a BAB 5 MONOSORB

BAB V

MONOSORB

 

Pokok Bahasan :

            Dalam bab ini dibahas tentang alat monosorb, untuk mengukur kuantitas suatu gas dengan cara adsorbsi pada permukaan padat, yang didasarkan atas perubahan konduktivitas panas pada campuran adsorbent yang mengalir dan gas inert pembawa, biasanya menggunakan nitrogen dan helium.

Teori yang digunakan untuk prosedur kerja monosorb didasarkan pada persamaan monosorb. Turunan, batas-batas, dan asumsi-asumsi pada teori monosorb diuraikan secara lengkap dalam berbagai buku teks kimia modern. Luas permukaan suatu padatan dapat ditentukan dengan beberapa cara, salah satu diantaranya adalah secara adsorbsi. Prosedur kerja monosorb dan mampu mengaplikasikan dalam contoh analisa monosorb.

Tujuan Instruksional :

  1. Pembaca diharapkan memahami pengertian tentang alat monosorb.
  1. Pembaca diharapkan memahami pengertian tentang teori monosorb
  2. Pembaca diharapkan memahami pengertian tentang Luas permukaan suatu padatan secara adsorbsi.
  1. Pembaca diharapkan mampu menjalankan prosedur kerja monosorb.
  2. Pembaca diharapkan memahami contoh analisa monosorb.

 

 

5.1       Pendahuluan

Alat MONOSORB mengukur kuantitas suatu gas dengan cara adsorbsi pada permukaan padat, yang didasarkan atas perubahan konduktivitas panas pada campuran adsorbent yang mengalir dan gas inert pembawa, biasanya menggunakan nitrogen dan helium. Konsentrasi yang dianjurkan adalah 30% mol nitrogen.

Gambar 5.1   Alat Instrumentasi Monosorb

5.2       Teori Dasar Monosorb

Teori yang digunakan untuk prosedur kerja momosorb didasarkan pada persamaan BET. Turunan, batas-batas, dan asumsi-asumsi pada teori BET diuraikan secara lengkap dalam berbagai buku teks kimia modern.

Persamaan monosorb dapat diturunkan sebagai berikut:

            …………………  (5.1)

Dimana :

P          = tekanan parsial adsorbate

Po         = tekanan uap jenuh kesetimbangan adsorbate pada

temperature dingin

X          = berat adsorbate pada tekanan relative (P/Po)

Xm       = berat adsorbate yang disarankan untuk menutup permukaan

dengan lapisan satu molekul

C          = suatu konstanta yang merupakan fungsi interaksi energi antara adsorbate dan adsorben

Plot antara  menghasillkan garis lurus dengan

sebuah slope (C-1)/ (Xm.C) dan sebuah garis potong dari 1/(Xm.C). Berat adsorbate terhadap permukaan pada satu monilayer (lapisan tunggal) yang disimbolkan dengan X memberikan persamaan sebagai berikut.

                 ………………………………  (5.2)

Dimana :

Slope dari plot BET =  dan garis potong dari plot BET =

Secara eksperimen, pada umumnya permukaan yang diberikan dari hasil plot BET dengan garis potongnya hanya sedikit persentase dari harga korespondensi slope. Jika garis potong yang berbentuk itu tidak diperhatikan/diabaikan terhadap slope dan dihilangkan, maka persamaan (5.1) menjadi:

                         …………………………   (5.3)

Penjabaran ruas kanan persamaan (5.3) di atas memberikan persamaan (5.4) :

                     ………………….   (5.4)

Bila garis potong diasumsikan sama dengan 0, maka persamaan (5.4) menjadi

   …………………………….   (5.5)

dan

   ……………………………… (5.6)

Dari persamaan gas ideal :

                     ……………………………….  (5.7)

Dimana :

=     tekanan rata-rata

V       =     volume gas yang di adsorpsi dan di desorbsi

M       =     berat molekul adsorbate

R       =     konstanta gas umum

T       =     temperature rata-rata

Subtitusi X ke persamaan (5.6) menghasilkan

   ………………………..  (5.8)

Total luas permukaan sample dapat ditentukan dari Xm, yaitu

   ………………………… (5.9)

Dimana:

St       =     luas total dari semua molekul adsorbate dalam sebuah lapisan

tunggal (monolayer) atau luas total permukaan sample

N       =     Bilangan Avogadro

M       =     berat molekul adsorbate

Acs     =     luas adsorbate cross sectional

Subtitusi persamaan (5.8) ke persamaan (5.9) dengan pengaturan kembali batas-batasnya memberikan persamaan berikut:

 …………………………  (5.10)

Tabel 5.1 berikut memberikan beberapa harga yang biasanya digunakan pada luas adsorbate cross area, Acs

Tabel 5.1. Harga yang digunakan pada luas adsorbate cross area, Acs

Adsorbate

Acs (m2x10-20)

Referensi

Nitrogen

16,2

4

Kripton

20,5

5

Argon

14,2

6

Xenon

25,0

7

Oksigen

14,0

8

Etane

20,5

9

Butane

46,9

10

Bila menggunakan Nitrogen sebagai adsorbate pada suhu 295 K (220C) dan tekanan 1,0 atm, maka persamaan (5.10) menjadi:

  ……………………………..  (5.11)

MONOSORB dipakai dengan menggunakan sebuah tangkai untuk mensuplai adsorbate dengan tekanan fraksional 0,3. tekanan uap jenuh untuk adsorbate murni (Po), dalam hal ini adalah Nitrogen, menjadi sedikit lebih tinggi dibandingkan tekanan rata-rata karena zat impuritis yang dipisahkan dalam pendingin nitrogen cair. Nilai Po selalu diperoleh dalam 10-20 mmHg di atas tekanan rata-rata.

Dengan menggunakan harga 15 mmHg dan tekanan rata-rata diasumsikan 1,0 atm, maka tekanan relative dapat ditunjukkan dalam persamaan berikut:

   ……………………………  (5.12)

Persamaan (5.11) menjadi

   …………………………….. (5.13)

Sehingga diperoleh sample dengan luas area 2,84 m2 untuk setiap cm3 gas yang adsorbsi.

MONOSORB di desain untuk memberikan data secara akurat dan memberikan perhitunga integrasi 2,84 untuk setiap cm3 gas yang diadsorbsi dari permukaan sample pada saat sel bergerak dari tempatnya. Jika adsorbate lain yang digunakan selain Nitrogen, dalam memperoleh datanya, meskipun ada, akan tidak akurat atau tidak sesuai dengan luas permukaan.

5.3      Penentuan Luas Permukaan Secara Adsorbsi

Luas permukaan suatu padatan dapat ditentukan dengan beberapa cara, salah satu diantaranya adalah secara adsorbsi. Penentuan ini berdasarkan pada teori isotherm BET atau teori isotherm Langmuir. Teori BET biasanya digunakan pada adsorbsi dalam larutan. Untuk model adsorbsi yang mengikuti tipe Langmuir, berlaku persamaan ;

                   ……………………….  (5.14)

Atau dapat ditulis

                   ………………………..(5.15)

Penentuan luas permukaan dilakukan terlebih dahulu dengan menghitung harga namax dari aliran antara C/na dengan C. Luas permukaan spesifik dihitung dari persamaan :

                  ………………………..(5.16)

Dimana:            å = luas permukaan spesifik

No = bilangan Avogadro

So = luas yang ditempati oleh suatu molekul adsorbat pada permukaan

Adsorbat yang sering dipilih untuk penentuan luas permukaan adalah zat warna, karena kemudahan analisanya secara kalorimetri. Salah satu zat warna yang bisa digunakan adalah metilen biru, yang menurut penelitian Graham (1955) mempunyai luas molekuler 197 pada permukaan karbon Graphon.

5.4      Prosedur Kerja Monosorb

Rangkaian alat instrumen monosorb (BET) tipe Quantachrom Corporation Monosorb part No 05001 yang ada di labolatorium instrumentasi Jurusan Teknik Kimia FTI ITS sebagai berikut:

Gambar 5.2    Rangkaian alat instrumen monosorb (BET)

Adapun prosedur kerja secara ringkas sebagai berikut :

  1. Memvakumkan BET system dengan menjalankan pompa vakum dan pompa difusi sehingga system yang vakum 1 x 10-40tor.
    1. Memakai N2 jika keadaan vakum tercapai
    2. Manimbang katalis (sample) sekitar 0,5 gram dan ditempatkan dalam rekator lalu BET dipanaskan sampai suhu 1750C
    3. Reaktor direndam dalam N2  cair dan ketinggiannya dijaga selama pengambilan data.
    4. Mengisi BET systemdengan gas N2 sampai tekanan tertentu (tekanan manometer dicatat)      

5.5      Contoh Analisa

 

Contoh Hasil Yang Dikarakterisasi Dengan BET

Dari data yang diperoleh dengan jari-jari rata-rata pori = 8,324E+0,0A dengan berdasar Tabel 5. 2 dari Gates didapat diameter pori = 2,9 x 5,9° untuk 8 cincin, sedang 6,7 x 7,0A untuk 12 cincin sehingga jenis mordenit 12 cincin. Untuk volume pori dengan jari-jari 8,1 A pada p/po = 0,111260 didapatkan :

  • T method Micro pori = 1,071E-0,3 cc/c
  • MP method Micro pori = 1,853E-0,5 cc/c

Luas permukaan unutk meso pori area didapatkan 7,451E+0,0 m2/gram

Tabel 5.2. Perbandingan kandungan unsur, molekul penyususn zeolit dan hasil kerangka yang terbentuk

No

Tipe

Satuan Sel

Si/Al

Sistem pori

Diameter

1

Zeolit 3A

K12(AlO2 SiO2)12

0,9-1,0

3 D / 8 cincin

3,0 A

2

Zeolit 4A

Na12(AlO2 SiO2)12

0,9-1,0

3 D / 8 cincin

3,8 A

3

Zeolit 5A

Ca6(AlO2 SiO2)12

0,9-1,0

3 D / 8 cincin

4,2 A

4

Zeolit X

Naj[(AlO2)j (SiO2)]142-j ZH2O

J = 48-76 ; Z = 260

1,0-1,5

3 D / 12 cincin

8,1 A

5

Zeolit Y

J = 77-96 ; Z = 260

1,5-3,0

3 D / 12 cincin

8,1 A

6

ZSM-5

4TPA / (NaaSiO2)96-a (AlO2)a

Z = H2O n<4;TPA dapat diganti oleh Na

~10

3 D / Simsoidal 10 cincin

5,4 x 5,6 A

5,4 x 5,6 A

7

Zeolit L

K6Na3 (Al9Si27O72) 21 H2O

±3

3 D / 12 cincin

7,1 A

8

Mordenit

Na8 (Al3SiO40O96)24 H2O

2-5

3 D / 8 cincin atau 12 cincin

2,9 x 5,7 A

6,7 x 7,0 A

Sumber: Gates, 1992; Ruthoven, 1988

 

Karakterisasi dengan BET

Dari data BET pada hasil modifikasi zeolit yang melalui beberapa tahap sebelum proses impragnasi logam Ga didapatkan hasil yang mengecil, tetapi pada hasil setelah impragnasi dan kalsinasi III yang dilanjutkan dengan proses reduksi H2 ada yang mengalami penurunan dn ada yang mengalami keniakan yang bisa dilihat pada Tabel 5.3.

Dari Tabel 5.3 terjadi penurunan luas permukaan Micro dan meso pore, volume micro pore dan jari-jari pore rata-rata dari zeolit awal sampai proses kalsinasi II tapi mengalami kenaikan secara signifikan untuk luas permukaan micro dan meso pore, volume micro pore dan jari-jari rata-rata dari kalsinasi II sampai hasil akhir sehingga jelas terjadi pembentukan katalis baru.

Berikut ini dilampirkan print out hasil analisis BET dari lab RRK-KGA Jurusan TGP FT-UI Jakarta terhadap sample Zeolit Blitar sebelum dan sesudah kalsinasi

Tabel 5.3. Hasil BET dari zeolit blitar dan preparasi modifikasi zeolit Blitar menjadi Ga katalis

No

Jenis Analisa

Zeolit Blitar

Katalis dengan Kalsinasi II

Katalis dengan Kalsinasi III & Reduksi H2

1

Single Pount BET (m3/gr)

9,420E+00

4,878E-01

9,768E-01

2

Multi Pount BET (m3/gr)

9,331E+00

5,335E-01

9,838E-01

3

Langmuir surface area (m3/gr)

1,595E+01

1,042E+01

1,711E+00

4

Mesopore area (m3/gr)

7,451E+00

5,335E-01

9,020E-01

5

t method micro pore area (m3/gr)

1,880E+00

0,000E+00

8,181E-02

6

MP method micro pore area (m3/gr)

3,891E-02

7,992E-02

7

DR method micro pore area (m3/gr)

1,396E+01

7,741E-01

1,447E+00

8

T method micro pore volume (cc/c)

1,071E-03

0,000E+00

4,515E-05

9

MP method micro pore volume (cc/c)

1,071E-03

3,816E-05

10

Total pore volume dengan R = 8,1”A pada p/po = 0,11260

3,884E-03

1,582E-04

3,884E-04

11

Average pore radius A”

8,324E+00

5,816E-05

7,795E-00

 

 

 

 

5.6      Latihan Soal

Berilah tanda silang pada huruf B jika pernyataan di bawah ini Benar dan huruf S jika pernyataan Salah

1). B – S   Alat monosorb mengukur kuantitas suatu gas dengan cara adsorbsi pada permukaan padat, yang didasarkan atas perubahan konduktivitas panas pada campuran adsorbent yang mengalir dan gas inert pembawa, biasanya menggunakan nitrogen dan helium.

2). B – S       Secara teoritis, pada umumnya permukaan yang diberikan dari hasil plot monosorb dengan garis potongnya hanya menghasilkan sedikit persentase dari harga korespondensi slope.

3). B – S       Alat monosorb dipakai dengan menggunakan sebuah tangkai untuk mensuplai adsorbate dengan tekanan fraksional 0,3.

4). B – S       Nilai absorbate murni (Po) selalu diperoleh dalam 20-30 mmHg di atas tekanan rata-rata.

5). B – S       Tekanan uap jenuh untuk adsorbate murni (Po), dalam hal ini adalah Nitrogen, menjadi sedikit lebih tinggi dibandingkan tekanan rata-rata karena zat impuritis yang dipisahkan dalam pendingin nitrogen cair.

6). B – S       Adsorbat yang sering dipilih untuk penentuan luas permukaan adalah zat tanpa warna, karena kemudahan analisanya secara kalorimetri.

7). B – S       Alat monosorb didesain untuk memberikan data secara akurat dan memberikan perhitunga integrasi 2,84 untuk setiap cm3 gas yang diadsorbsi dari permukaan sample pada saat sel bergerak dari tempatnya.

8). B – S       Dengan menggunakan harga 15 mmHg dan tekanan rata-rata diasumsikan 1,0 atm, maka tekanan relative adalah 0,5.

9). B – S       Teori monosob biasanya digunakan pada adsorbsi dalam larutan, untuk model adsorbsi mengikuti tipe Langmuir.

10). B – S     Penentuan luas permukaan dilakukan terlebih dahulu dengan menghitung harga namax dari aliran antara C/na dengan n.

Lingkarilah a, b, c, d pada jawaban yang saudara anggap paling benar.

1).  Persamaan monosorb dapat diturunkan sebagai berikut:

Dimana, P adalah tekanan! : a. tekanan parsial adsorbate, b. tekanan uap jenuh kesetimbangan adsorbate pada temperature dingin, c. tekanan atmosferic kesetimbangan adsorbate pada temperature dingin, d. tekanan jenuh adsorbate.

2).   Dari persamaan gas ideal :

Dimana V adalah merupakan:

: a. volume liquida yang di adsorpsi dan di desorbsi, b. volume gas yang di adsorpsi dan di desorbsi, c. volume gas yang di adsorpsi, d. volume gas yang di desorbsi.

3). Bila menggunakan Nitrogen sebagai adsorbate pada suhu 295 K (220C) dan tekanan 1,0 atm, maka persamaan menjadi:

Dimana Po adalah : a. tekanan absorbate mutlak, b. tekanan absorbate tidak murni, c. tekanan absorbate murni, d. tekanan absorbate atmosferik.

4).  Persamaan monosorb dapat diturunkan sebagai berikut:

Dimana Xm adalah : : a. berat adsorbate yang disarankan untuk membuka permukaan dengan lapisan satu atom ; b. berat adsorbate yang disarankan untuk menutup permukaan dengan lapisan dua molekul ; c. berat adsorbate yang disarankan untuk membuka permukaan dengan lapisan satu molekul; d. berat adsorbate yang disarankan untuk menutup permukaan dengan lapisan satu molekul.

5).  Persamaan monosorb dapat diturunkan sebagai berikut:

slope dari persamaan tersebut diatas adalah: a. 1/Xm.C, b. 1/{X[(Po/P)-1)], c. P/Po, d. C-1/Xm.C

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: