari Desa Ujung Batee.
Aceh Besar (Gambar .
Komposisi hasil analisa tanah diatome tersebut ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1 menunjukkan bahwa kandungan SiO2 di dalam tanah diatome adalah sebesar 33,94%.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa tanah diatome dari Kreung Raya Aceh Besar ini layak digunakan sebagai sumber silika untuk meningkatkan reaktivitas sorbent Ca(OH)2.
Gambar 4.
Tanah Diatome dari Desa Ujung Batee.
Aceh Besar Mariana.
Peningkatan Reaktivitas Sorben Kalsium Hidroksida Tabel 1 Analisis Hasil Tanah Diatome Ujung Batee.
Aceh Besar Parameter Uji SiO2 CaO Al2O3 Metode Uji Gravimetri Titrimetri Gravimetri Satuan Hasil Uji Sumber: Baristan.
NAD, 22 Mei 2009 Gambar 5.
Hasil Analisis Densitas Slurry Awal dan Densitas Slurry Akhir Hasil Percobaan Menggunakan Sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1.
Ukuran Partikel 350 mesh dan t = 2 jam.
Pengaruh Reaksi terhadap Densitas Slurry Komposisi suatu slurry sangat mempengaruhi terhadap densitas slurry.
Adapun hasil analisis densitas slurry awal dan akhir setelah reaksi antara Ca(OH)2 dan tanah diatome (DE) pada sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1 dan ukuran partikel 350 mesh hasil percobaan diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5 menunjukkan bahwa hasil analisis densitas slurry akhir setelah reaksi sedikit lebih tinggi dari densitas slurry awal.
Hal ini menunjukkan bahwa di dalam padatan sudah terkandung calcium silicate hydrates (CSH.
yang mempunyai densitas lebih tinggi dari Ca(OH)2 melalui reaksi yang ditunjukkan pada persamaan 1.
Fenomena pada persamaan 1 sesuai dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Ishizuka et al.
, .
yang menyatakan bahwa calcium silicate hydrates (CSH.
akan terbentuk bila dilakukan reaksi antara Ca(OH)2 dan SiO2 di dalam kondisi slurry.
Pengaruh Reaksi terhadap Berat Sampel Padat Komposisi suatu slurry sangat mempengaruhi terhadap berat sampel padat yang Adapun hasil analisis berat sampel padat awal dan akhir setelah reaksi antara Ca(OH)2 dan tanah diatome (DE) pada sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1 dan ukuran partikel 350 mesh hasil percobaan diperlihatkan pada Gambar 6.
Berat sampel padat akhir setelah reaksi sedikit lebih rendah dari berat sampel padat awal.
Hal ini membuktikan bahwa terbentuknya hasil reaksi antara Ca(OH)2 SiO2 CaO.
SiO2.
2H2O yang lebih ringan karena berbentuk hidrate.
Pengaruh Temperatur terhadap Konversi Pengaruh temperatur terhadap konversi reaksi menggunakan sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1, 350 rpm dan ukuran partikel 350 mesh.
Gambar 7 menunjukkan bahwa peningkatan temperatur reaksi menyebabkan peningkatan konversi dalam range variabel temperatur yang dilakukan.
Jurnal Purifikasi.
Vol.
No.
Juli 2011: 31-42 Ca(OH)2 SiO2 H2O CaO.
SiO2.
2H2O (Kalsium silikat hidra.
Temperatur reaksi 65oC menghasilkan konversi tertinggi dalam range variabel tem-peratur yang Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Ma-riana et al.
yang menyatakan bahwa temperatur 65oC merupakan temperatur opti-mum untuk reaksi Ca(OH)2 dengan SiO2 da-lam DE.
Gambar 6.
Hasil Analisis Berat Padatan Sampel Awal dan Akhir Hasil Percobaan Menggunakan Sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1.
Ukuran Partikel 350 mesh dan t= 2 jam.
Gambar 7.
Pengaruh Temperatur Terhadap Konsentrasi Ca(OH)2 Pada Sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1.
Ukuran Partikel 350 mesh, 350 rpm dan t= 60 menit.
Mariana.
Peningkatan Reaktivitas Sorben Kalsium Hidroksida Gambar 8.
Pengaruh Kecepatan Pengaduk Terhadap Konversi Pada Sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1.
Ukuran Partikel 350 mesh.
Temperatur Reaksi 56oC dan t= 2 jam Gambar 9.
Pengaruh Waktu Reaksi Terhadap Konversi Pada Sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1.
Ukuran Partikel 350 mesh, 350 mesh dan T = 65oC Pengaruh Kecepatan Pengaduk Terhadap Konversi Pengaruh kecepatan pengaduk terhadap konversi menggunakan sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1, ukuran partikel 350 mesh dan temperatur reaksi 65oC ditunjukkan pada Gambar 8.
Semakin besar kecepatan pengaduk, maka konversi Ca(OH)2 yang bereaksi semakin Hal ini disebabkan karena kenaikan kecepatan pengaduk menyebabkan kelaru- Jurnal Purifikasi.
Vol.
No.
Juli 2011: 31-42 menyebabkan luas permukaan kontak antara Ca(OH)2 dengan SiO2 semakin besar.
Pengaruh Waktu Reaksi Terhadap Konversi Pengaruh waktu reaksi terhadap konversi menggunakan sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1, ukuran partikel 350 mesh dan 350 rpm ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9 menunjukkan bahwa waktu reaksi mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap konversi.
Hal ini disebabkan karena konversi berbanding lurus dengan konsentrasi reaktan yang bereaksi (Persamaan .
, sementara konsentrasi reaktan yang bereaksi berbanding lurus dengan waktu reaksi (Persamaan .
Sehingga dapat disimpulkan bahwa konversi berbanding lurus dengan waktu reaksi.
C A0 A C At C A0 dC A A kC A n .
Dimana:
= konversi (-) CAt = konsentrasi reaktan pada waktu t .
ol/m.
CA0 = konsentrasi .
ol/m ) = waktu reaksi .
= order reaksi mula-mula Konversi semakin meningkat terhadap waktu reaksi sampai 20 menit, selanjutnya setelah 20 menit konversi mempunyai harga yang konstan.
Hal ini menunjukkan bahwa waktu reaksi optimum antara Ca(OH)2 dengan SiO2 adalah 20 menit dalam range variabel percobaan yang dilakukan.
Temperatur reaksi 65oC mempunyai konversi reaksi yang lebih tinggi pada berbagai waktu reaksi dalam variabel range temperatur yang dilakukan.
Analisis TG-DTA Analisis TG-DTA dilakukan di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.
Pusat Penelitian Fisika Komplek PUSPIPTEK Serpong.
Analisis TG-DTA menggunakan sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1 dan ukuran partikel 200 mesh pada temperatur 65oC ditunjukkan pada Gambar Hasil analisis TG-DTA menunjukkan bahwa sorbent terdiri dari Ca(OH)2.
SiO2 dan CaO.
SiO2.
2H2O.
Hal ini menunjukkan bahwa reaksi antara SiO2 dengan Ca(OH)2 menghasilkan CaO.
SiO2.
2H2O, sehingga sorbent Ca(OH)2/DE lebih porous dan lebih reaktif dari sorbent Ca(OH)2.
Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Mariana et al.
untuk Ca(OH)2/FA.
Gambar 10.
Pengaruh Waktu Reaksi terhadap Konversi pada Sorbent Ca(OH)2/DE = 3:1.
Ukuran Partikel 350 mesh, 350 mesh pada Berbagai Variasi Temperatur Mariana.
Peningkatan Reaktivitas Sorben Kalsium Hidroksida 0,5 sec CaO.
SiO2.
2H2O
-2,5
-3,5
Ca(OH)2 DIC %/min SiO2 Temp.
Gambar 11.
TG-DTA Sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1 dan Ukuran Partikel 200 mesh Pada Temperatur Reaksi 65oC Gambar 12.
Profil XRD untuk Sorbent Ca(OH)2/DE = 10:1 dan Ukuran Partikel 200 mesh pada Temperatur reaksi 65o Jurnal Purifikasi.
Vol.
No.
Juli 2011: 31-42 Analisis XRD (X-ray Diffraction Pattern.
Untuk melihat produk CaO.
SiO2.
2H2O hasil reaksi dapat dilihat dari analisis XRD.
Analisis XRD dilakukan di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia.
Pusat Penelitian Fisika Komplek
PUSPIPTEK
Serpong.
Gambar
XRD
Ca(OH)2/DE = 10:1 dan ukuran partikel 200 mesh pada temperatur reaksi 65oC.
Dari Gambar 12 dapat dilihat bahwa hasil reaksi antara Ca(OH)2 dengan SiO2 menghasilkan CSHs (CaO.
SiO2.
2H2O).
Pengujian Reaktivitas Sorbent.
Hasil pengetesan daya serap sorbent terhadap methylene blue ditunjukkan pada Gambar 13.
Daya serap sorbent Ca(OH)2/DE terhadap methylene blue meningkat dengan meningkatnya waktu penyerapan.
Temperatur kalsinasi sorbent mempengaruhi terhadap daya serap sorbent.
Artinya daya serap sorbent meningkat dengan meningkatnya temperatur Pada temperatur kalsinasi 800oC menunjukkan daya serap sorbent terhadap maksimum dalam waktu penyerapan yang relatif pendek yaitu mulai waktu penyerapan 1 jam.
Sedang-kan untuk sorbent dengan waktu kalsinasi 500oC, daya serap mencapai maksimum da-lam waktu yang relatif lama yaitu pada waktu penyerapan 10 jam.
Hasil penelitian juga me-nunjukkan methylene blue menggunakan sorbent Ca(OH)/DE ting-gi dibandingkan dengan hanya menggunakan sorbent Ca(OH)2.
Hal ini disebabkan karena terbentuknya calcium silicate hydrates (CSHS) yang lebih porous di dalam sorbent Ca(OH)2/DE (Gambar 14 dan Gambar .
Gambar 14 dan 15 menunjukkan bahwa total prositas sorbent Ca(OH)2 lebih kecil dibandingkan dengan sorbent Ca(OH)2/DE.
Gambar 13.
Pengaruh Kalsinasi terhadap Daya Serap Sorbent Ca(OH)2/DE Gambar 14.
Pengaruh Jenis Sorbent terhadap Diameter Pori (Temperatur Kalsinasi 800oC).
Mariana.
Peningkatan Reaktivitas Sorben Kalsium Hidroksida .
Gambar 15.
Gambar SEM untuk Sorbent Ca(OH)2/DE {.
DE dan .
Ca(OH)2/DE = 70:.
KESIMPULAN Dari hasil pembahasan penelitian ini dapat disimpulkan bahwa temperatur, kecepatan pengaduk, dan waktu reaksi mempunyai peranan yang penting terhadap konversi reaksi antara SiO2 dengan Ca(OH)2.
Temperatur reaksi 65oC menghasilkan konversi tertinggi sehingga dapat disimpulkan bahwa temperatur reaksi 65oC merupakan temperatur optimum untuk reaksi Ca(OH)2 dengan SiO2.
Hasil penelitian juga menunjukkan bahwa konversi mencapai konstan pada waktu reaksi 20 menit.
Daya serap sorbent Ca(OH)2/DE terhadap methylene blue lebih besar dari daya serap sorbent Ca(OH)2 saja.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi.
Kementerian Pendidikan Nasional yang telah membiayai penelitian ini sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Kompetitif Penelitian Sesuai Prioritas Nasional Nomor:157/SP2H/PP/DP2M/i/2010, tanggal 1 Maret 2010.
Fairchild.
Roan, and J.
McCarroll, .
Atmospheric Pollutants and the Pa-thogenesis of Viral Respiratory Infection.
Arch Environ Health.
September.
Garea.
Viguri, and A.
Irabien .
Fly-Ash/Calcium Hydroxide Mixtu-res for SO2 Removal: Structural Properties and Maximum Yield.
Chem.
Eng.
Goldstein.
Carroll, and P.
Hoeprich .
Effect of Nitrogen Dioxide on Pulmonary Bacterial Defense Mecha-nism.
Erch Environ Health.
Ho.
S and S.
Shih .
Ca(OH)2/Fly Ash Sorbents for SO2 Removal.
Ind.
Eng.
Chem.
Res.
DAFTAR PUSTAKA