4. Perpindahan panas dan massa konvektif

Balik ke – 3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

Perpindahan panas dan massa dalam fluida hampir selalu terjadi secara serempak dengan gerakan fluida besarnya. Konveksi ada dua jenis, yaitu: konveksi alami dan konveksi paksa.

Konveksi alami (atau bebas): gerakan disebabkan oleh perpindahan panas dan massa itu sendiri, biasanya oleh beda densitas. Sebagai contoh, pandang air di dalam panci yang dipanaskan di atas kompor. Air yang bersentuhan dengan permukaan bawah panci yang terkena api menjadi panas lebih dulu, kemudian memuai dan densitasnya menjadi turun. Air panas ini kemudian bergerak ke atas dan digantikan oleh air yang lebih dingin, lebih berat. ‘Arus konveksi’ berputar alami terus menggerakkan air, sepanjang ada beda suhu pada air di dalam panci. Jenis yang sama dari arus yang digerakkan densitas akan terjadi dan teramati dalam secangkir teh yang tidak diaduk dimana sesendok gula ditambahkan.

Konveksi paksa: Gerakan (aliran) fluida disebabkan oleh faktor yang tidak tergantung perpindahan. Pandang air yang direbus di dalam panci atau cangkir teh seperti di atas, kali ini dengan mengaduk air dengan sendok. Panas atau gula, selain berpindah karena beda densitas atau konsentrasi, juga karena aliran air yang disebabkan pengadukan.

Berlawanan dengan konduksi, laju perpindahan panas dan massa konveksi amat sangat sulit untuk diperkirakan secara analitik, khususnya dalam kasus aliran turbulent. Salah satu model sederhana yang paling umum digunakan dalam perpindahan konvektif antara permukaan dan fluida yang sedang bergerak adalah model lapisan tipis batas. Lapisan batas ini selalu dalam keadaan laminar meskipun aliran besarnya turbulent.

Koefisien perpindahan panas dan massa lapisan batas

Pandang perpindahan panas dari permukaan batas (mis.: dinding) pada suhu T1 ke fluida dalam aliran turbulent yang bersentuhan dengannya (Gambar 1). Berdasarkan teori lapisan tipis:

  1. Ada lapisan tipis fluida diam yang bersentuhan dengan dinding (suhu T1) yang tebalnya ‘delta’.
  2. Fluida besar diluar lapisan tipis bercampur sempurna oleh aliran turbulent, yang suhunya adalah T2, berbeda dengan suhu dinding T1.

(Catatan: Sejauh yang dibahas adalah perpindahan panas, lapisan tipis laminar juga akan diperlakukan sebagai fluida diam karena tidak ada gerakan fluida ke arah aliran panas.)

Laju perpindahan panas adalah:

(1)

Gambar 1. Lapisan batas dalam konveksi turbulent.

Pembagian fluida menjadi lapisan tipis diam dan aliran fluida besar turbulent tentu saja murni model teoritis dan tidak nyata. Dengan demikian, tebal ‘delta’ lebih merupakan simbol daripada nilai fisik yang dapat diukur. Koefisien perpindahan panas konvektif h didefinisikan sebagai:

(2)

Maka laju perpindahan panas oleh konveksi dinyatakan dengan persamaan berikut:

(3)

Koefisien perpindahan panas h adalah simbol dasar dalam perpindahan panas. Satuan SI nya adalah W/m^2.K. Koefisien ini ditentukan dari percobaan dan nilainya tergantung pada sifat fluida (panas jenis, vikskositas, densitas dan konduktivitas panas), turbulensi (kecepatan rata-rata) dan geometri dari sistem. Parameter-parameter tersebut lebih mudah bila dikelompokkan dalam bilangan tak berdimensi. Bilangan tak berdimensi yang dipakai dalam perpindahan panas adalah:

Bilangan Reynolds

Bilangan Nusselt

Bilangan Prandtl

Bilangan Grashof

d adalah ukuran linier (diameter, panjang, tinggi, dll.) yang mencirikan geometri sistem. Catat bahwa bilangan Prandtl hanya mengandung sifat fluida. Bilangan Grashof berhubungan dengan konveksi alami.

Beberapa nilai h untuk pemakaian yang berbeda diberikan dalam Tabel 1.

Hubungan percobaan untuk perhitungan h biasanya dinyatakan dalam bentuk umum bilangan Nusselt sebagai fungsi dari bilangan Reynolds, Parndtl, Grashof atau lainnya sebagai berikut:

Koefisien perpindahan massa konvektif km didefinisikan dengan cara yang sama seperti koefisien perpindahan panas konvektif sebagai:

(4)

Jika gaya penggerak untuk perpindahan massa dinyatakan dalam istilah beda konsentrasi, maka flux keadaan tunak ditulis sebagai:

(5)

Satuan SI dari kc adalah m/s.

Dalam hal perpindahan massa dalam gas, gaya penggerak biasanya diberikan diberikan dalam istilah beda tekanan parsial komponen yang berpindah daripada konsentrasi. Koefisien perpindahan massa kemudian diberi indeks sebagai kg. Maka flux adalah:

(6)

Satuan SI dari kg adalah kg.m^-2.s^-1.Pa^-1.

Dua kelompok tak bersatuan lainnya bermanfaat dalam perhitungan perpindahan massa:

Bilangan Sherwood

Bilangan Schmidt

Seperti halnya bilangan Prandtl, bilangan Schmidt hanya mengandung sifat fluida. Bilangan Sherwood mengandung koefisien perpindahan, sama halnya seperti bilangan Nusselt dalam perpindahan panas.

Persamaan empiris untuk perpindahan panas dan massa konvektif

Seperti diuraikan di atas, koefisien perpindahan panas dan massa konvektif dipengaruhi oleh, selain sifat fluida, juga geometri dari sistem. Dalam praktek, sistem seringkali melibatkan geometri yang kompleks dan tidak beraturan. Oleh sebab itu, hubungan antara koefisien perpindahan dengan sifat bahan dan kondisi operasi biasanya dinyatakan menggunakan korelasi empiris atau semi-empiris. Korelasi tersebut bisa dinyatakan dalam bentuk grafik, tabel atau persamaan korelasi. Beberapa di antaranya yang paling umum digunakan akan diuraikan di sini.

Untuk konveksi alami, yang intinya berdasarkan pada densitas, yang dari sini muai panas fluida, korelasi mengandung bilangan Grashof. Pada aplikasi rekayasa, perpindahan panas oleh konveksi alami khususnya penting untuk perhitungan kehilangan panas atau kebocoran panas dari permukaan bangunan, peralatan, bejana, dll. Korelasi berikut sering disarankan untuk perhitungan perpindahan konveksi alami dari permukaan tegak:

(7)

Dalam hal ini ukuran linier d dalam kedua kelompok tak bersatuan adalah tinggi permukaan.

Untuk bola yang terendam dalam fluida, bisa digunakan persamaan berikut:

(7)

Perlu diingat bahwa persamaan empiris seperti di atas hanya berlaku untuk geometri dan himpunan kondisi operasi tertentu (mis.: rentang Re dan/atau Nu tertentu). Karena bersifat pendekatan, derajat ketepatan persamaan empiris seringkali ditetapkan berdasarkan sumber yang mengusulkan korelasi tersebut. Dalam bentuk umum, persamaan perpindahan panas empiris biasanya juga berlaku untuk perpindahan massa (dan sebaliknya), dengan diberikan bahwa kelompok tak berdimensi diganti dengan mitranya yang sesuai (Nu dengan Sh, Pr dengan Sc, dst.).

Lanjut ke – 5. Perpindahan massa antar fasa keadaan tunak

3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

Balik ke – 2. Perpindahan panas dan massa konduktif

Konduktivitas panas dan difusivitas panas

Konduktivitas panas adalah sifat bahan. Sifat ini berubah dengan suhu dan sangat tergantung pada tekanan dalam hal gas. Dalam sistem SI, satuannya adalah W/m.K. Dalam rentang suhu yang sempit, ketergantungan suhu terhadap konduktivitas panas k dapat didekati dengan persamaan linier

dimana k0 dan a adalah tetapan dan T adalah suhu. Pendekatan linier tersebut berlaku dengan syarat tidak terjadi perubahan fase pada bahan.

Difusivitas panas ‘alfa’ adalah konsep yang berguna dalam analisis perpindahan panas. Besaran ini didefinisikan sebagai nisbah konduktivitas panas terhadap ‘kapasitas panas volumetrik’ dari bahan. Kapasitas panas volumetrik diperoleh dengan mengalikan kapasitas panas massa (Cp) dengan densitas (‘rho’).

(1)

Seacara fisik, difusivitas panas dapat diterjemahkan sebagai nisbah dari kemampuan bahan untuk memindahkan panas terhadap kapasitasnya untuk menyimpan panas. Satuan SI untuk difusivitas panas adalah m^2/s.

Nilai mewakili pendekatan konduktivitas panas dan difusivitas panas beberapa bahan disajikan pada Tabel 1. Salah satu metode yang diusulkan untuk evaluasi konduktivitas panas bahan dari komposisinya diilustrasikan pada Contoh 1.

Contoh 1. Berdasarkan pada data percobaan, Sweat (1986) menyarankan persamaan berikut untuk perhitungan konduktivitas panas makanan

Sweat (1986), Thermal properties of foods. In Engineering Properties of Foods (Rao, M.A. and Rizvi, S.S.H., eds). Marcel Dekker, New York.

dimana X mewakili fraksi massa, c = karbohidrat, p = protein, f = lemak, a = abu, w = air.

Hitung konduktivitas panas roti daging yang mengandung 21% protein, 12% lemak, 10% karbohidrat, 1,5% abu dan 55,5% air.

Penyelesaian:

Difusivitas (massa) molekuler, koefisien difusi

Koefisien difusi D dalam hukum Fick tergantung pada spesies molekul yang berdifusi, media dimana molekul berdifusi dan suhu. Dalam sistem SI koefisien difusi dinyatakan dalam satuan m^2/s, sama seperti difusivitas panas.

Difusivitas gas dapat diperkirakan dengan cukup akurat, dengan bantuan teori kinetika gas. Difusivitas dalam campuran biner pada suhu ruang dan tekanan atmosfir adalah pada tingkat 10^-5 sampai 10^-4 m^2/s.

Beberapa model telah diusulkan untuk memperkirakan difusivitas dalam cairan. Salah satu yang paling dikenal adalah persamaan Einstein-Stokes untuk difusivitas Brownian zat terlarut. Menurut model ini difusivitas zat terlarut dengan jejari r (dianggap berbentuk bola) dalam cairan yang viskositasnya ‘miu’ diberikan oleh:

(2)

kB adalah tetapan Boltzman (1,38 x 10^-23 J/K), r adalah jejari partikel dan T adalah suhu absolut. Difusivitas zat terlarut dalam air pada suhu ruang berkisar dari 10^-9 untuk molekul kecil sampai 10^-11 untuk molekul besar (mis.: protein). Difusivitas beberapa senyawa dalam udara dan air diberikan dalam Tabel 2.

Difusi dalam padatan sebenarnya adalah amat sangat kecil. Dalam kristal dan logam, perpindahan molekuler terutama terjadi melalui cacat (lubang) kisi kristal, melalui proses ‘lompatan tunggal’. Koefisien difusi ion kecil dalam gelas padat mungkin bisa serendah 10^-25 m^2/s. Dalam padatan berpori, perpindahan massa besar terjadi melalui gas atau cairan yang mengisi pori-pori dan tidak melalui matriks padatan. Difusivitas efektifDef’ dihubungkan dengan difusivitas D melalui media dalam pori-pori sebagai berikut:

(3)

‘epsilon’ (tak bersatuan) adalah porositas, yakni: fraksi volume rongga padatan berpori dan ‘tau’ (tak bersatuan) adalah faktor liku-liku, sebagai akibat lintasan berliku-liku molekul yang berdifusi melalui porositas padatan.

Lanjut ke – 4. Perpindahan panas dan massa konvektif

2. Perpindahan panas dan massa konduktif

Balik ke – 1. Analogi Proses Perpindahan Momentum, Panas dan Massa

Perpindahan panas terjadi melalui tiga mekanisme dasar: konduksi, konveksi dan radiasi. Dalam praktek, lebih daripada satu mekanisme mungkin terlibat dalam proses perpindahan.

  • Konduksi merujuk kepada perpindahan panas melalui media diam. Perpindahan massa yang setara dengan konduksi (perpindahan massa konduktif) adalah difusi molekuler melalui media diam.
  • Konveksi terjadi ketika panas berpindah bersama-sama dengan fluida yang sedang bergerak. Pada perpindahan massa, konveksi (perpindahan massa konvektif) merujuk kepada keadaan dimana difusi molekuler terjadi secara serempak dengan aliran besarnya.
  • Radiasi adalah perpindahan panas dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Tidak seperti dua mekanisme terdahulu, perpindahan panas radiatif tidak memerlukan keberadaan media bahan antara dua titik.

Dalam media tanpa ada gerakan internal (mis.: padatan), panas berpindah oleh konduksi dan massa oleh difusi molekuler. Perpindahan ini diatur oleh hukum Fourier dan hukum Fick (lihat disini).

Untuk perpindahan panas:

(1)

Untuk perpindahan massa:

(2)

Dalam persamaan (1) dan (2), qz dan JA adalah flux panas (W/m^2.K) dan massa (mol/m^2.s) ke arah z, k adalah konduktivitas panas media (W/m.K), T adalah suhu (K), DAB adalah difusivitas (koefisien difusi) molekul A dalam media B (m^2/s) dan CA adalah konsentrasi A (mol/m^3). Tanda minus sebelum gradien pada kedua persamaan tersebut bertindak untuk menunjukkan bahwa panas mengalir ke arah penurunan suhu dan massa berpindah ke arah penurunan konsentrasi.

Pada keadaan tunak, semua sifat yang mendefinisikan keadaan sistem (suhu, tekanan, komposisi kimia, dll.) tetap tidak berubah dengan waktu. Mereka mungkin saja bervariasi dengan lokasi dalam sistem. Ingat bahwa pada keadaan tunak, suhu dan konsentrasi hanya tergantung pada lokasi (z), sehingga persamaan (1) dan (2) di atas ditulis sebagai persamaan diferensial biasa.

Kondisi batas untuk integrasi persamaan (1) dan (2) adalah:

Dengan menganggap bahwa konduktivitas panas k tidak banyak berubah dengan suhu dan bahwa difusivitas tidak tergantung konsentrasi, integrasi memberikan:

(3)

(4)

Contoh 1. Hitung laju perpindahan panas melalui dinding beton (3 x 4) m. Salah satu muka dinding yang tebalnya 0,2 m adalah pada 22 oC dan muka yang lain pada 35 oC. Konduktivitas panas beton adalah 1,1 W/m.K.

Penyelesaian:

Dengan menganggap keadaan tunak dan persamaan (3) berlaku

Contoh 2. Difusivitas uap aroma mudah menguap dalam udara diukur dengan prosedur sederhana, yang dikenal dengan metode Winkelman. Cairan mudah menguap ditaruh dalam bejana yang dihubungkan dengan tabung, melalui mana aliran udara dilewatkan (Gambar 1). Aliran udara cukup besar untuk membawa pergi uap secara sempurna dari zona penghubung antara bejana dan tabung. Jarak z dari penghubung ke permukaan cairan diukur sebagai fungsi waktu.

Dalam uji dengan aroma mudah menguap pada 25 oC dengan z mula-mula (t = 0) 30 mm, setelah 6 jam jarak z berubah menjadi 95 mm. Berapakah difusivitas uap aroma dalam udara?

(Data: berat molekul aroma = 110 g/mol; densitas cairan aroma = 940 kg/m^3; tekanan uap aroma pada 25 oC = 34 mm Hg; tekanan atmosfir = 100 kPa).

Penyelesaian:

Metode didasarkan pada pengetahuan bahwa konsentrasi uap dalam udara adalah nol pada bidang 2 dan jenuh pada bidang 1. Keduanya adalah tidak berubah dengan waktu sehingga persamaan keadaan tunak dapat digunakan, walaupun sistem tidak benar-benar dalam keadaan tunak (z berubah dengan waktu).

Tetapi CA2 = 0 sehingga:

Integralkan memberikan

Konsentrasi jenuh dalam udara (kg/m^3) dapat dengan mudah dicari dari data tekanan uap.

Lanjut ke – 3. Konduktivitas panas, difusivitas panas dan difusivitas molekuler

1. Analogi proses perpindahan momentum, panas dan massa

Analogi adalah alat yang berguna untuk membantu memahami peristiwa perpindahan dan bisa menjadi cara yang baik untuk meramalkan perilaku sistem pada saat data kuantitif yang tersedia terbatas. Karena konsentrasi dan suhu adalah besaran skalar, analogi antara perpindahan massa dan panas lebih absah daripada analogi dengan momentum.

Semua fenomena perpindahan (aliran fluida, perpindahan panas dan massa) adalah akibat dari kurangnya kesetimbangan antar bagian dari sistem. Pada dasarnya, mereka semua mengikuti hukum universal, serupa dengan hukum Ohm yang sudah sangat dikenal, yang dapat dinyatakan, dalam istilah umum, sebagai berikut: Laju perpindahan (dengan kata lain, besaran yang dipindahkan per satuan waktu) berbanding lurus dengan gaya penggerak dan berbanding terbalik dengan tahanan (hambatan) dari media untuk perpindahan. Secara matematika hukum perpindahan umum dapat dapat dituliskan sebagai:

(1)

Persamaan di atas menunjukkan bahwa dibutuhkan gaya penggerak untuk mengatasi tahanan/hambatan agar momentum, panas dan massa, atau besaran lain, dapat berpindah. Gaya penggerak selalu merupakan sebuah gradien, yang mewakili penyimpangan dari kesetimbangan: gradien suhu dalam hal perpindahan panas, gradien konsentrasi dalam hal perpindahan massa dan gradien tekanan (tegangan geser) dalam hal aliran fluida. Dengan definisi, pada kesetimbangan gaya penggerak sama dengan nol.

Kadang-kadang lebih mudah mengurai gagasan kompleks dari tahanan ke komponen fisiknya. Jadi, karena perpindahan secara akal dapat diharapkan berbanding lurus dengan luas A yang tersedia untuk perpindahan, seringkali lazim berurusan dengan laju perpindahan per satuan luas. Dimensi ini dikenal sebagai flux. Dalam istilah flux, semua tiga persamaan perpindahan molekuler (momentum, panas dan massa) secara matematika adalah identik, dan berturut-turut dapat ditulis sebagai:

(2) (3) (4)

Persamaan (2), (3) dan (4) berturut-turut adalah hukum Newton, Fourier dan Fick, yang menggambarkan, berturut-turut, perpindahan momentum, panas dan massa molekuler. Ruas kiri dari tiga persamaan di atas adalah flux yang berbanding lurus dengan gradien properti dengan konstanta pembanding difusivitas. Besaran analog dalam proses perpindahan dirangkum dalam tabel di bawah.

Lanjut ke – 2. Mekanisme Perpindahan Panas dan Massa

Peluang nanoteknologi dalam pertanian

Oleh: Heru Setyawan

Dalam kaji ulang yang diterbitkan di Nano Today (Vol. 10, hal. 124-127, 2015), Parisi dkk. dari Institute for Prospective Technology Studies, Spanyol mengulas tetang peluang nanoteknologi dalam pertanian. Menurut mereka tantangan saat ini mengenai keberlanjutan keamanan pangan dan perubahan musim telah mendorong peneliti untuk  mengeksplorasi bidang nanoteknologi sebagai sumber baru perbaikan kunci untuk sektor pertanian. Akan tetapi, sumbangan nyata masih belum pasti. Meskipun banyak keunggulan potesial nanoteknologi dan kecenderungan yang terus meningkat dalam publikasi ilmiah dan paten, aplikasi pertanian belum terwujud di pasar. Salah satu alasannya adalah bahwa nanoteknologi pertanian belum menunjukkan pengembalian ekononomi yang memadai untuk mengimbangi investasi produksi awal yang tinggi. Kemajuan nanoteknologi yang cepat pada industri kunci lain selama ini bisa dipakai untuk mempercepat aplikasi nanoteknologi pertanian, dan untuk menfasilitasi pengembangannya.

Sebelumnya, pertanian diuntungkan dari banyak inovasi teknologi berbeda, yang meliputi varitas hibrida, bahan kimia sintetis dan bioteknologi. Sumber perbaikan pertanian saat ini mulai dicari dalam nanoteknologi. Sementara industri makanan dapat dilihat dengan jelas mengambil keuntungan dari nanoteknologi (khususnya untuk pemrosesan makanan, distribusi, pengemasan dan makanan fungsional), sumbangan nyata sektor pertanian masih belum pasti.

Produk inovatif agro-nanoteknologi mengalami kendala dalam mencapai pasar, yang membuat pertanian masih sektor pinggiran untuk nanoteknologi. Namun demikian, bentang R&D sangat menjanjikan dan peluang yang ditawarkan oleh nanoteknologi dalam beberapa aplikasi pertanian sedang aktif dieksplorasi. Nanoteknologi sedang maju dengan sangat cepat dalam bidang lain. Pengetahuan yang diperoleh dalam sektor lain yang sedang muncul, mis.: energi dan kemasan, mungkin bisa dipindahkan, atau memberikan kelebihan kepada aplikasi pertanian juga. Sebagai contoh, aditif peningkatan bahan bakar dan pelumas juga dapat digunakan untuk memperbaiki kinerja dan jejak karbon mesin pertanian dan peningkatan ukuran kemasan dapat menguntungkan petani dalam mengurangi degradasi produk sebelum konsumsi. Sementara itu kemajuan dalam teknik pemantauan dan pemberian obat dapat secara positif memengaruhi pertanian dan sektor peternakan secara tidak langsung.

Table 1 menyajikan aplikasi dalam nanoteknologi pertanian dan contoh aplikasi yang berhasil pada skala kecil atau tahap R&D.

Screen Shot 2018-10-13 at 08.52.42

Inovasi Teknologi Partikel untuk Menciptakan Produk yang Bermanfaat

 

Oleh: Heru Setyawan
Disampaikan pada orasi ilmiah pengukuhan guru besar pada tanggal 20 Januari 2010 di Grha Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya.

Teknologi Partikel Dalam Kehidupan

Barangkali tanpa kita sadari setiap hari kita berhubungan dengan produk-produk yang berupa partikel atau powder. Ibu-ibu dan para remaja putri tidak akan merasa cantik tanpa memakai kosmetik seperti bedak, lipstick dan pelembab. Produk kosmetik seperti itu melibatkan bahan partikulat atau emulsi yang membutuhkan kontrol dan pengukuran distribusi ukuran partikel. Dengan pengontrolan yang baik, foundation mampu menutup secara penuh kulit muka sedangkan bedak membantu fungsi foundation dengan memberikan penampakan khusus tambahan dengan memantulkan cahaya dalam warna-warna yang mejadikan kulit tampak cerah atau mendifusikan cahaya secara merata pada permukaan kulit. Selain meningkatkan penampakan, bedak muka juga dapat memberikan perlindungan terhadap sinar matahari dengan memasukkan komponen pemendar cahaya yang kuat seperti zinc oksida. Distribusi ukuran partikel komponen tersebut mempengaruhi penampakan, stabilitas dan perlindungan terhadap sinar matahari.

Gambar 0. Partikel dalam kehidupan.

Teknologi partikel telah berumur setua manusia. Sejak adanya pertanian, manusia telah memanen dan menyelep biji-bijian, menumbuknya menjadi tepung, menyeduhnya menjadi minuman dan memanggangnya menjadi roti. Pemakaian mineral di industri telah mulai sejak jaman batu dan perunggu dimana mineral digunakan dalam bentuk partikulat untuk menciptakan keramik dan memurnikan logam. Jaman pertengahan melihat munculnya industri farmasi dimana ramuan ditumbuk dan dicampur untuk penyembuhan penyakit. Sebagaimana halnya dengan teknologi lain, revolusi industri melahirkan ledakan kemajuan yang pesat dalam partikel, dari teknik penambangan maju sampai abrasif, alat potong, dan produksi masal produk kimia dan pertanian. Kemajuan ilmiah modern dalam cat dan pelapisan disandarkan sebagian besar pada kemampuan mengontrol dispersi dan perilaku pigment dan partikel lain dalam berbagai macam pelarut dasar. Bahan komposit muncul, bertepatan dengan munculnya industri polimer dan plastik, industri yang juga sangat bergantung pada katalis partikulat.

Saat ini, teknologi partikel berada pada titik kebangkitan barunya ketika potensi teknologi nano mulai terwujud. Perancangan dan manipulasi bahan pada skala nano dengan sifat alamiahnya melibatkan partikel sangat halus atau permukaan yang memiliki banyak atribut yang sama seperti sistem particulat. Sifat bahan tersebut dimanipulasi pada skala nano dan partikel tersusun dengan sendirinya kedalam struktur nano menghasilkan kristal fotonik, katalis skala nano, permukaan superhidrofobik, debu cerdas dan bahkan “mesin skala nano”. Partikel sedang menapaki kemajuan khusus dibidang perawatan kesehatan manusia dimana mereka digunakan untuk mendiagnosa penyakit, menyembuhkan kanker, memberikan obat dan menghambat ketuaan. Sains partikel sedang dikenali sebagai teknologi yang memungkinkan untuk membantu kita menciptakan sumber energi baru, membersihkan udara dan air, dan membangun bahan yang lebih kuat dan lebih ringan. Teknologi partikel bukan pada akhir pengembangannya, potensinya baru saja mulai.

Peran penting teknologi partikel sering terlewatkan dalam masyarakat. Pemurnian air, pengolahan limbah, udara bersih, pengawetan makanan, dan sejumlah besar produk industri semuanya merupakan hasil dari pemahaman yang sangat canggih tentang teknologi partikel. Sebagai contoh, air minum bersih membutuhkan filtrasi melalui unggun partikel, pemberian bahan kimia, dan pengolahan akhir dengan berbagai macam adsorbent seperti karbon aktif. Pengetahuan teknologi partikel bisa digunakan dalam industri minyak untuk merancang reaktor perengkahan katalitik yang menghasilkan bensin dari minyak bumi atau dapat digunakan dalam ilmu forensik untuk mengkaitkan terdakwa dengan tempat terjadinya perkara. Pengabaian teknologi partikel bisa mengakibatkan kerugian produksi, kualitas produk yang jelek, resiko terhadap kesehatan, ledakan debu atau ambruknya silo penyimpan.

Aktivitas Teknologi Partikel

Teknologi partikel dengan sifat alamiahnya berasal dari berbagai sumber keilmuan. Tidak ada seorangpun dari disiplin ilmu tertentu dapat mengklaim teknologi partikel sebagai bidang keilmuannya sendiri. Pemahaman fisika, kimia, rekayasa bahan, mesin dan banyak disiplin ilmu lain diperlukan untuk memahami dan mengontrol perilaku sistem partikel. Sebagai akibatnya, bidang ini sangat interdisipliner dengan ilmuwan semua tipe bekerja bersama-sama untuk menyelesaikan masalah kompleks. Sebagai contoh, nanopartikel yang bersifat magnet seperti magnetite dapat digunakan untuk terapi hyperthemia untuk penyembuhan kanker. Ilmuwan partikel, kimia, fisika, biologi molekuler, kedokteran, teknik kimia dan ilmuwan dari disiplin ilmu lain semuanya bekerja bersama-sama untuk merancang terapi tersebut dalam lingkungan fisiologi yang sangat kompleks.

Meskipun merupakan ilmu yang sangat interdisipliner, teknologi partikel telah muncul sebagai disiplin ilmu terpisah dengan karakteristik dan paradigma yang khas dalam menggambarkan, memodelkan dan mengendalikan fenomena yang melibatkan berbagai macam benda diskret (mis.: partikel padat yang meliputi nanopartikel, tetesan fluida dan gelembung udara) dan interaksinya dengan media (udara, air atau pelarut) pada medan gaya yang berbeda (shear, kompresi, aliran, magnet, dll.). Secara umum, partikel dapat didefinisikan sebagai besaran diskret kecil yang memiliki antarmuka dengan lingkungan disekitarnya, yang bisa berupa bahan padat dalam gas atau cairan, tetesan cairan dalam udara, gelembung dalam air atau emulsi. Tidak ada aturan yang mengatur seberapa besar suatu benda dikatakan partikel. Tetapi yang paling sering, benda yang didefinisikan sebagai partikel dalam teknologi partikel ukurannya berkisar dari satu nanometer sampai beberapa milimeter.

Melihat pentingnya bidang teknologi partikel, sejumlah pakar didunia mengambil inisiatif membentuk berbagai organisasi yang terkait dengan teknologi partikel dan menyelenggarakan berbagai forum ilmiah dan menerbitkan jurnal ilmiah untuk saling tukar pengetahuan yang saat ini dihasilkan dalam teknologi partikel dan menggabungkan pengetahuan ini untuk mengembangkan produk-produk baru dengan sifat terekayasa yang bermanfaat.

Salah satu organisasi yang memiliki jaringan global perusahaan dan akademik yang unik dengan program penelitian yang aktif dalam ilmu dan teknologi partikel adalah The International Fine Particle Research Institute (IFPRI) (www.ifpri.net). IFPRI adalah organisasi non-profit. Keanggotaannya mewakili beberapa industri manufaktur terbesar didunia: bahan kimia bulk dan specialty, farmasi, mineral, konstruksi, pelapisan, detergen dan makanan. Anggota industri bekerja bersama-sama dengan peneliti akademik diseluruh dunia dalam ilmu dan teknologi partikel dan bidang lain yang terkait. Dana dari anggota perusahaan digunakan untuk membiayai penelitian kelompok akademik diseluruh dunia. Sejak berdirinya pada tahun 1979, IFPRI telah mengeksplorasi sebagian besar rentang ilmu dan teknologi partikel yang meliputi pembentukan, modifikasi, pencampuran, dispersi, penanganan dan transport partikel. Partikel dapat berkisar dari nanometer sampai milimeter. Dispersi partikel dalam gas, cair dan pasta juga dipelajari.

Di Amerika, dibawah The American Institute of Chemical Engineers (AIChE) ada divisi yang membidangi teknologi partikel, yaitu: The Particle Technology Forum (PTF) (http://www.erpt.org/ptf/). PTF melayani sebagai forum internasional interdisipliner untuk mempromosikan pertukaran informasi, beasiswa, penelitian dan pendidikan dalam bidang teknologi partikel. PTF mensponsori sesi seminar tentang ilmu dan rekayasa yang terkait dengan semua tipe teknologi partikel pada sebagian besar pertemuan tahunan AIChE.

Di Jepang ada The Society of Powder Technology, Japan (SPTJ) yang memiliki agenda pertemuan ilmiah tahunan dalam bidang teknologi partikel. Atas insiatif SPTJ, diadakan seminar tiga tahunan The Asian Particle Technology (APT) Symposium yang pertama kali diselenggarakan di Bangkok, Thailand pada tahun 2000, diikuti dengan APT 2003 di Penang, Malaysia, APT 2007 di Beijing, China, dan APT 2009 di New Delhi, India.

Masih banyak lagi organisasi sejenis yang tersebar diseluruh dunia seperti Australasian Particle Technology Society (APTS), divisi dalam European Federation of Chemical Engineering, Chinese Society of Particuology, dan lain-lain. Organisasi-organisasi tersebut pada umumnya bertujuan mempromosikan hubungan, interaksi dan kerjasama antar semua organisasi yang bekerja dalam bidang teknologi partikel – termasuk penelitian akademik dan industri, organisasi pemerintah dan pabrik komersial. Mereka juga bertindak sebagai forum untuk menyebarkan informasi tentang kemajuan dalam penelitian partikel, mempromosikan minat anggota dan membantu mengorganisir pertemuan teknik/seminar. Bersama-sama mereka mengadakan World Congress on Particle Technology (WCPT) yang diselenggarakan setiap empat tahun, dan tahun ini (2010) merupakan yang ke-enam dan akan diselenggarakan pada bulan April di Nuremberg, Jerman.

Pada umumnya tema utama yang diusung pada pertemuan ilmiah dan penerbitan ilmiah yang terkait dengan teknologi partikel meliputi:

  • Produksi partikel (kristalisasi, atomisasi, aktivasi mekanis, sintesis dalam nyala aerosol, sol-gel dan reaktor mikroemulsi)
  • Communition (crushing, grinding, milling, attrition dan erosi)
  • Aglomerasi (granulasi, pelletisasi, briketing, tableting, sintering)
  • Penanganan bulk powder (penyimpanan, pengumpulan debu dan transportasi)
  • Pencampuran, aliran granular dan fluidisasi
  • Roasting, pembakaran dan reduksi smelting
  • Pemisahan padat-padat (pemisahan gravitasi, elektrostatik, magnetik dan flotasi)
  • Pemisahan padat-cair (filtrasi, pengeringan, pemisahan membran, thickening)
  • Pemrosesan koloid (dispersi, flokulasi dan rheology suspensi)
  • Pelapisan partikel dan modifikasi permukaan
  • Pengepakan dan konsolidasi partikel dalam kondisi kering/basah
  • Perancangan alat penanganan powder, emulsi dan aerosol
  • Pemodelan dan simulasi (CFD, DEM, population balance, molecular modeling, Monte Carlo)
  • Optimisasi proses dan pengendalian maju (pengukuran, otomasi dan sensor)

Contoh Pengembangan dan Aplikasi Teknologi Partikel

Teknik Pencegahan Kontaminasi Partikel dalam Plasma

Disini sebagai ilustrasi akan saya uraikan tentang proyek penelitian yang didanai oleh, pertama, Semiconductor Technology Academic Research Center (STARC), Jepang dan kemudian dilanjutkan Innovation Plaza Hiroshima, Japan Science and Technology Agency (JST), sebuah lembaga penelitian Pemerintah Jepang, yang melibatkan perguruan tinggi (Hiroshima University: Department of Chemical Engineering dan Research Center for Nanodevices and System) dan industri (ADTEC Plasma Technology CO., Ltd. dan Rion CO. Ltd), dimana saya menjadi bagian dari proyek ini sebagai peneliti JST. Proyek ini bertujuan untuk mengembangkan generator rf plasma baru, dan sistem pemantauan dan penghilangan partikel untuk mengurangi degradasi lapisan tipis karena kerusakan yang disebabkan plasma dan kontaminasi partikel. Tugas utama saya adalah mengevaluasi proses plasma untuk memprediksi perilaku partikel dalam plasma, baik secara eksperimen maupun teoritis, dan mengembangkan teknik penghilangan partikel dalam reaktor plasma.

Sebelum membahas lebih lanjut, ada baiknya mengetahui terlebih dahulu apa itu plasma dan bagaimana karakteristiknya. Plasma adalah gas yang terionisasi secara lemah yang terdiri atas kumpulan elektron, ion dan spesies atom dan molekul netral dimana jumlah pembawa muatan listrik negatif dan positif hampir sama. Ada sejumlah tipe plasma, alamiah atau buatan, yang terbentang dari bintang, angin dan korona matahari, dan ionosphere bumi sampai pada daerah arc bertekanan tinggi, tabung kejut, dan reaktor fusi. Tipe plasma berbeda terutama pada kerapatan elektron dan energi elektron rata-rata. Gambar 1 mengilustrasikan karakteristik sejumlah plasma buatan dan alam dalam istilah suhu elektron dan kerapatan. Daerah yang diarsir pada gambar tersebut merupakan daerah utama aplikasi plasma di industri.

Screen Shot 2018-07-24 at 11.17.36
Gambar 1. Tipikal plasma yang dicirikan oleh energi dan kerapatan elektron.

Proses plasma banyak digunakan dalam pemrosesan bahan elektronik, khususnya etching dan deposisi lapisan tipis. Dengan bantuan plasma proses dapat dilakukan pada suhu yang lebih rendah karena reaksi dipicu oleh tumbukan elektron yang memiliki energi sangat tinggi. Akan tetapi, proses plasma dikenal sebagai proses kotor karena kecenderungan plasma sendiri untuk menghasilkan partikel melalui nukleasi fasa gas.[1] Partikel yang dihasilkan dalam plasma bermuatan listrik negatif dan terperangkap disekitar batas plasma/sheath.[2,3] Kehadiran partikel dalam plasma memiliki pengaruh yang dapat diabaikan sepanjang mereka tidak terdeposisi pada lapisan. Akan tetapi, tanpa pengendalian yang tepat, mungkin sulit untuk menjamin bahwa partikel tidak terdeposisi pada lapisan. Kontaminasi partikel dapat terjadi pada saat operasi kontinyu atau pada akhir operasi ketika plasma dipadamkan.[2,4]

Untuk memahami perilaku partikel didalam reaktor plasma, partikel dalam reaktor divisualisasi dengan teknik perpendaran sinar laser (LLS) yang digabung dengan citra video.[5,6] Diagram skema susunan alat dan sistem pengukuran ditunjukkan pada Gambar 2. Visualisasi memberikan pandangan yang lebih baik tentang sifat alamiah perilaku partikel dan memberikan dasar untuk pengendalian kontaminasi. Dengan teknik tersebut ditemukan bahwa gerak partikel dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama: thermophoresis, laju alir gas, konsentrasi precursor, dan tekanan.[2,3,5,6]

Screen Shot 2018-07-24 at 11.21.02
Gambar 2. Diagram skema susunan alat dan sistem pengukuran.

Partikel yang terbentuk dalam plasma terletak pada batas sheath didekat elektroda dan terutama tumbuh didaerah tersebut dengan ukuran yang berkisar dari 50 sampai 210 nm dan konsentrasi partikel berkisar dari 106 sampai 107/cm3.[3,6] Ukuran dan konsentrasi partikel tergantung pada konsentrasi precursor dan tekanan reaktor. Partikel yang terbentuk didapatkan mempengaruhi morfologi permukaan lapisan tipis, khususnya pada kondisi konsentrasi partikel yang tinggi.

Partikel yang terperangkap dibawah showerhead terletak dalam awan terstruktur yang terlokasir pada daerah diskret diantara lubang showerhead (Gambar 3). Ada daerah bebas partikel tepat dibawah lubang dan disekelilingnya pada jari-jari tertentu. Tiga mode perilaku partikel teramati dengan merubah laju alir, daya rf dan ukuran partikel, yakni: lumping, winding dan escaping. Mode perangkap partikel tampaknya mempengaruhi kontaminasi partikel dengan tingkat kontaminasi minimum terjadi pada mode winding.[2]

Screen Shot 2018-07-24 at 11.24.52
Gambar 3. Mode perangkap partikel: (a) Lumping, (b) Winding, (c) Tempat awan.

Berdasarkan pengamatan perilaku partikel didalam plasma sebagaimana diuraikan diatas, dikembangkan dua metoda untuk pengendalian kontaminasi partikel. Yang pertama adalah dengan modulasi gelombang sinus[7] dan yang kedua dengan pengambilan partikel berdasarkan sifat partikel bermuatan listrik yang tersuspensi dalam plasma.[8]

Dalam metoda pertama, plasma rf dimodulasi dengan gelombang sinus untuk mengendalikan pembentukan dan pertumbuhan partikel didalam reaktor plasma untuk deposisi lapisan tipis. Kerapatan dan ukuran partikel yang terbentuk didalam plasma dapat sangat ditekan ketika plasma dimodulasi dengan modulasi sinus pada frekuensi modulasi rendah (<1000 Hz). Selain itu, kontaminasi partikel pada permukaan lapisan tipis turun secara signifikan, juga untuk nanopartikel, dan laju pertumbuhan lapisan tipis pada kisaran frekuensi modulasi pada pembentukan partikel yang sangat kecil tersebut tidak turun. Dibandingkan dengan plasma modulasi gelombang pulsa, modulasi gelombang sinus telah menunjukkan kinerja yang lebih baik ditinjau dari pengurangan pembentukan partikel dan kontaminasi lapisan tipis, dan laju pertumbuhan partikel (Gambar 4). Jadi, plasma modulasi gelombang sinus telah menunjukkan sebagai metoda yang menjanjikan untuk diaplikasikan dalam produksi lapisan tipis dengan laju deposisi tinggi dan kontaminasi partikel rendah.

Screen Shot 2018-07-24 at 11.27.37
Gambar 4. Citra SEM permukaan lapisan tipis dengan mudulasi gelombang pulsa (kiri), modulasi gelombang sinus (tengah), dan gelombang kontinyu (kanan).

Pada metoda kedua, sistem pengambilan partikel berdasarkan pada sifat partikel bermuatan listrik yang tersuspensi pada plasma digunakan untuk mengendalikan kontaminasi partikel selama pembuatan lapisan tipis silicon dioksida dalam reaktor plasma untuk deposisi lapisan tipis. Karena partikel yang tersuspensi didalam plasma membawa muatan listrik negatif, pemberian tegangan bias positif pada pipa logam yang disisipkan kedalam plasma akan menarik partikel yang bermuatan listrik negatif. Sistem ini secara efektif mengambil partikel dari daerah perangkap partikel selama operasi plasma. Bahkan partikel yang berukuran sekecil 10 nm dapat diambil menggunakan metoda ini. Lapisan tipis yang dibuat dengan sistem pengambil partikel terpasang didapatkan hampir bebas dari kontaminasi partikel, yang berbeda dengan kasus tanpa pemasangan sistem pengambil partikel dimana partikel terdeposisi pada lapisan tipis (Gambar 5).

Screen Shot 2018-07-24 at 11.29.23
Gambar 5. Citra SEM lapisan tipis yang dibuat pada kondisi (a) tanpa kolektor partikel, dan (b) dengan kolektor partikel.

Pengembangan Bahan Maju Berbasis Silica dari Sodium Silicate

Silica berpori berstruktur mikro memiliki banyak aplikasi potensial dalam katalisis, pemisahan, mikroelektronik dan sistem pemberian obat. Telah ditunjukkan bahwa cangkang diatom alga coklat, suatu silica biogenic, terbentuk dari asam silicic, Si(OH)4 dari lingkungan airnya sebagai precursor silica.[9] Asam silicic merupakan sodium silicate encer. Terinspirasi oleh pembentukan silica biogenic dalam organisme hidup seperti cangkang diatom alga coklat, telah muncul bidang baru dalam ilmu bahan yang meniru proses biomineralisasi. Sodium silicate yang murah, tidak beracun dan mudah diperoleh menawarkan keuntungan lebih murah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan silicon alkoksida yang umum dipakai untuk memproduksi bahan maju berbasis silica. Akan tetapi, pemakaian sodium silicate memiliki beberapa keterbatasan. Keterbatasan utama adalah kesulitan untuk menggabungkan silica dengan bahan organik menggunakan prosedur tradisional. Perbedaan sifat alamiah antara bahan organik dan anorganik dalam sifat fisika dan kimia sering menyebabkan pemisahan fasa yang serius dalam sistem pencampuran sederhana.[10,11]

Teknik untuk membuat hibrida organik/anorganik secara umum dapat dibagi menjadi tiga kategori utama:[12] (i) mencari co-solvent untuk masing-masing bahan atau memodifikasi struktur permukaan partikel anorganik untuk mendispersikannya secara efektif dalam pelarut organik, (ii) mengikat partikel anorganik ke molekul organik menggunakan agen pemasangan bi-fungsional, dan (iii) reaksi sol-gel precursor anorganik dalam larutan bahan organik. Dalam pembuatan hibrida organik/silica melalui metoda sol-gel, disyaratkan bahwa bahan organik dapat larut dalam pelarut yang digunakan untuk pembuatannya. Sebagian besar polimer atau surfaktan yang digunakan sebagai template menggunakan silicon alkoksida dapat larut dalam alkohol yang mungkin tidak kompatibel dalam sistem air. Jika diinginkan menggunakan sodium silicate sebagai sumber untuk membuat hibrida organik/silica, harus digunakan polimer yang larut dalam air untuk mendorong terjadinya reaksi.

Kelompok peneliti kami telah berhasil membuat silica mesoporous dari sodium silicate menggunakan metoda sol-gel dengan template gelatin.[11] Didapatkan bahwa luas permukaan spesifik meningkat dari 252,1 m2/g tanpa gelatin menjadi 318,4 m2/g dengan template gelatin. Luas permukaan dapat ditingkatkan menjadi 341,5 m2/g menggunakan co-solvent asam formiat. Ini menunjukkan bahwa gelatin dapat bertindak sebagai porogen untuk menghasilkan pori dalam silica setelah diekstrak. Hasil ini juga menunjukkan bahwa hibrida gelatin-silica dapat dibuat menggunakan larutan sodium silicate sebagai sumber silica. Hibrida seperti ini memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan rekayasa jaringan tulang buatan.[13]

Selain gelatin, kami juga menggunakan polyethylene glycol (PEG), suatu polimer yang larut dalam air, sebagai template untuk membuat silica mesoporous.[14,15] Volume pori silica dapat dengan mudah dikontrol dengan mengatur konsentrasi PEG. Kapasitas adsorpsi air pada silica ini sangat dipengaruhi oleh volume pori dimana kapasitas adsorpsi berbanding lurus dengan volume pori (Gambar 6a). Kapasitas adsorpsi naik dengan tajam dengan mengimpregnasi kalsium khlorida, promotor garam higroskopis, kedalam silica tersebut. Pada humidity relatif tinggi, kapasitas adsorpsi bisa mencapai kurang lebih 1,6 kali beratnya sendiri dan 2,5 kali kapasitas adsorpsi silica murni. Kurva adsorpsi isothermis dapat dipaskan dengan baik dengan model Dubinin-Radushkevic (D-R) (Gambar 6b).

Screen Shot 2018-07-24 at 11.31.38
Gambar 6. (a) Pengaruh konsentrasi PEG terhadap kapasitas adsorpsi air, (b) Kurva adsorpsi isothermis dan model D-R terkait untuk berbagai konsentrasi CaCl2.

Selain dengan proses basah, kami juga berusaha mengontrol morfologi partikel silica dari larutan sodium silicate dengan spray drying.[16,17] Seperti diketahui, salah satu faktor utama yang mempengaruhi aplikasi praktis partikel silica adalah morfologi luarnya. Sebagai contoh, lipase yang dimmobilisasi dalam silica berbentuk mirip vesicle lebih unggul dibandingkan silica berbentuk batang dalam hal aktivitasnya yang lebih tinggi, kemampuan digunakan kembali dan stabilitas thermalnya karena kelengkungannya yang unik dan ukuran pori interlamelarnya yang besar.[18] Partikel silica berbentuk toroid dapat menyebabkan penurunan aktivitas permukaan dinamis yang lebih besar dari bahan surfaktan di paru-paru karena luas antarmukanya yang lebih besar.[19] Dengan sifat seperti itu, tipe partikel ini dapat digunakan sebagai pembawa obat hirup dengan waktu tinggal lebih lama dalam saluran pernapasan.

Screen Shot 2018-07-24 at 11.33.43
Gambar 7. Diagram skema alat percobaan spray dryer.

Dengan metoda spray drying yang skemanya ditunjukkan pada Gambar 7, dapat dihasilkan partikel silica yang berbentuk bola, toroid atau donut (Gambar 8) yang tergantung pada pH larutan dan suhu pengeringan. Pada pH 11, semua partikel yang dihasilkan pada rentang suhu percobaan berbentuk bola. Ukuran partikel berkisar dari 2 sampai 6 µm dengan distribusi Gaussian. Akan tetapi, ada partikel berbentuk toroid dan donut, selain partikel bola, yang dihasilkan dari droplet pada pH 10. Fraksi partikel toroid bertambah dengan naiknya suhu pengeringan. Hal ini juga terjadi pada pH 2 meskipun pembentukan partikel toroid dan donut terjadi pada suhu yang lebih tinggi. Hasil ini menyarankan bahwa morfologi partikel silica yang dibuat dengan spray drying larutan sodium silicate dapat dikontrol dengan mengatur pH larutan dan suhu pengeringan.

Screen Shot 2018-07-24 at 11.36.43
Gambar 8. Citra SEM partikel berbentuk bola, toroid dan donat yang dihasilkan dengan spray drying larutan sodium silikat.

Kelompok peneliti kami juga mengembangkan bahan maju berbasis silica dari abu bagasse, limbah padat pabrik gula sisa pembakaran bagasse di ketel pembangkit uap, yang kandungan silicanya kira-kira 50%.[20] Proses yang dikembangkan berdasarkan pada sifat kelarutan silica amorf yang terkandung dalam abu, dimana kelarutan silica amorf sangat rendah pada pH<10 dan naik dengan tajam pada pH>10. Dengan sifat kelarutan yang unik tersebut, silica dalam abu bagasse diekstraksi menggunakan larutan NaOH pada pH 13. Larutan sodium silicate kemudian direaksikan dengan HCl untuk mengendapkan silica dan kemudian dituakan untuk menghasilkan silica gel. Luas permukaan silica gel yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh pH ketika dituakan.

Untuk menghasilkan silica gel dengan kemurnian tinggi, dicoba tiga metoda pemurnian yang berbeda, yaitu: perlakuan asam terhadap abu bagasse, perlakuan pertukaran ion terhadap larutan sodium silicate hasil ekstraksi, dan pencucian silica gel kering dengan air demin. Silica gel dengan kemurnian tinggi (>99%berat) dapat dihasilkan dengan mencuci gel yang dihasilkan dengan air demin dan resin penukar ion. Dari karakteristik adsorpsi, tampak jelas bahwa kapasitas adsorpsi silica gel dengan kemurnian tinggi lebih baik dibandingkan dengan yang kemurniannya rendah. Kapasitas adsorpsi maksimum silica gel dengan kemurnian tinggi adalah 18 g H2O/100 g SiO2. Silica gel ini dapat digunakan untuk dessicant, pengering udara dalam kemasan makanan atau obat, pengering udara industri, dan sebagainya. Disini telah ditunjukkan potensi abu bagasse untuk memproduksi silica gel dengan kapasitas adsorpsi air yang sangat bagus yang menjadikannya menguntungkan sebagai penyelesaian masalah lingkungan.

Selain itu dengan memodifikasi permukaan silica gel dengan gugus alkyl, pengkerutan silica ketika dikeringkan pada tekanan ambient dapat dicegah. Hal ini memungkinkan untuk membuat silica aerogel dengan luas permukaan dan porositas yang besar dengan pengeringan pada tekanan ambient, bukan pada kondisi superkritis yang umumnya dilakukan untuk membuat aerogel. Luas permukaan dan volume pori silica aerogel dapat ditingkatkan dari 105 menjadi 500 m2/g dan dari 0,17 menjadi 0,95 cm3/g. Dengan adanya gugus alkyl pada permukaan dan dengan luas permukaan dan volume pori yang besar, silica aerogel ini memiliki potensi yang besar untuk berbagai aplikasi, misalnya: penyimpan hidrogen, sistem pemberian obat, adsorbent, katalis, dsb.

Pembuatan Nanopartikel Magnetite dengan Teknik Elektrokimia

Selain bahan maju berbasis silica dari sodium silicate, kelompok peneliti kami juga mengembangkan metoda elektrokimia sederhana untuk memproduksi nanopartikel magnetite, Fe3O4, menggunakan anoda besi dan air.[21] Nanopartikel magnetite memiliki potensi yang besar untuk penggunaan dalam biomedis seperti pengiriman obat terarah, hyperthemia, pemisahan sel, citra resonansi magnetik, immunoassay dan pemisahan produk biokimia dan dalam lingkungan seperti dalam pengolahan air dan air limbah. Metoda elektrokimia menawarkan banyak keuntungan dibandingkan metoda konvensional untuk memproduksi nanopartikel magnetite. Dengan metoda elektrokimia, ukuran partikel dapat dikontrol dengan mudah dengan mengatur rapat arus elektro-oksidasi atau potensial pada sistem.

Screen Shot 2018-07-24 at 11.39.30
Gambar 9. Skema pembentukan Fe3O4 dengan elektro-oksidasi besi dalam air dan citra SEM nanopartikel magnetite (Fe3O4) yang dihasilkan.

Telah ditunjukkan sebelumnya bahwa pembentukan Fe3O4 selama proses korosi dalam medium air dapat terjadi karena reaksi alkalisasi ion ferrous.[22] Reaksi pembentukan Fe3O4 dapat terjadi jika larutan cukup basa, sekitar 8 atau 9. Oleh karena itu, dalam sistem elektrokimia menggunakan besi sebagai anoda  dan air sebagai elektrolit diharapkan bahwa jika ion OH yang dihasilkan pada katoda dapat mencapai permukaan anoda dengan difusi, konsentrasi ferrous hidroksida yang dibutuhkan untuk terjadinya pembentukan Fe3O4 dapat dicapai. Selain itu, oksigen dapat diperoleh dari elektro-oksidasi ion OH yang berasal dari disosiasi lemah air jika terdapat overpotential pada anoda. Skema proses yang diuraikan diatas dan nanopartikel magnetite (Fe3O4) yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 9. Partikel yang dihasilkan berukuran antara 15-25 nm, yang cocok untuk berbagai aplikasi seperti terapi hyperthemia untuk penyembuhan kanker, ferrofluid, dan sebagainya.

Penutup

Teknologi partikel sedang menapaki kemajuan khusus pada berbagai bidang. Sains dan teknologi partikel sedang dikenali sebagai teknologi yang memungkinkan untuk membantu kita menciptakan sumber energi baru, mengembangkan teknologi kesehatan, membersihkan udara dan air dan membangun bahan yang lebih kuat dan lebih ringan. Teknologi partikel bukan pada akhir pengembangannya, potensinya baru saja mulai. Kemajuan sangat pesat pada teknologi partikel dapat dicapai dengan dukungan penuh dari industri, akademisi dan pemerintah. Masing-masing memiliki peran penting sendiri-sendiri. Akademisi memiliki ide, industri punya dana dan fasilitas, dan pemerintah memegang kekuasaan dan dana. Apabila ketiga sektor tersebut dapat bekerja, berpikir dan membuat perencanaan bersama-sama untuk pengembangan sains dan teknologi, impian untuk mewujudkan masyarakat yang makmur dan sejahtera akan dapat terwujud.

Banyak kalimat, bahkan banyak buku telah ditulis tentang teknologi partikel, dan saya tidak ingin menambahkannya disini – kecuali mengatakan bahwa saya masih mempunyai mimpi, mimpi seorang ilmuwan. Salah satunya, mimpi mewujudkan visi ITS untuk dikenal dan diakui secara internasional. Bukan dikenal dan diakui hanya sebagai event organiser (EO) ulung, tetapi juga diakui karena karya ilmiahnya. Tentu saja saya tidak ingin mengatakan bahwa penyelenggara seminar internasional itu tidak penting, tetapi itu hanya akan diingat oleh peserta seminar saja, dan setelah itu dilupakan. Sebaliknya, hasil karya ilmiah dan ide yang dipublikasikan di jurnal ilmiah internasional, akan selalu ada dan tercatat sampai bertahun-tahun bahkan oleh orang yang tidak mengenal kita. Banyak pemenang nobel yang memperoleh penghargaan setelah lebih dari 20 tahun sejak ia menemukan dan mempublikasikan karyanya.

Mudah-mudahan dengan dikukuhkannya saya sebagai besar, saya mampu mengemban amanat ini dengan sebaik-baiknya, mampu menjadi seorang guru besar yang benar-benar layaknya seorang guru besar. Seorang guru besar yang mampu melahirkan karya ilmiah berkualitas dan bermanfaat dengan sumber daya dan dana yang ada. Seorang guru besar yang mampu berkiprah dan unjuk diri dengan penuh rasa percaya diri diajang ilmiah internasional. Bukan seorang guru besar yang hanya mampu mencari alasan dan pembenaran diri agar bisa dengan tenang memaafkan diri sendiri atas ketidakmampuan dan ketidakberdayaannya untuk berkarya di bumi Indonesia, di bumi ITS tercinta ini.

DAFTAR PUSTAKA

  1. A.A. Howling, Ch. Hollenstein, P.-J. Paris, Appl. Phys. Lett. 59, 1409–1411, 1991.
  2. H. Setyawan, M. Shimada, Y. Imajo, Y. Hayashi, K. Okuyama, J. Aerosol Sci. 34, 923–936, 2003.
  3. H. Setyawan, M. Shimada, Y. Hayashi, K. Okuyama, S. Yokoyama, Aerosol Sci. Tech. 38, 120–127, 2004.
  4. G.S. Selwyn, J. Singh, R.S. Bennett, J. Vac. Sci. Tech. A 77, 2758–2765, 1989.
  5. H. Setyawan, M. Shimada, K. Ohtsuka, K. Okuyama, Chem. Eng. Sci. 57, 497-506, 2002.
  6. H. Setyawan, M. Shimada, K. Okuyama, J. Appl. Phys. 92, 5525–5531, 2002.
  7. N. Kashihara, H. Setyawan, M. Shimada, Y. Hayashi, C.S. Kim, K. Okuyama, S. Winardi, J. Nanopart. Res. 8, 395-403, 2006.
  8. H. Setyawan, M. Shimada, Y. Hayashi, K. Okuyama, J. Vac. Sci. Tech. A 23, 388-393, 2005.
  9. T. Coradin, M. Boissiere, J. Livage, Current Med. Chem. 13, 99-108, 2006.
  10. B.M. Novak, Adv. Mater. 12, 1921-1923, 2000.
  11. R. Balgis, D. Wardhani, H. Setyawan, S. Winardi, Proc. The 14th Regional Symposium on Chemical Engineering, AM-21, Yogyakarta, 4-5 Desember 2007.
  12. H.J. Chen, P.C. Jian, J.H. Chen, L. Wang, W.Y. Chiu, Ceramic Int. 33, 643-653, 2007.
  13. J. Jia, X. Zhou, R.A. Caruso, M. Antonietti, Chem. Lett. 33, 202-203, 2003.
  14. D. Bahrak, Y. Riaswati, H. Setyawan, Pros. Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses 2008, E-60-1-8, Semarang, 13-14 Agustus 2008.
  15. R. Balgis, H. Setyawan, Proc. The 6th Kumamoto University-Surabaya Forum, 104-105, Surabaya, 5-6 November 2008.
  16. H. Setyawan, M. Yuwana, S. Winardi, Proc. The 4th Asian Particle Technology Symposium (APT 2009), APT2009-66-1-6, New Delhi, India, 14-16 September 2009.
  17. H. Setyawan, M. Yuwana, S. Winardi, Proceeding 14th Regional Symposium on Chemical Engineering, AM-22, Yogyakarta, December 4-5, 2007.
  18. G. Zhou, Y. Chen, S. Yang, Micropor. Mesopor. Mat.. 119, 223-229, 2009.
  19. L. Gradon, J. Marijnissen, Optimization of Aerosol Drug Delivery, Kluwer Academic Publisher, 2003.
  20. S. Affandi, H. Setyawan, S. Winardi, A. Purwanto, R. Balgis, Adv. Powder Technol. 20, 468-472, 2009.
  21. F. Fajaroh, H. Setyawan, S. Winardi, Widiyastuti, W. Raharjo, E. Sentosa, Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi, Edisi khusus, 22-55, 2009.
  22. A.A. Olowe, J.M.R. Génin, Corr. Sci. 32, 965-984, 1991.

Sabun lawan Body Wash

Saat ini di toko-toko mulai muncul produk mandi selain sabun, yang disebut body wash atau shower gels. Sabun adalah benda yang sudah sangat lama dikenal untuk membersihkan badan ketika mandi dan kita sudah terbiasa memakainya. Jenisnyapun sekarang beragam, ada yang berupa sabun batangan dan akhir-akhir ini barangkali lebih populer sabun cair.

Body wash dan shower gels akhir-akhir ini mulai banyak dikenal sebagai pengganti sabun. Sebenarnya kedua bahan ini memiliki cara yang sama untuk membersihkan badan, hanya saja senyawanya yang berbeda. Untuk lebih mengenal kedua jenis ini berikut akan diuraikan kemiripan dan perbedaan kimia antara kedua bahan tersebut.

Sabun dan body wash sama-sama mengandung surfaktan, sebuah molekul dengan satu ujung larut dalam air (hidrofilik) dan ujung lain larut dalam minyak dan lemak (hidrofobik). Surfaktan menurunkan tegangan permukaan air, menciptakan busa dan mengemulsikan minyak dan lemak sehingga minyak dan lemak dapat dicuci bersih. pH kulit agak asam, sekitar 5,5. Sabun bersifat basa (pH~9) dan dapat memiliki efek pengeringan, sedangkan body wash memiliki pH yang lebih dekat dengan kulit (antara 4-6).

Sabun dibuat dengan mereaksikan lemak atau minyak (trigliserida) dengan basa yang larut dalam air menghasilkan surfaktan sabun dan gliserol, sebuah produk samping yang bermanfaat. Jika basa yang digunakan adalah natrium hidroksida, sabun yang dihasilkan adalah sabun padat. Apabila menggunakan kalium hidroksida sebagai basa, sabun yang dihasilkan adalah sabun cair. Air sadah ditambah natrium stearat menghasilkan sabun scum (kalsium dan magnesium stearat). Karena bahan kimianya berbeda, sabun dan body wash terasa berbeda di kulit.

Body wash dan shower gel seringkali menggunakan garam dari lauril sulfat dan laureth sulfat sebagai surfaktan. Glikol stearat menghasilkan efek kemilau seperti mutiara (pearlescent).

Pustaka

C. Drahl, Green Washing, Chemical & Engineering News, p. 18-21, 2018.