Pembuatan dan Karakterisasi Geopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton

Transkripsi

1 Akta Kimindo Vol. 3 No.2 April 28: - Akta Kimindo Vol. 3 No. 2 April 28 :61-66 AKTA KIIA INDONESIA Pembuatan dan Karakterisasi eopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton H. Fansuri 1,*, N. Swastika 1 dan L. Atmaja 1 1 Laboratorium Kimia Anorganik Jurusan Kimia FIPA ITS Surabaya ABSTRAK eopolimerimerisasi abu layang adalah salah satu cara yang sangat potensial untuk meningkatkan pemanfaatan Abu layang sebagai limbah dari pembakaran batu bara pada pembangkit listrik. eopolimer disintesis dari abu layang PLTU Paiton di Probolinggo menggunakan larutan NaOH dengan konsentrasi 8 dan 1 dengan perbandingan Na-silikat/NaOH (b/b) antara Kualitas dari geopolimer yang terbentuk diuji berdasarkan kuat tekannya yang diukur dengan Universal Testing achine. Kuat tekan terbaik yang dihasilkan adalah Pa dengan porositas.2558 dan densitas g/ml. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa kuat tekan geopolimer meningkat pada peningkatan komposisi SiO2. Peningkatan konsentrasi NaOH juga dapat meningkatkan kuat tekan, namun pada jumlah yang berlebih akan memperlemah solidifikasi geopolimer akibat pembentukan Na2O. Kata kunci: abu layang, larutan alkalin, geopolimer ABSTRACT eopolymerization is a highly pontential method to increase the utilization of coal fly ash which is a side product of coal combustion in power plants. The geopoymer is sinthesized from fly ash from Paiton Power Plant in Probolinggo using 8 and 1 NaOH solution and Na-silicate/NaOH weight ratio between.5 and 2.5. The geopolymer quality was measured from its compressive srength using a Universal Testing achine. It was found that the strongest geopolymer has a compressive strength, porosity and density of Pa,.2558 and g/mL, respectively. It was also found that the compressive strength increases as the composition of SiO2 in geopolymer mixture increases. The increase of NaOH concentration will increase the strength of geopolymer too but an excess amount of NaOH reduces the geopolymer solidification due to the formation of Na2O. Key words: fly ash, alkalin solution, geopolymer PENDAHULUAN eopolimer merupakan polimer anorganik aluminosilikat yang diyakini mempunyai sifatsifat kimia dan fisika yang baik sebagai bahan pengganti semen Portland (PC). Pada umumnya, geopolimer tersebut dibuat dari bahan-bahan aluminosilikat yang reaktif seperti metakaolinit. Komponen utama abu layang adalah aluminosilikat sehingga abu layang berpotensi digunakan sebagai bahan baku gepolimer sebagaimana dilaporkan oleh Davidovits (1991) dan Xu & Van Deventer (2). akalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia IX, di Surabaya 24 Juli 27 * Corresponding author : Phone : ; Fax : ; h.fansuri@chem.its.ac.id Abu layang adalah hasil dari pembakaran yang berukuran sangat halus dan sangat ringan sehingga dapat melayang di udara. Salah satu sumber abu layang adalah batu bara. Konsumsi batu bara di Indonesia mencapai 36 juta ton yang umumnya digunakan pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) dan menghasilkan sekitar 11.5 juta ton abu layang pada tahun 24 (Badan Pusat Statistik, 24). Sejauh ini, pengguna utama abu layang yang diproduksi oleh PLTU adalah pabrik semen, yaitu sebagai bahan baku pada pembuatan PC. Selain itu, belum banyak pemanfaatan lainnya sehingga umumnya sisa abu layang yang tidak diserap oleh pabrik semen dibiarkan menumpuk sebagai limbah. Kimia ITS HKI Jatim 61

2 Kuat tekan (Pa) H. Fansuri et al. Pembuatan dan Karakterisasi eopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton Pembuatan geopolimer dari bahan selain kaolinit dilaporkan oleh Xu & Van Deventer (2). eopolimerisasi abu layang diselidiki secara lebih spesifik lagi oleh Van Jaarsveld dkk (22; 23) yang meneliti pembuatan geopolimer dari abu layang dan menyelidiki pengaruh komposisi kimia abu layang terhadap sifat-sifat geopolimer yang dihasilkannya. Sifat-sifat abu layang dari batu bara sangat bergantung dari bahan batu bara yang digunakan dan proses pembakarannya. Oleh karena itu komposisi kimia, ukuran partikel dan sebarannya serta sifat-sifat fisiko-kimia abu layang lainnya tidak akan sama walaupun dihasilkan di tempat yang sama. Sifat-sifat fisikokimia tersebut mempengaruhi proses geopolimerisasi abu layang sehingga geopolimerisasi abu layang selama ini bersifat unik dan belum ada pedoman yang bersifat generik untuk menentukan parameter proses yang paling sesuai bagi abu layang tersebut. Berdasarkan uraian tersebut di atas maka penelitian ini menyelidiki geopolimerisasi abu layang yang dihasilkan oleh PLTU Paiton. Penekanan pada penelitian ini lebih ditujukan pada parameter kimiawi dari proses geopolimerisasi seperti komposisi kimia abu layang, komposisi pereaksi dalam pembuatan pelet, komposisi fasa dan morfologi geopolimer yang dihasilkan dengan tujuan umum untuk mendapatkan informasi yang bersifat fundamental bagi geopolimerisasi abu layang dari batu bara. PERCOBAAN Abu layang yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari PLTU Paiton di Probolinggo, Jawa Timur. Komposisi kimia abu layang tersebut ditunjukkan oleh Tabel 1. Pelet geopolimer dibuat dengan komposisi seperti pada Tabel 2. Untuk menjaga konsistensi percobaan, semua larutan yang digunakan dibuat minimal 24 jam sebelumnya untuk menuntaskan reaksi eksotermis pelarutan NaOH. Bahan-bahan pada Tabel 2 tersebut dicampur hingga homogen kemudian dicetak berbentuk silinder dengan diameter 2 mm dan tinggi 4 mm. Untuk mengurangi gelembung udara yang terperangkap di dalam cetakan, pelet-pelet tersebut digetarkan selama 15 menit dan diratakan permukaannya, kemudian didiamkan selama 1,5 jam. Pelet yang sudah kering dimasukkan ke dalam oven pada suhu 6 o C selama 24 jam. Selanjutnya pelet-pelet tersebut disimpan pada suhu kamar dan diuji kuat tekannya saat berumur 7, 14 dan 28 hari. Komposisi fasa dari pelet ditentukan dengan metode difraksi menggunakan sinar-x CuK orfologi geopolimer diamati menggunakan SE. Sementara itu metode Day & arsh (1987) digunakan untuk mengukur porositas terbuka dari geopolimer. HASIL DAN PEBAHASAN Pengaruh waktu simpan dan konsentrasi NaOH Pengaruh waktu simpan yang diamati pada penelitian ini dibatasi sampai 28 hari karena tidak ada peningkatan kuat tekan yang berarti setelah waktu itu sebagaimana dilaporkan oleh Hardjito dkk (24). Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi waktu simpan disajikan oleh ambar 1 yang menunjukkan bahwa pada konsentrasi NaOH 8, kuat tekan menurun saat disimpan dalam waktu yang lebih lama. Sebaliknya, pada konsentrasi NaOH 1, kuat tekannya bertambah seiring dengan semakin lamanya waktu simpan. Pada konsentrasi NaOH 1, terdapat lebih banyak NaOH yang tersedia untuk reaksi geopolimerisasi. Oleh karena itu, reaksi geopolimerisasi dapat terus berlangsung selama masa penyimpanan. Hal sebaliknya terjadi pada konsentrasi 8, tidak terdapat cukup banyak NaOH yang memungkinkan terjadinya reaksi yang berkelanjutan pada masa simpan. Pengaruh faktor konsentrasi NaOH ini lebih jelas lagi ditunjukkan oleh ambar 2 sampai 4. Larutan NaOH diperlukan dalam reaksi geopolimerisasi, yaitu untuk pelarutan (leaching) Si dan Al pada partikel abu layang ke dalam fasa gel. Ion hidroksida mengaktifkan oksida-oksida Si dan Al dan membentuk monomer-monomer pembentuk geopolimer. Reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut: OH 4 4NaOH Si HO Si OH 4Na OH 3NaOH Al OH HO Al OH 3Na Pellet 7 hari 14 hari 28 hari ambar 1. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi masa simpan 62 Kimia ITS HKI Jatim

3 Akta Kimindo Vol. 3 No.2 April 28: - Larutan NaOH yang lebih pekat menyediakan ion OH - lebih banyak sehingga pembentukan monomer-monomer lebih optimal. Larutan NaOH juga dikonsumsi oleh logam-logam lain, seperti besi dan mangan. Fe2O3 dapat bereaksi dengan NaOH membentuk Fe(OH)3 dan mengendap dalam bentuk hidroksida atau oksihidroksidanya. no juga mengalami leaching pada ph tinggi (Bankowski et al, 24 dalam Van Deventer et al, 26). Kondisi ini menyebabkan NaOH, yang seharusnya digunakan untuk leaching Si dan Al, justru bereaksi sebagian dengan logam-logam tersebut. Pada saat pelet geopolimer dipanaskan, terjadi penguapan molekul-molekul air. Jika di dalam sistem pelet geopolimer sudah tidak lagi terdapat molekul air, penguapan molekul air dapat pula terjadi dari molekul NaOH yang terdehidrasi menjadi oksida natrium (Windholtz, 1976): 2NaOH (aq) Na 2 O (s) H Kondisi seperti ini sudah tentu tidak dikehendaki karena menghambat proses polimerisasi aluminosilikat pada masa simpan. Itu sebabnya, peningkatan konsentrasi larutan NaOH yang lebih banyak boleh jadi tidak akan menambah kekuatan geopolimer yang dihasilkan sebagaimana ditunjukkan oleh ambar 2. Na2O merupakan serbuk putih yang reaktif dengan air dan CO2 di udara. Reaksi dengan molekul CO2 terjadi di pori-pori geopolimer dan merubah Na2O menjadi Na2CO3 yang berbentuk kristal jarum berwarna putih (Windholtz, 1976). Na 2O(s) CO Na2CO Tabel 1 Komposisi kimia Penyusun Abu layang Oksida SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 go no Na2O K2O P2O5 TiO2 LOI Konsentrasi (% berat) Tabel 2 Komposisi assa Bahan eopolimer dan Kuat Tekannya Pelet assa pereaksi (gram) Kuat tekan (Pa) Konsentrasi Perbandingan berat NaOH Na-silikat/ NaOH Abu Na-silikat NaOH Air 7 hari layang hari hari 1 8,5 21,14 3,2 1,5 4,54 35,67 35,24 35, , 21,14 4,53 1,13 3,4 37,37 41,72 4, ,5 21,14 5,44,9 2,72 36,72 33,76 69, , 21,14 6,4,75 2,27 34,39 44,16 45, ,5 21,14 6,47,65 1,95 37,58 32,27 45,18 6 1,5 21,14 3,2 1,16 4,28 23,51 24,2 42, , 21,14 4,53 1,38 3,15 33,54 34,8 53, 8 1 1,5 21,14 5,44 1,1 2,52 31,21 23,78 38, , 21,14 6,4,92 2,1 19,11 37,9 71, ,5 21,14 6,47,79 1,81 39,7 57, 78,34 Pelet Tabel 3 Komposisi mol SiO2, Na2O dan H2O Abu layang Na-Silikat NaOH Aquades SiO2 Na2O SiO2 Na2O H2O Na2O 2(g) H2O 2 O (l) 3(s) H2O 1 134,17 28,49 18,23 2,89 97,8 18,77 18,77 252, ,17 28,49 27,34 4,33 145,61 14,7 14,7 189, ,17 28,49 32,83 5,2 174,87 11,26 11,26 151, ,17 28,49 36,45 5,78 194,15 9,38 9,38 126, ,17 28,49 39,5 6,19 27,97 8,8 8,8 18, ,17 28,49 18,26 2,89 97,8 22,1 22,1 237, ,17 28,49 27,34 4,33 145,61 17,26 17,26 174, ,17 28,49 32,83 5,2 174,87 13,81 13,81 139, ,17 28,49 36,45 5,78 194,15 11,51 11,51 116, ,17 28,49 39,5 6,19 27,97 9,91 9,99 1,41 Kimia ITS HKI Jatim 63

4 Kuat tekan (Pa) Kuat tekan (Pa) Kuat tekan (Pa) kuat tekan H. Fansuri et al. Pembuatan dan Karakterisasi eopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton Na 2 O NaOH 8 NaOH 1 Linear (NaOH 8 ) Linear (NaOH 1 ) ambar 2. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi konsentrasi Na2O Kuat tekan eopolimer sebagai fungsi perbandingan natrium silikat/naoh Kaitan antara kuat tekan geopolimer dari abu layang PLTU Paiton dengan perbandingan molar natrium silikat terhadap NaOH ditunjukkan oleh ambar 3 sampai 5. Ion-ion silikat yang terkandung di dalam larutan natrium silikat sudah dalam bentuk oligomer yang siap berpolimerisasi dengan ion-ion silikat dan aluminat dari pelarutan aluminosilikat abu layang. Semakin banyak natrium silikat yang digunakan berarti semakin banyak pula oligomer silikat reaktif yang tersedia. Oleh karena itu, geopolimer yang dibuat dengan jumlah natrium silikat lebih besar menghasilkan kuat tekan yang tinggi sebagaimana ditunjukkan oleh ambar 3 sampai 5. Pada gambar-gambar tersebut, jumlah natrium silikat dinyatakan dalam mmol SiO perbandingan Na 2 SiO 3 /NaOH (b/b) 7 hari 14 hari 28 hari Linear (7 hari) Linear (14 hari) Linear (28 hari) ambar 4. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi variasi perbandingan massa Na2SiO3/ NaOH pada NaOH SiO 2 NaOH 8 NaOH 1 Linear (NaOH 8 ) Linear (NaOH 1 ) ambar 5. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi konsentrasi SiO Perbandingan Na 2 SiO 3 /NaOH (b/b) (a) 7 hari 14 hari 28 hari Linear (7 hari) Linear (14 hari) Linear (28 hari) ambar 3. Kuat tekan geopolimer sebagai fungsi variasi perbandingan massa Na2SiO3/ NaOH pada NaOH 8. Pengaruh komposisi natrium silikat dan NaOH dengan sifat ikatannya terlihat jelas pada morfologi geopolimer yang dihasilkan. ambar 6 adalah foto SE dari potongan geopolimer pelet 1 (natrium silikat rendah, NaOH 8) dan pelet 1 (natrium silikat tinggi, NaOH 1). (b) ambar 6. orfologi geopolimer: pelet 1 dan (b) pelet Kimia ITS HKI Jatim

5 Intensitas (counts) Intensitas (counts) Porositas Kuat tekan (Pa) Kuat tekan (Pa) Akta Kimindo Vol. 3 No.2 April 28: - Pada pelet 1, masih terlihat bahwa masih ada partikel abu layang yang tidak bereaksi dan tidak menyatu dengan matriks geopolimer yang mengelilinginya sedangkan pada pelet 1 terlihat bahwa seluruh partikel abu layang bereaksi dan menyatu dengan matriks geopolimernya (ambar 6a-b) H 2 O NaOH 8 NaOH 1 Linear (NaOH 8 ) Linear (NaOH 1 ) ambar 7. Kuat tekan sebagai fungsi konsentrasi H2O NaOH 8 Porositas NaOH 1 Linear (NaOH 8 ) Linear (NaOH 1 ) ambar 9. Pengaruh porositas terhadap kuat tekan Analisa Difraksi Sinar X Penyelidikan mengenai fasa amorf sangat penting untuk memahami geopolimer sehingga perlu analisa difraksi siinar X pada pellet 1 (kuat tekan terendah) dan pelet 1 (kuat tekan tertinggi) (ambar 1 dan 11). Hasil difraktogram geopolimer menunjukkan bahwa pelet 1 justru lebih banyak mengandung fasa amorf daripada pelet 1 walaupun pelet 1 mempunyai kuat tekan lebih lemah. Dengan demikian, kuat tekan pelet 1 lebih mungkin disebabkan kombinasi antara kristal yang keras dengan fasa amorf yang liat sehingga menghasilkan kuat tekan yang lebih tinggi Pellet ambar 8. Porositas geopolimer tiap pelet Analisa Porositas terbuka Pori-pori dalam geopolimer sangat mempengaruhi kuat tekan geopolimer. Hasil pengukuran porositas terbuka dari geopolimer disajikan pada ambar 8. Pada gambar tersebut terlihat bahwa peningkatan rasio berat natrium silikat/naoh menurunkan porositas geopolimer yang dihasilkan (rasio berat natirum silikat/naoh untuk No 1 sampai 5 adalah sama dengan 6 sampai 1 yaitu berturut-turut,5; 1,; 1,5; 2, dan 2,5. Pelet No. 1 sampai 5 dibuat dengan konsentrasi NaOH = 8 sedangkan No. 6 sampai 1 menggunakan NaOH 1 ). Pori-pori pada geopolimer sangat berpengaruh terhadap kekuatannya. Semakin banyak pori-pori, maka kekuatan dari geopolimer akan berkurang. Sebaliknya, semakin sedikit poripori maka kekuatan geopolimer akan bertambah. Kaitan antara porositas (jumlah kuantitatif dari pori-pori) dengan kuat tekan geopolimer ditunjukkan oleh ambar ambar 1. Difraktogram geopolimer pelet 1 dan 1. = kuarsa, = magnetite, dan = gismondin q ( o ) q ( o ) ambar 11. Keberadaan fasa amorf pada geopolimer pelet 1 dan 1 Kimia ITS HKI Jatim 65

6 H. Fansuri et al. Pembuatan dan Karakterisasi eopolimer dari Bahan Abu Layang PLTU Paiton KESIPULAN eopolimer merupakan polimer anorganik aluminosilikat yang sangat kompleks. Salah satu parameter proses geopolimerisasi adalah reaktan yang digunakan, yaitu SiO2, H2O dan NaOH. SiO2 meningkatkan kuat tekan namun keberadaan H2O justru memperlemahnya. NaOH membantu mengoptimalkan kuat tekan namun NaOH berlebih justru menghambat solidifikasi geopolimer. UCAPAN TERIAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih untuk Prof. Triwulan beserta kelompok penelitiannya, PLTU Paiton, Lab. Kimia Fisika, Lab.Beton dan Bahan Bangunan, Center for Fuels and Energy dan dukungan dana student grant dari TPSDP. DAFTAR PUSTAKA Badan Pusat Statistik-Indonesia (24) Statistik Industri Besar dan Sedang (1), BPS Press: Jakarta Day, R.L. and arsh, B.K. (1987). Cement and Concrete Research Vol. 18, hal Davidovits, J. (1991) Journal of Thermal Analysis Vol. 37 hal Hardjito, D., Wallah, S. dan Sumajouw, D. 25. Dimensi Teknik Sipil, Vol. 6, No. 2, hal Škvára, F., Kopecky, L., Nemecek, J. and Bittnar, Z. (26) Ceramics-Silikaty, Vol. 5, No. 4, hal Van Deventer, J.S.J., Provis, J.L., Duxon, P., Luckey,.C (26) Jornal of Hazardous aterials, Article in Press Windholtz, artha (Ed). (1976) The erck Index. An Encyclopedia of Chemicals and Drugs, erck & Co: USA Xu, H and van Deventer, J.S.J. (22), International Journal of ineral Processing, Vol. 59, No.3 hal Kimia ITS HKI Jatim