Perpustakaan Digital ITB

Teknologi pemisahan hidrogen memiliki peran penting dalam aplikasi hidrogen sebagai energi pembawa (carrier energy) bersih masa depan. Teknologi membran berbasis paladium merupakan salah satu teknologi yang terus dikembangkan sebagai teknologi pemisahan hidrogen dengan selektivitas sangat tinggi yang mencapai 100%. Logam paladium merupakan logam dengan harga yang mahal dan langka serta memiliki ketahanan mekanik dan termal yang kurang baik. Salah satu metode untuk memperbaiki sifat tersebut adalah dengan memodifikasinya menjadi paduan dengan logam lain seperti Ag, Cu, dan Au. Membran paduan Pd-Ag dilaporkan memiliki permeabilitas H2 relatif tinggi dibandingkan dengan paduan logam lain. Sementara itu, membran paduan Pd-Ag-Au dilaporkan memiliki ketahanan kimia yang baik. Membran Pd-Ag dan Pd-Ag-Au menjadi pilihan utama dalam pengembangan membran binary dan ternary dengan selektivitas dan ketahanan kimia yang tinggi untuk proses pemisahan H2. Berbagai metode sintesis membran berbasis paladium telah dikembangkan oleh para peneliti sebelumnya. Dari berbagai metode sintesis membran tersebut, membran berbasis paladium yang menggunakan metode sintesis electroless plating memiliki permeabilitas hidrogen yang tinggi. Untuk mendapatkan metode electroless plating yang optimal, berbagai modifikasi telah dikembangkan, seperti variasi komposisi bak pelapisan, variasi bahan kimia yang digunakan, penggunaan kondisi vakum, tekanan osmosis, dan juga variasi yang berkaitan dengan prosedur pelapisan electroless plating. Studi terkait pengaruh tingkat vakum yang berbeda pada proses electroless plating terhadap karakteristik membran paduan berbasis paladium belum pernah dilaporkan sebelumnya. Penelitian ini akan mengkaji pengaruh aplikasi vakum pada proses pembuatan membran Pd-Ag dan Pd-Ag-Au dengan metode electroless plating. Membran paduan paladium diaplikasikan untuk pemisahan hidrogen dengan umpan berupa campuran gas. Keberadaan gas pengotor dalam umpan menjadi salah satu tantangan dalam aplikasi membran berbasis paladium. Gas pengotor di umpan dapat menjadi inhibitor maupun menjadi penyebab terjadinya fenomena polarisasi konsentrasi untuk hidrogen berpermeasi di permukaan membran paladium. Fenomena ini dapat menurunkan kinerja membran secara signifikan. Evaluasi kinerja membran Pd-Ag yang disintesis dengan bantuan vakum dipelajari dalam penelitian ini. Evaluasi kinerja membran Pd-Ag dilakukan secara tunak maupun dinamik. Evaluasi secara tunak dilakukan untuk mengetahui efek tiap gas pengotor yang terlibat terhadap nilai fluks H2. Sementara itu, operasi dinamik digunakan untuk mengurangi efek inhibisi maupun fenomena polarisasi konsentrasi yang terjadi karena kehadiran gas pengotor di sisi umpan. Tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengembangkan membran berbasis paladium untuk proses pemisahan hidrogen serta melakukan evaluasi kinerja membran dengan adanya gas pengotor berupa CH4, CO, CO2, dan H2O dalam keadaan tunak dan dinamik. Dalam penelitian ini, sintesis membran berbasis paladium dilakukan dengan metode electroless plating secara sirkulasi dengan modifikasi kondisi vakum. Pelapisan dilakukan secara berurutan di mana pelapisan paladium dilakukan terlebih dahulu dan dilanjutkan dengan pelapisan perak. Dua tingkat vakum yang berbeda digunakan dalam proses pelapisan paladium, yaitu -1 inHg dan -5 inHg. Proses anealing dilakukan pada suhu 600 oC selama 6 jam dalam lingkungan hidrogen untuk membentuk membran paduan. Membran Pd-Ag dan Pd-Ag-Au yang dihasilkan selanjutnya dianalisis menggunakan SEM EDS, XRD, dan AFM. Evaluasi membran dilakukan secara tunak maupun dinamik dengan melibatkan empat gas pengotor berupa CH4, CO, CO2, H2O, dan Argon sebagai balancing gas pada suhu permeasi medium, yaitu 300 oC. Keempat gas tersebut merepresentasikan gas yang terlibat dalam reaksi reformasi kukus maupun kering dan juga penggeseran air gas. Evaluasi kinerja membran dilakukan dengan menggunakan rangkain peralatan uji coba membran dengan konfigurasi shell dan tube yang dilengkapi dengan mass flow controller, heater, furnace, kondensor, temperature controller, dan on-line Gas Chromatography. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan vakum dapat mempercepat deposisi logam pada permukaan alumina dan menghasilkan lapisan paladium yang lebih tipis dengan ketebalan 7,28 ± 0,57 ?m dan kekasaran permukaan rata-rata 19,27 nm. Namun, penggunaan vakum juga dapat menginisiasi terjebaknya pengotor pada permukaan membran, yang menghasilkan membran yang lebih tebal. Proses anil dengan suhu lebih rendah dan waktu yang lama dapat lebih baik membuat paduan logam yang homogen dibandingkan suhu tinggi dan waktu yang singkat. Pemilihan pendukung alumina yang baik sangat menentukan keberhasilan proses pelapisan logam. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa nilai permeabilitas H2 membran Pd-Ag (M1) pada suhu 300 oC menunjukkan nilai terbaik, yaitu 6,85 x 10-9 mol·m-1·detik-1·Pa-0,5 dibandingkan dengan membran Pd-Ag (M4) dan Pd-Ag- Au (M7). Nilai permeabilitas H2 meningkat dengan kenaikan suhu permeasi. Nilai permeabilitas H2 dipengaruhi oleh komposisi membran, metode pembuatan, dan proses anil. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa energi aktivasi membran Pd-Ag (M1), yaitu 4,12 kJ/mol lebih kecil dibandingkan nilai energi aktivasi membran Pd- Ag-Au (M7), yaitu 8,64 kJ/mol. Penambahan komponen Au dapat meningkatkan energi penghalang untuk gas berpermeasi melewati kisi logam. Selanjutnya, hasil evaluasi dengan menggunakan berbagai gas pengotor menunjukkan bahwa gas CO2, CH4, H2O, dan Ar menunjukkan efek non inhibisi pada permukaan membran Pd-Ag. Penurunan fluks H2 dengan kehadiran gas tersebut hanya karena efek pengenceran. Hal ini berbeda dengan gas CO yang menunjukkan efek inhibisi pada permukaan membran. Hasil evaluasi menunjukkan bahwa efek inhibisi gas CO tidak cukup signifikan pada membran Pd-Ag dibandingkan dari berbagai laporan peneliti terdahulu. Sementara itu, membran Pd- Ag-Au memiliki CO adsorption coverage yang lebih rendah dibandingkan Pd-Ag. Hasil evaluasi Hukum Sieverts dengan kehadiran gas pengotor menunjukkan bahwa model persamaan yang dikembangkan oleh Barbierri dkk. cukup baik merepresentasikan hasil penelitian pada kondisi permeasi yang digunakan. Hasil fitting konstanta menunjukkan bahwa nilai konstanta adsorpsi gas CO lebih besar dibandingkan dengan gas lainnya. Hal ini mengindikasi ada ikatan kuat antara gas CO dan membran Pd-Ag. Hasil evaluasi dengan operasi dinamik menunjukkan bahwa operasi dinamik telah berhasil meningkatkan kinerja membran Pd-Ag. Hal ini terlihat dari peningkatan nilai fluks H2 dan persen penjumputan H2 dibandingkan saat kondisi tunak. Peningkatan ini mungkin disebabkan oleh efek perturbasi yang dihasilkan dengan operasi dinamik dapat secara efektif menurunkan efek inhibisi maupun efek polarisasi konsentrasi di sisi umpan. Kondisi optimum operasi dinamik dipengaruhi oleh banyak variabel seperti nilai switching time, pola input yang digunakan, nilai amplitudo umpan, serta komposisi umpan yang digunakan. Misalnya saat menggunakan umpan gas campuran, nilai switching time optimal adalah 10 menit dengan amplitudo umpan kecil yaitu 80/120 mL/menit. Persen peningkatan fluks tertinggi sebesar 17,2% diperoleh dengan operasi dinamik dengan pola injeksi reguler selama 10 detik dengan nilai switching time 8 menit dengan menggunakan umpan gas campuran.