Author Archives: Admin

About Admin

Laboratory Electrochemistry and Corrosion belongs to the Department of Chemical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Indonesia. We conduct research in the fields of synthesis of particles using electrochemical and sol-gel methods, inorganic coating of metals to prevent corrosion, synthesis of materials from industrial waste and particle coating for specific purposes such as slow-release fertilezer.

Excellent Poster Award in APCChE 2019

Prof. Heru Setyawan received an Excellent Poster Award in the 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering congress (APCChE 2019) held in Sapporo, Japan, on 23-27 September 2019. The poster paper that received the award entitled: Metal-free electrocatalyst for oxygen reduction reaction from coir fibers. The work was prepared by Mar’atul Fauziyah, Widiyastuti, and Heru Setyawan. Mar’atul Fauziyah is a doctoral student in our laboratory.

Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering (APCChE) congress is organized by one of the confederation member societies every two years. The first APCChE was held in 1975. APCChE 2019 was organized by the Society of Chemical Engineers Japan and attended by more than 1800 participants from 33 countries. The number of paper presented was around 1500 (oral, short communication, poster) in total, in which the number of poster presented was around 800. The theme of 2019 congress is Chemical Engineering for Sustainable Development Goals (CHE4SDGs).

Fabricating aerogel from coir fiber

We have devised a cheap and green method to convert coir fiber into compressible and ultralight cellulose aerogel. We published our findings in Cellulose (read and share here). Aerogels are highly porous materials with very low thermal conductivity and very high absorption capacity, and among one of the lightest materials known.

In the present study, we developed cellulose aerogel from coir fiber, an abundantly available agricultural waste materials, that has high absorption capacity towards water, oil and dyestuffs. The aerogel has a macroporous structure, ultralight density, high porosity, good durability, and thermal stability. The aerogel was capable of absorbing 22 and 18 times its dry weight in water and oil, respectively. The material also had a high capacity for methylene blue dye adsorption of up to 62 g/g, which was one hundred times higher than that of adsorbents synthesized from the other natural matters. Therefore, the prepared aerogels have potential for various sorption applications.Therefore, this material has potential application for diapers, cleaning of oil spills, and adsorbent for dyes.

Kami telah menemukan metoda yang murah dan ramah lingkungan untuk mengubah sabut kelapa menjadi aerogel selulosa yang dapat ditekan dan sangat ringan. Kami menerbitkan temuan kami di Cellulose (baca dan bagi disini). Aerogel adalah bahan yang sangat berpori dengan konduktivitas panas yang sangat rendah dan kapasitas absorpsi yang sangat tinggi, dan salah diantara bahan paling ringan yang dikenal.

Dalam penelitian sekarang, kami mengembangkan aerogel selulosa dari sabut kelapa, bahan limbah perkebunan yang tersedian melimpah, yang mempunyai kapasitas absorpsi sangat tinggi terhadap air, minyak dan zat warna. Aerogel ini mempunyai struktur makropori, densitas sangat ringan, porositas tinggi, ketahanan dan stabilitas panas bagus. Aerogel tersebut mampu menyerap 22 dan 18 kali berat keringnya, berturut-turut, dalam air dan minyak. Bahan ini juga mempunyai kapasitas tinggi untuk adsorpsi zat warna metilena biru sampai 62 g/g, yang mana seratus kali lebih tinggi daripada adsorben yang dibuat dari bahan alam lain. Dengan demikian, bahan ini mempunyai aplikasi potensial untuk popok, pembersih tumpahan minyak, dan adsorben untuk zat warna.

(hs)

Terobosan Teknologi: Elektrolisa mikroba menghasilkan hidrogen dari limbah organik

Majalah Chemical Engineering di edisi 1 Agustus 2019 melaporkan terobosan yang dilakukan oleh perusahaan startup Electro-Active Technologies untuk memproduksi hidrogen murni dari berbagai limbah organik. Perusahaan yang berbasis di Oak Ridge ini berhasil mengembangkan sistem sel elektrokimia mikroba yang dirakit mirip sel bahan bakar yang mampu menghasilkan hidrogen murni dari berbagai macam limbah organik. Sistem elektrolisa ini sekarang sedang dalam tahap purwarupa dan direncanakan akan dibangun pilot plant pada tahun 2020.

Teknologi yang dikembangkan menawarkan cara untuk menghasilkan bahan bakar terbarukan dan gas industri bebas karbon dari limbah makanan, dan bahan organik lain yang mungkin berakhir di tanah urug, menghasilkan metana, gas rumah kaca. Menurut CEO Electro-Active Technologies, sistem elektrolisa mikroba ini mampu menghasilkan hidrogen murni dengan biaya separo lebih murah dibandingkan dengan elektrolisis air konvensional, ditambah dengan pemanfaatan limbah makanan sebagai sumbernya.

Ilmu baterai dapat diisi ulang: Survei kemajuan dalam bahan dan teknologi

Oleh: Heru Setyawan

Pendahuluan

American Chemical Society (ACS) pada bulan Juli 2019 menulis laporan ekslusif tentang “Rechargable Battery Science: A Survey of Advancements in Materials and Technology.” Laporan yang ditulis oleh Prachi Patel, seorang wartawan lepas, ini hanya dikirimkan kepada anggota ACS dan tidak untuk dijualbelikan atau disebarkan. Berikut rangkuman sekilas apa yang dilaporkan oleh Patel.

Ilustrasi skema baterai Li-ion pertama (LiCoO2/elektrolit Li+/grafit).

Laporan ini mencakup teknologi baterai dapat diisi ulang umum, yakni: asam timbal, baterai berbasis nikel dan Li-ion, dengan fokus khusus pada Li-ion. Baterai Li-ion telah memungkinkan revolusi nirkabel dari HP, komputer laptop, kamera digital dan iPad yang telah mentransformasi komunikasi global. Ketika gawai ini menjadi semakin berdayaguna dan dipakai dimana-mana, ada tuntutan yang terus tumbuh akan baterai yang dapat diisi ulang lebih cepat dan bertahan lebih lama antar pengisian.

Kemajuan baterai bisa menjadi dasar bagi masa depan berkelanjutan. Baterai akan menjadi kunci untuk menjauh dari bahan bakar fosil untuk transportasi dan pembangkit listrik. Baterai yang murah dan berdayaguna akan membantu menaruh lebih banyak kendaraan listrik bebas polusi di jalan menggantikan mobil berbahan bakar bensin atau solar. Dan dengan menyimpan listrik untuk seluruh kota, bahkan untuk pemakaian tanpa ada sinar matahari atau angin, baterai dapat membantu memperlancar potensi penuh sumber energi yang dapat diperbarui.

Sebagian besar penelitian saat ini terfokus pada sistem Li-ion (baterai Li-ion). Li-ion merupakan teknologi dinamis yang umum digunakan karena ia mengemas banyak energi dalam volume yang kecil. Li-ion mendominasi pasar elektronika jinjing dan kendaraan listrik yang sedang tumbuh. Meskipun telah banyak kemajuan selama beberapa dekade, Li-ion masih menghadapi banyak tantangan. Baterai masih mahal, perlu waktu lama untuk mengisi ulang, dan memiliki masa hidup yang pendek. Baterai banyak mengandung unsur beracun, dan dapat menangkap api dan meledak. Sejauh ini, tidak ada kendaraan listrik sekali isi yang mampu berjalan sejauh mesin bensin karena bensin mengandung 50 kali energi per berat Li-ion. Perburuan adalah pada baterai yang lebih aman, lebih murah, lebih berdayaguna, dan lebih lama hidup. Diluar litium, ada banyak teknologi generasi berikutnya sedang digodog di laboratorium-laboratorium di seluruh dunia.

Dasar-dasar baterai dapat diisi ulang

Baterai adalah alat yang menyimpan energi dan menghasilkan listrik melalui reaksi kimia. Baterai terdiri atas elektroda positif (katoda), elektroda negatif (anoda) dan elektrolit. Selama pemakaian, reaksi pada anoda menghasilkan elektron yang mengalir keluar baterai melalui sirkuit luar ke katoda, menghasilkan arus listrik. Ion bergerak diantara elektroda didalam baterai melalui pemisah yang menjaga elektron diluar. Sejarah penemuan baterai dapat dibaca disini.

Dalam baterai yang dapat diisi ulang, reaksi kimia yang terjadi selama pemakaian dapat dibalik dengan mengalirkan arus listrik melalui alat dalam arah yang berlawanan (baca disini). Kinerja baterai dapat ditaksir berdasarkan aplikasi khususnya dengan melihat karakteristik listrik (disini dan disini) dan ciri fisik seperti ukuran dan berat keseluruhan. Harga baterai barangkali merupakan kriteria paling penting bagi pelanggan. Dari semua baterai komersial, asam timbal adalah yang termurah, sedangkan Li-ion yang termahal. Peneliti mencoba menurunkan harga Li-ion dengan mengembangkan bahan elektroda dan elektrolit yang lebih baik, lebih murah. Kemasan yang lebih murah dan masa hidup lebih lama juga akan membantu mengurangi biaya keseluruhan.

Sistem asam timbal memiliki andil terbesar dari pasar baterai dapat diisi ulang pada sekitar 61%, menurut penelitian Grandview. Sementara baterai asam timbal mengumpulkan andil terbesar di pasar, baterai Li-ion mengalami pertumbuhan lebih cepat. Kendaraan listrik dan penyimpan jaringan listrik akan mendorong kebutuhan baterai ditahun-tahun mendatang. Perhatian sekarang adalah apakah pabrik baterai dapat menjaga memproduksi baterai cukup cepat untuk berkejaran dengan kebutuhan.

Teknologi baterai dapat diisi ulang

Sistem baterai dapat diisi ulang tertua dan pertama kali digunakan secara komersial adalah baterai asam timbal. Baterai ini ditemukan lebih dari 150 tahun yang lalu dan sampai sekarang pada hakekatnya tidak berubah. Asam timbal adalah baterai starter daya beban untuk mobil, truk dan sepeda motor karena ia mampu menyediakan sentakan arus tinggi yang diperlukan untuk mengengkol motor mesin kendaraan. Tetapi baterai juga digunakan untuk menyediakan daya cadangan darurat untuk pusat telekomunikasi dan komputer; menyimpan energi untuk utilitas jaringan listrik; dan untuk menggerakkan kursi roda, mesin pengangkat barang, mobil golf, dan skuter dan sepeda listrik.

Setiap sel baterai asam timbal mengandung anoda timbal murni seperti spon dan katoda timbal oksida. Mereka direndam, dengan sebuah pemisah, didalam wadah plastik yang diisi dengan elektrolit yang dibuat dari asam sulfat dan air. Selama pemakaian, ion sulfat berpindah ke anoda dan bereaksi dengan timbal membentuk timbal sulfat. Elektron yang dihasilkan dalam proses ini mengalir keluar untuk menyediakan arus listrik. Pada katoda, timbal oksida bereaksi dengan elektrolit membentuk air dan timbal sulfat. Proses kemudian dibalik untuk pengisian ulang. Baterai asam timbal menderita masa hidup terbatas, sekitar 200-300 siklus pengisian dan waktu pengisian lama sampai berjam-jam. Penyebabnya adalah endapan timbal sulfat pada anoda.

Baterai dapat diisi ulang berikutnya adalah nikel kadmium (NiCd) yang ditemukan pada tahun 1899 oleh ilmuwan Swedia, Wildemar Junger, dengan merendam elektroda nikel dan kadmium dalam larutan kalium hidroksida. Ini adalah basis dari baterai alkaline yang berkembang sampai sekarang. Nikel kadmium adalah salah satu baterai yang paling tangguh dan paling tahan lama, mampu bertahan pada suhu sangat tinggi dan baru habis untuk lebih dari 1000 siklus dengan sangat sedikit kehilangan kapasitas penyimpanan energinya. Pemakaian kadmium yang beracun menjadi penyebab jatuhnya baterai ini dimana peraturan lingkungan membatasi penjualan baterai NiCd untuk sebagian besar aplikasi. Tetapi baterai ini masih menjadi pilihan untuk pesawat terbang dan kereta api dimana mereka menyediakan daya cadangan darurat.

Sebagai penggantinya adalah nikel-logam-hidrida (nickel-metal-hydride; NiMH) yang mulai komersial pertama tahun 1989. NiMH menjadi pilihan untuk elektronika jinjing pada tahun 1990an sampai diambil alih oleh baterai Li-ion. Toyota mengambil baterai NiMH untuk Prius dan sekarang hampir semua mobil hibrida menggunakan baterai ini. General Motor juga menggunakan baterai ini untuk generasi mobil listrik berikutnya, EV1, yang diluncurkan pada 1996. Baterai AA dan AAA dapat diisi ulang yang dibuat oleh Energizer, Duracell dan perusahaan lain juga hidrida logam nikel. Akan tetapi, NiMH memiliki andil kecil dalam pasar baterai pada 3%, dan terus turun.

Litium adalah logam yang ideal untuk baterai. Litium adalah unsur logam teringan dan memiliki elektron terluar energi tinggi yang dapat dengan mudah mengambil bagian dalam reaksi kimia. Litium telah menghasilkan baterai yang lebih kecil dan lebih ringan daripada baterai asam timbal dan baterai berbasis nikel sementara menghasilkan daya yang sama dan dengan pemakaian lebih lama. Baterai saat ini berlaga dengan densitas energi yang tinggi sekitar 250 Wh/kg. Baterai Li-ion dapat diisi ulang lebih banyak kali daripada baterai lain pada 500-1000 siklus. Plus, mereka tidak mengandung bahan beracun. Harga baterai ini telah berhasil diturunkan dari USD 1000/kWh pada 2009 menjadi kira-kira USD 200/kWh saat ini dan diramalkan menjadi USD 100/kWh sebelum 2025. Katoda baterai Li-ion adalah logam oksida dan ada banyak jenis yang berbeda, tetapi semuanya mengandung litium bersama dengan campuran logam lain. Anoda yang digunakan terbuat dari grafit, tetapi sekarang sedang dikembangkakn anoda berbasis logam seperti yang digunakan dalam generasi awal baterai Li-ion. Elektrolit yang digunakan adalah garam litium yang dilarutkan dalam pelarut organik.

Teknologi generasi berikutnya

Baterai Li-ion telah diperbaiki terus menerus selama 30 tahun dan telah menggantikan teknologi baterai lain sebagai hasilnya. Tetapi densitas energi teknologi ini telah mencapai batas fundamentalnya dan peningkatan berjalan lambat. Perlombaan untuk membangun baterai revolusioner sedang memanas. Beberapa teknologi yang sedang berusaha untuk menggantikan teknologi baterai Li-ion meliputi: litium-logam, litium keadaan padat, litium-sulfur dan logam-udara.

Teknologi baterai litium-logam menukar anoda grafit dalam baterai Li-ion konvensional dengan logam litium murni. Baterai keadaan padat secara luas dipandang menjadi terobosan besar berikutnya untuk teknologi baterai. Baterai keadaan padat mengganti elektrolit cair mudah menguap dengan elektrolit padat. Selain tidak mudah terbakar, elektrolit padat juga menghalangi terbentuknya dendrit yang mengijinkan pemakaian elektroda logam litium. Baterai litium-sulfur sangat berbeda dengan Li-ion konvensional. Disini, ion litium dalam elektrolit yang dalam Li-ion tidak bereaksi, dibuat menjadi bereaksi dan membentuk senyawa kimia. Baterai logam-udara dapat, dalam teori, menyimpan secara signifikan lebih banyak energi daripada Li-ion. Baterai ini memiliki anoda logam dan katoda terbuat dari oksigen murni yang diinfus melalui penyangga karbon berpori-pori. Banyak logam yang berbeda telah diselidiki untuk potensi pemakaian: alumunium, litium, sodium, timah, dan seng. Litium-udara secara teoritis menyimpan 13.000 Wh/kg, pas dengan densitas energi bensin.

Kesimpulan

Ketergantungan pada perangkat dengan daya baterai membawa frustasi harian, HP yang baterainya terlalu cepat habis, atau kecemasan jarak jauh, takut tidak mencapai stasion pengisian mobil berikutnya sebelum baterai habis. Tetapi baterai dapat diisi ulang telah membuat lompatan dan berjilid sejak mereka pertama kali ditemukan. Ahli kimia, insinyur, dan ilmuwan bahan terus mengejar teknologi baterai yang lebih baik. Kemajuan ini menawarkan harapan bahwa baterai akan lebih berdayaguna, berumur panjang, ringan, dan murah. (hs)

Terobosan baru teknologi penangkapan karbon skala industri

Dalam terbitan 1 Juli 2019, majalah Chemical Engineering melaporkan peluncuran proyek terobosan baru teknologi penangkapan karbon skala industri. Proyek ini merupakan proyek konsorsium 11 perusahaan Eropa termasuk ArcelorMittal, Axens, IFP Energies nouvelles (IFPEN) dan Total. Proyek yang diluncurkan satu bulan lalu ini bertujuan untuk mendemonstrasikan proses inovatif yang disebut DMX untuk menangkap CO2 dari kegiatan industri. Proyek ini adalah bagian dari penelitian komprehensif yang didedikasikan untuk pengembangan European Dunkirk North Sea Capture and Storage Cluster di masa depan.

Proyek 3D (Demonstrasi DMX di Dunkirk) adalah bagian dari Horizon 2020, program penelitian dan inovasi Uni Eropa, dengan total dana EUR 19,3 juta untuk jangka waktu 4 tahun. Pabrik skala pilot akan dibangun mulai tahun 2020 di pabrik ArcelorMittal steelworks di Dunkirk dan akan mampu menangkap 0,5 m.t./jam CO2 dari gas pembuatan baja sebelum 2021. Pabrik pilot akan menggunakan proses DMX yang sudah dipatenkan, tangkai dari penelitian IFPEN dan akan dilisensi oleh Axens.

Proses DMX (flowsheet) didasarkan pada pelarut amina khusus yang memisah menjadi dua fasa cair untuk beban CO2 atau kondisi suhu tertentu, salah satunya memiliki beban CO2 tinggi. Dengan memisahkan kedua fasa di dekanter memungkinkan untuk mengurangi massa pelarut yang harus diregenerasi. Ini mengurangi energi untuk menangkap hampir 35% dibandingkan proses acuan monoetilamina (MEA) konvensional. Selain itu, menggunakan panas yang dihasilkan oleh pabrik akan memangkas biaya penangkapan separonya, menjadi kurang dari EUR 30/m.t. CO2. (hs)

Fasilitas regenerasi asam sulfat bekas hibrida sulfur-pembakaran

Oleh: Heru Setyawan

Salah satu yang disorot oleh majalah Chemical Engineering yang terbit hari ini (Kamis, 4 Juli 2019) adalah mengenai pengumuman Gubernur Lousiana dan Presiden dan CEO Veolia North America yang akan mengembangkan pabrik regenerasinya di Darrow, Louisiana. Dikenal sebagai fasilitas Burnside, pabrik Veolia mengubah asam sulfat bekas menjadi asam sulfat baru mutu komersial, dan memproduksi produk berbasis sulfur untuk industri pengilangan minyak dan yang lain.

Pabrik regenerasi asam sulfat.

Dengan memasang peralatan baru dan meningkatkan peralatan lama, Veolia akan mampu meningkatkan kapasitas regenerasi asam sulfat sebesar 15% di fasilitas tersebut. Pengilangan minyak menggunakan asam sulfat sebagai katalis dalam unit alkilasi untuk menghasiilkan bensin dengan nilai oktan tinggi. Proses lain yang menggunakan asam sulfat sebagai katalis adalah nitrasi untuk menghasilkan bahan peledak dan pestisida, dan proses akrilonitril dan metil metakrilat.

Regenerasi asam sulfat, apapun umpannya, pada dasarnya mempertimbangkan pengotor organik dan anorganik, neraca air keseluruhan, dan spesifikasi produk yang diinginkan (Digital Refining). Pabrik regenerasi asam sulfat bisa dirancang untuk menghasilkan asam sulfat baru mutu komersial dengan konsentrasi 93% asam sampai 40% oleum, dengan 99,2% H2SO4 untuk pemakaian alkilasi. Perancangan pabrik regenerasi asam sulfat meliputi empat seksi proses: peruraian termal, pembersihan gas, konversi dan absorpsi. Rekoveri panas dari peruraian termal, konversi eksothermis dan reaksi absorpsi biasanya dalam bentuk kukus lewat jenuh tekanan tinggi, yang dioptimasi berdasarkan kebutuhan lapangan dan ekonomi. Energi termal juga bisa diambil kembali sebagai air panas untuk pemanas ruang atau alat penukar panas proses-ke-proses dimana memungkinkan.

Seksi peruraian panas terdiri atas pembakar bahan bakar dan atomisasi asam bekas ke dalam tanur peruraian berlapis batu tahan api besar. Disini, asam diuapkan dan terurai menjadi SO2, H2O dan O2 pada suhu mendekati 1000 oC. Untuk memaksimalkan hasil SO2, pembakaran diatur pada jumlah yang sangat mendekati stoichiometri bahan bakar dan udara. Gas alam, gas kilang atau minyak bakar ringan paling sering digunakan sebagai bahan bakar, tetapi minyak berat bisa juga digunakan dengan beberapa tambahan pengendalian dan isu pemisahan abu. Jika nisbah bahan bakar terhadap oksigen tidak dikendalikan dengan baik, akan dihasilkan sulfur dalam bentuk unsur yang akan memadat dalam sistem pembersihan gas. Jika ini terjadi, akan terjadi penyumbatan dan mungkin pabrik harus dihentikan untuk dibersihkan.

Seksi pembersihan gas dari pabrik melayani dua fungsi: memisahkan abu atau pengotor padat dari gas dan mengurangi kadar uap air untuk mengijinkan produksi konsentrasi asam yang diinginkan. Biasanya empat atau lima unit yang berbeda digabung seri untuk seksi ini dalam pabrik regenerasi asam sulfat. Unit pertama adalah scrubber adiabatik menggunakan asam lemah sampai jenuh dan menurunkan suhu gas dari kira-kira 300 oC menjadi 80 oC bersamaan dengan pemisahan sebagian padatan. Menara semprot terbuka, venturi scrubber atau kontaktor buih biasa digunakan sebagai scrubber primer.

Pendinginan gas dengan kondensasi uap air berlebih disempurnakan dalam unit kedua, yang bisa kontak langsung atau tidak langsung menggunakan air menara pendingin sebagai pembuang panas. Unit ketiga biasanya disebut scrubber akhir atau pemoles, yang diperlukan untuk menangkap lebih lanjut partikel debu/abu yang telah teraglomerasi di alat pembersih gas hulu dan/atau pengotor seperti khlorida atau fluorida. Unit pembersih gas akhir diperlukan untuk menangkap semua partikel debu/abu dan kabut asam yang terbentuk dari hidrasi sejumlah kecil SO3 yang tidak terurai. Jika partikel debu dan abu larut dalam asam sulfat lemah (mis.: garam besi), penghilang kabut unggun serat dapat digunakan. Kelarutan dalam asam sulfat lemah adalah hal yang lumrah untuk sebagian besar asam bekas dari proses pengilangan dan nitrasi. Jika debu dan abu tidak larut dalam asam lemah, dibutuhkan presipitator kabut elektrostatik.

Gas yang membawa SO2 kemudian dikeringkan dengan mengkontakkan dengan H2SO4 93-96% dalam menara asam unggun diam atau menara pengering. Unit ini mirip dengan perancangan dan operasi sistem absorpsi SO3 lain.

Konversi SO2 menjadi SO3 dilakukan dalam reaktor unggun diam multi-tahap, yang mengandung beberapa tahap katalis vanadium pentoksida. Reaksi diawali dengan pemanaasan awal SO2 dan O2 yang yang terkandung dalam gas proses sampai sekitar 400 oC sebelum tahap katalis pertama.