PENGARUH RASIO MOL Li/Mn PADA PROSES PREPARASI LITHIUM MANGAN OKSIDA TERHADAP KEMAMPUAN ADSORBSI ION LITHIUM DARI LUMPUR SIDOARJO

Transkripsi

1 PENGARUH RASIO MOL Li/Mn PADA PROSES PREPARASI LITHIUM MANGAN OKSIDA TERHADAP KEMAMPUAN ADSORBSI ION LITHIUM DARI LUMPUR SIDOARJO Dosen Pembimbing: Lukman Noerochiem, S.T., M.T., Ph.D Gita Akbar Satriawangsa

2 LATAR BELAKANG Kehidupan sehari-hari manusia tidak bisa jauh dari peralatan elektronik portable.

3 Bagian utama dari peralatan elektronik tersebut adalah baterai -> Terutama Baterai Li-ion Baterai Li-ion digunakan sebagai penyimpan energi memiliki komposisi utama Lithium

4 Konsumsi lithium dunia sebagai baterai pada 2012 mencapai: TON 22% Others Battery 78% Total = TON (US. Geological Survey, 2013)

5 SUMBER LITHIUM 0.17 PPM LITHIUM (Dang, 1978) GEOTHERMAL FLUID VARY EX: SPODUMENE 6.95% Li 2 O (Devaraju, 1990) VARY EX: KYUSHU 10 PPM LITHIUM (Yoshinaga, 1982) VARY EX: UYUNI BRINES 900 PPM (An, 2012)

6 LUMPUR SIDOARJO Terjadi sejak 2006, Pada 2011 debit lumpur mencapai m 3 /day. Diperkirakan masih akan terjadi tahun lagi (Davies, 2011)

7 5-6 PPM (mg/liter) Wataru Tanikawa, E-Proceeding Symposium On Future LuSi (2011)

8 Proses Adsorbsi Salah satu cara mendapatkan lithium dari alam ialah dengan melakukan proses adsorbsi dengan adsorben yang dapat menyerap lithium. Beberapa senyawa telah diteliti untuk digunakan dalam proses adsorbsi ini. Lithium Mangan Oksida dipilih pada penelitian ini karena memiliki beberapa sifat sifat yang menguntungkan, seperti murah dan ramah lingkungan. (Chung, 2008)

9 (Chung, 2008) Kantong polypropylene digunakan untuk membentuk wadah bagi adsorben agar tidak lepas, polypropylene digunakan karena kemampuannya untuk menahan asam terutama HCl.

10 Lithium Mangan Oksida Senyawa Lithium Mangan Oksida sesuai dengan Valensi mangan serta rasio mol Li/Mn. (Chitrakar, 2000)

11 Lithium Mangan Oksida Lithium mangan oksida jenis spinel memperlihatkan kemampuan adsorbsi yang sangat baik terhadap ion lithium. (Ning, 2006) Bergeraknya ion lithium masuk dan keluar dari senyawa ini tidak merubah struktur kristal yang sudah ada, sifat seperti ini sering disebut topotaktis. Karena kemampuan tersebut Lithium Mangan Oksida jenis Spinel sesuai digunakan untuk adsorbent serta juga katoda pada baterai

12 Lithium Mangan Oksida Pada Penelitian ini dilakukan sintesa Lithium Mangan Oksida sebagai berikut: LMO 0,5 = LiMn 2 O 4 LMO 0,8 = Li 1.33 Mn 1.67 O 4 LMO 1 = Li 1.6 Mn 1.6 O 4 LMO 2 = Li 2 MnO 3

13 RUMUSAN MASALAH Apakah Lithium Mangan Oksida mampu mengadsorb lithium dari Lumpur Sidoarjo? Bagaimana pengaruh dari rasio mol Li/Mn terhadap struktur kristal dan morfologi dari Lithium Mangan Oksida yang terbentuk? Bagaimana pengaruh dari rasio mol Li/Mn Lithium Mangan Oksida terhadap kemampuan adsorbsi Lithium dari Lumpur Sidoarjo?

14 BATASAN MASALAH Homogenitas kandungan Lithium dari sampel yang diambil dari Lumpur Sidoarjo Temperatur udara selama proses kalsinasi dianggap konstan Massa serbuk LMO yang terdapat pada semua kantong adsorben tepat 0.1 gram

15 TUJUAN PENELITIAN Mengetahui pengaruh rasio mol Li/Mn terhadap struktur kristal dan morfologi pada Lithium Mangan Oksida yang terbentuk. Mengetahui pengaruh rasio mol Li/Mn Lithium Mangan Oksida terhadap kemampuan adsorbsi Lithium dari Lumpur Sidoarjo.

16 METODOLOGI PENELITIAN Preparasi Absorben (Lithium Mangan Oksida) Preparasi Lumpur Sidoarjo Proses Adsorbsi Lithium Dari Lumpur Sidoarjo (Simplified Flowchart Penelitian)

17 PREPARASI ADSORBEN Mixing Li 2 CO 3 dengan MnO 2 (LMO 0,5;0,8;1;2) Kalsinasi (500 O C, 5jam) Pengujian XRD, SEM Dimasukkan Kantong Membran Polypropylene Acid Treatment dengan HCl 0,5 M selama 24 jam Pengujian XRD

18 PREPARASI LUMPUR SIDOARJO Sentrifuge 2500 rpm, 20menit Memisahkan Likuid dengan Solid Air Lumpur Sidoarjo Pengujian ICP

19 HASIL KALSINASI LITHIUM MANGAN OKSIDA LMO 0,5 LMO 0,8 LMO 1 LMO 2

20 PEMBUATAN ADSORBEN Pembuatan Kantong Memasukkan Adsorbent dalam Kantong Acid Treatment Adsorbent Proses acid Treatment Proses Pembuatan Kantong Polypropylene Kantong Polypropylene

21 PREPARASI LUMPUR SIDOARJO Pengambilan Sample Lumpur Sidoarjo Centrifuge (2500 rpm, 15 minute) Air Lumpur Sidoarjo siap digunakan Sebelum centrifuge Sesudah centrifuge serta pemisahan solid dari likuid

22 PROSES ADSORBSI Memasukkan adosrben ke dalam Lumpur Sidoarjo Setelah 24 jam, adsorben dikeluarkan Air Lumpur Sidoarjo di Uji ICP kembali Proses Adsorbsi

23 ANALISA PENGUJIAN XRD Pengujian XRD dilakukan 2 kali, setelah kalsinasi dan setelah proses acid treatment. Pengujian XRD setelah kalsinasi untuk mengetahui fasa apa saja yang terbentuk pada setiap sample dan bagaimana struktur kristal dari masing-masing sample. Sedang pada pengujian XRD setelah acid treatment dilakukan untuk mengetahui bagaimanakah perubahan pada sample adsorben ketika lithium pada struktur kristal dikeluarkan.

24 HASIL XRD SETELAH KALSINASI (2) (1) (0,8) Δ=Fasa LMO Spinel =Li 2 CO 3 =Li 2 MnO 3 (0,5)

25 Dengan mencocokan hasil spektra XRD sample dengan PDF card diketahui bentuk Crystal System dari masing-masing sample. Nama PDF Card Crystal Crystal Rumus Kimia Sample Number Structure System LMO 0,5 LiMn 2 O Spinel Cubic LMO 0,8 Li 1,3 Mn 1,6 O Spinel Cubic LMO 1 Li 1,6 Mn 1,6 O Spinel Cubic LMO 2 Li 2 MnO Monoclinic LMO 0,5; 0,8 dan 1 memiliki crystal struktur yang sama dengan reference PDF CARD yaitu spinel.

26 Dengan menggunakan rumus: aa = (h 2 + kk 2 + ll 2 ) dd 2 h,k,l didapat dari PDF card pada d yang hampir sama dengan hasil pengujian Dapat diketahui berapa ukuran lattice parameter pada sample yang memiliki system cystal cubic (LMO 0,5; 0,8 dan 1) Nama Sample Rumus Kimia Lattice Parameter (A) LMO 0,5 LiMn 2 O 4 8,23 LMO 0,8 Li 1,3 Mn 1,6 O 4 8,16 LMO 1 Li 1,6 Mn 1,6 O 4 8,15

27 Perbedaan ukuran lattice parameter disebabkan oleh distribusi lithium pada system kristal masing-masing sample. Pada LMO 0,5(LiMn 2 O 4 ) Lithium mengisi posisi tetrahedal sedang mangan mengisi posisi oktahedral. Semakin bertambahnya rasio Li/Mn maka distribusi lithium tidak lagi hanya berada pada posisi tetrahedral namun juga mengganti sebagian mangan pada posisi oktahedral LMO 0,5 LMO 0,8

28 Sedang pada LMO 2 yang terbentuk bukan lagi struktur spinel tapi struktur monoklinik. Struktur monoklinik Li 2 MnO 3 Serta dari analisa XRD juga diketahui terdapat Lithium Karbonat yang belum bereaksi pada adsorben LMO 2.

29 PENGUJIAN EDX Pengujian ini dilakukan untuk memastikan keberadaan Lithium Karbonat pada sample LMO 2(yang terindikasi dari hasil XRD).

30 Element Mean Value (Mass Percent) Carbon 10,96 Oksigen 60,10 Mangan 28,39 Natrium 0,20 Aluminium 0,18 Silicone 0,17

31 HASIL XRD SETELAH ACID TREATMENT Dengan membandingkan hasil spectra sesudah dan sebelum acid treatment dapat diketahui perubahan yang terjadi pada struktur kristal setiap adsorben

32 HASIL XRD SETELAH ACID TREATMENT

33 Bentuk spektra pada LMO 0,5; 0,8 dan 1 tetap sama, terjadi pergeseran peak kearah kanan. Bentuk yang sama menandakan reaksi yang topotaktis Pergesaran menandakan perubahan ukuran lattice parameter. Dengan menggunakan rumus yang sama dapat dihitung ukuran lattice parameter pada sample. Sample Lattice Parameter (Å) Nama Rumus Kimia Pre Acid Treatment Post Acid Treatment LMO 0,5 LiMn 2 O 4 8,23 8,06 LMO 0,8 Li 1.3 Mn 1.6 O 4 8,16 8,04 LMO 1 Li 1.6 Mn 1.6 O 4 8,15 8,08

34 Setelah proses acid treatment dimana lithium dikeluarkan dari struktur kristal LMO maka yang masih terdapat pada adsorben ialah kerangka mangan oksida Hal tersebut menyebabkan mengecilnya lattice parameter dari kristal

35 Pada LMO 2, terjadi perubahan yang signifikan pada hasil spectra. Menandakan bahwa LMO 2 tidak mengalami pertukaran ion yang topotaktis. Struktur yang berubah tidak dikehendaki dalam proses adsorbsi dan desorbsi karena menunjukan ketidakstabilan yang akan mempengaruhi kapasitas lithium yang bisa diadsorb dan desorbsi

36 PENGUJIAN SEM Pengujian SEM dilakukan setelah proses kalsinasi LMO untuk mengetahui bagaimana morfologi dan ukuran dari sample yang sudah terbentuk

37 LMO 0,5 LMO 0,8 LMO 1 LMO 2 Range ukuran serbuk = 2 mikrometer 50 mikrometer

38 Ukuran serbuk yang terlalu kecil dapat menyebabkan keluarnya serbuk dari kantong adsorben. Hal ini tidak dikehendaki karena hilangnya serbuk dapat mengurangi kapasitas ion lithium yang bisa diadsorb dan desorb. Ukuran pori dari Kantong Polypropylene yang digunakan ialah 3 micrometer (Chung, 2008)

39 PENGUJIAN ICP Pengujian ICP dilakukan untuk mengetahui seberapa besar kandungan lithium pada Lumpur Sidoarjo sebelum dan setelah proses adsorbsi dilakukan oleh sample Hal ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan penyerapan lithium (Lithium Uptake) dari setiap sample

40 Tabel Lithium Uptake Lithium Mangan Oksida Sample Lusi Pre Adsorbsi Lusi Post Adsorbsi Lithium Uptake (mg/g) LMO 0, LMO 0, LMO LMO

41 Grafik Lithium Uptake terhadap Rasio Li/Mn Lithium Mangan Oksida

42 KESIMPULAN Proses adsorbsi Lithium dari Lumpur Sidoarjo dapat dilakukan dengan menggunakan Adsorben berbasis LMO. LMO 1, 0,8 dan 0,5 memiliki struktur kristal Spinel, sedangkan pada LMO 2 memiliki struktur kristal Monoklinik. Adsorben LMO dengan struktur kristal Spinel memiliki kemampuan menyerap Lithium paling tinggi pada rasio mol Li/Mn 1 dengan Lithium Uptake sebesar 6,6 mg/g, pada LMO 2 yang berstruktur Monoklinik tidak dapat menyerap Lithium SARAN Pada proses acid treatment dan adsorbs perlu digunakan container atau wadah yang sesuai sehingga dapat dilakukan steering. Penelitian selajutnya diharap fokus pada jenis Lithium Mangan Oksida dengan rasio mol Li/Mn 1 karena sudah terbukti memiliki lithium uptake yang tinggi. Penelitian selanjutnya diharap dapat melakukan proses recovery Lithium yang lebih lengkap, tidak sampai tahap adsorbsi saja.

43 Kandungan Lithium Sidoarjo Kandungan lithium = 5 ppm (mg/liter) Debit Lumpur= m 3 /hari = 10x10 6 liter/hari Lithium yang dikeluarkan setiap hari = 50x10 6 mg/hari= 50 Kg/hari Setiap tahunnya= kg/tahun

44 LMO 1: Perhitungan Lithium Uptake (mg/g) ((llllllll pppppppppppppppppp LLLLLLLL pppppppppppppppppppp) 1llllllllll) (( 5.81mmmm llllllllll LMO 0.8: LMO 0.5: (( 5.81mmmm llllllllll (( 5.81mmmm llllllllll mmmmmmmmmm aaddllppppppppaa 5.25mmmm llllllllll ) 1 llllllllll) 0.1 gg 5.36mmmm llllllllll ) 1 llllllllll) 0.1 gg 5.78mmmm llllllllll ) 1 llllllllll) 0.1 gg = 0.66 mmmm 0.1gg = 0.45 mmmm 0.1gg = 0.03 mmmm 0.1gg = 6.6 mmmm/gg = 4.5 mmmm/gg = 0.3 mmmm/gg

45 Reaksi Redoks pada LMO 0,5 4(Li)[Mn III Mn IV O 4 ]+ 8H + = 3[Mn IV 2]O 4 + 4Li + + 2Mn H 2 O (Burns et al, 1996) Ion exchange LMO 0,8 (Li) [Li 0.33 Mn 1.67 IV ]O H + -> (H)[H 0.33 Mn 1.67 IV ]O Li + (Y-S Kim et al, 2002) Ion exchange LMO 1 (Li)[Li 0.2 ] 16c [Li 0.4 Mn 1.6 ] 16d O H + -> (H)[Li 0.2 ] 16c [Li 0.4 Mn 1.6 ] 16d O Li +

46 Rasio Li/Mn Massa reaktan yang dibutuhkan untuk sintesa LMO Rumus Kimia Sample Nama Sample Massa Reaktan (gram) Li 2 CO 3 MnO 2 0,5 LiMn 2 O 4 LMO 0,5 20,44 96,13 0,8 Li 1,3 Mn 1,6 O 4 LMO 0,8 29,79 87,97 1 Li 1,6 Mn 1,6 O 4 LMO 1 36,27 85,29 2 Li 2 MnO 3 LMO 2 63,24 74,35