Kode/Nama Rumpun Ilmu: 433 / Teknik Kimia

LAPORAN AKHIR TAHUN

PENELITIAN PRODUK TERAPAN

MODIFIKASI PERLAKUAN ASAM TERHADAP KARAKTERISTIK PRODUK

SILIKA SEKAM PADI

Tahun ke-1 dari rencana 2 tahun

TIM PENGUSUL:

Dr.rer.nat. Lanny Sapei, S.T., M.Sc. / 0425017801

Ir. Natalia Suseno, M.Si. / 0725126201

Dibiayai oleh:

Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat

Direktorat Jenderal Penguatan Riset dan Pengembangan

Kementerian Riset, Teknologi, dan Pendidikan Tinggi

Sesuai dengan Kontrak Penelitian Tahun Anggaran 2017

Nomor: 120/SP2H/LT/DRPM/IV/2017 tanggal 3 April 2017

UNIVERSITAS SURABAYA

OKTOBER, 2017

Judul

Peneliti/Pelaksana Nama Lengkap Perguruan Tinggi NIDN Jabatan Fungsional Program Studi NomorHP Alamat surel (e-mail) Anggota (1) Nama Lengkap NIDN Perguruan Tinggi Institusi Mitra (jika ada) Nama Institusi Mitra Alamat Penanggung Jawab Tahun Pelaksanaan Biaya Tahun Berjalan Biaya Keseluruhan

.,

HALAMANPENGESAHAN

: Modifikasi perlakuan asam terhadap karakteristik pfoduk silika sekam padi ·

: Dr LANNY SAPEI, S.T, M.Sc. : Universitas Surabaya : 0425017801 : Lektor : Teknik Kimia : 08562334496 : lanny .sapei@staff.ubaya.ac.id

: IR NAT ALIA SOESENO M.Si. : 0725126201 : Universitas Surabaya

: Tahun ke I dari rencana 2 tahun : Rp 70,000,000 : Rp 149,937,400

• .·

Kota Surabaya, 30 - 10 - 2017 Ketua,

0~~) (Dr LANNY SAPEI, S.T, M.Sc.)

NIPINIK 212021

Menyetujui, Ketua LPPM Ubaya

-r.s~ .. Tjahjoanggoro, M.Si.)

NlP/NlK 188008

0

RINGKASAN

Indonesia adalah negara penghasil padi terbesar ketiga dan sekitar 20% dari limbah

penggilingan padi adalah sekam padi. Sekam padi memiliki kandungan silika sekitar 20%. Oleh

sebab itu, sekam padi dapat dimanfaatkan sebagai alternatif sumber bio-silika seperti penyangga

katalis dan adsorben. Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari pengaruh jenis asam,

konsentrasi asam, waktu dan suhu leaching terhadap kemurnian dan karakteristik silika.

Penelitian silika dari sekam padi dilakukan dengan proses isolasi silika diawali dengan

perlakuan awal leachingmenggunakan asam klorida (HCl) atau asam sitrat (C6H8O7) dengan

beberapa variasi konsentrasi (0,001 M; 0,01 M; 0,1 M dan 1 M), waktu leaching (15, 30, 45, 60

menit), dan suhu leaching (50oC, 75

oC, 100

oC) untuk menghilangkan pengotor

anorganik.Perlakuan thermal pada suhu 750oC selama 5 jam dengan laju pemanasan 10

oC/menit

untuk menghilangkan senyawa organik. Silika sekam padi dikarakterisasi dengan menggunakan

analisa FTIR (Fourier Transform InfraRed), XRD (X-Ray Diffraction), XRF (X-

RayFluorescence) dan BET-SAA (Brunauer, Emmet dan Teller, Surface Area Analyzer).

Berdasarkan analisa FTIR ditemukan adanya gugus Si-O-Si pada bilangan gelombang 470-451

cm-1

cm-1

, 804-801 cm-1

, 1097-1089 cm-1

dan gugus -OH pada bilangan gelombang 3482-3381

cm-1

. Silika yang dihasilkan bersifat amorf berdasarkan analisa XRD. Pengaruh variabel waktu,

suhu, konsentrasi dan jenis asam tidak berpengaruh terhadap sifat amorf silika. Silika (SiO2)

yang diperoleh memiliki kemurnian tinggi yaitu sekitar 97 – 98% berdasarkan analisa XRF.

Semakin tinggi konsentrasi asam, temperatur, dan waktu leaching maka didapatkan kemurnian

silika yang tinggi pula. Kemurnian silika tertinggi terdapat pada sampel yang mengalami

perlakuan awal menggunakan asam klorida 1 M pada suhu 75oC dan 100

oC selama 60 menit

yaitu sebesar 99,4%. Penggunaan asam sitrat memiliki keefektifan yang hampir sama dengan

asam klorida dalam penghilangan senyawa pengotor tetapi asam sitrat lebih enviromental

friendly. Berdasarkan hasil analisa BET-SAA didapatkan luas permukaan spesifik silika tertinggi

sebesar 262,217 m2/g pada sampel asam klorida dengan konsentrasi 0,1 M pada temperatur

leaching 50oC selama 60 menit.

PRAKATA

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas penyertaan dan berkat-Nya yang

melimpah maka laporan kemajuan Penelitian Produk Terapan dengan judul “Modifikasi

Perlakuan Asam terhadap Karakteristik Produk Silika Sekam Padi” dapat terselesaikan dengan

baik.

Laporan ini merupakan bentuk pertanggungjawaban peneliti terhadap pendanaan hibah

kompetitif nasional Kemenristekdikti untuk tahun pelaksanaan ke-1. Selama penyelesaian

laporan penelitian ini, banyak sekali pihak yang telah memberikan bantuan kepada penulis.

Bantuan tersebut berupa sarana-prasarana dan dukungan moral dan material. Oleh karena itu,

penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Emma Savitri, S.T., M.Sc., selaku Ketua Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik

Universitas Surabaya.

2. Jessica Natalia Wibowo dan Chandra Widjaja yang telah membantu melakukan

eksperimen di dalam laboratorium Polimer dan Membran.

3. Dyah Ayu Ambarsari, ST., selaku laboran dari Laboratorium Polimer dan Membran yang

telah membantu analisis sampel menggunakan alat FTIR.

4. Mailinda, selaku laboran Laboratorium Fisika Universitas Negeri Malang yang telah

membantu karakterisasi sampel menggunakan alat XRF.

5. Fahmi, Erfan, dan beberapa laboran Laboratorium Energi ITS, yang telah membantu

karakterisasi sampel menggunakan alat XRD, FTIR, dan BET.

6. Semua pihak lain yang telah membantu dalam penyelesaian laporan akhir penelitian ini.

Penulis berharap semoga laporan ini bermanfaat bagi para kalangan peneliti dan masyarakat

yang membutuhkan pengetahuan mengenai metode isolasi silika dari sekam padi. Penulis

menerima dengan ikhlas kritik dan masukan yang bersifat membangun agar dapat menghasilkan

karya ilmiah yang lebih baik. Terima kasih.

Surabaya, 30 Oktober 2017

Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN

RINGKASAN

PRAKATA

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR LAMPIRAN

BAB 1. PENDAHULUAN ........................................................................................ 1

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................... 5

BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ................................................ 12

BAB 4. METODE PENELITIAN ............................................................................. 13

BAB 5. HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI ................................................. 16

BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA .................................................... 25

BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................... 28

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 29

LAMPIRAN ............................................................................................................... 32

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Rencana Target Capaian Tahunan ............................................................. 4

Tabel 2.1 Komposisi kimia dari sekam padi pada pembakaran 800oC dengan perbagai

perlakuan ................................................................................................. 7

Tabel 5.1 Warna abu sekam padi dengan variasi jenis asam, konsentrasi, waktu dan suhu

leaching ................................................................................................... 17

Tabel 5.2 Hasil uji XRF abu sekam padi ................................................................... 18

Tabel 5.3 Analisa FTIR.............................................................................................. 22

Tabel 5.4 Luas Permukaan Spesifik Abu Sekam Padi ............................................... 24

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peta jalan penelitian proses modifikasi perlakuan asam untuk mendapatkan high-

grade silika sekam padi ...................................................................... 11

Gambar 4.1 Bagan metode penelitian proses isolasi silika sekam padi melalui modifikasi

perlakuan asam sebelum perlakuan thermal ....................................... 13

Gambar 5.1 Pembentukan Senyawa kompleks .......................................................... 21

Gambar 5.2 Struktur Silika ........................................................................................ 21

Gambar 5.3 Spektra FTIR Abu Sekam Padi pada kontrol dan variasi asam ............. 22

Gambar 5.4 Analisa XRD pada sampel kontrol......................................................... 23

DAFTAR LAMPIRAN

L1. Penampakan Fisik Abu Sekam Padi

L2. Seminar Internasional ICEAI 2017, Kyoto

L3. Artikel “High-Grade Biosilica Isolated from Diluted Acids Leached Rice Husk” diterbitkan

dalam Prosiding internasional dan dipresentasikan pada ICEAI 2017, Kyoto

L.4. Draft Artikel journal berupa abstract dengan judul “Study of the Effects of Acid

concentration, temperature and time during leaching of rice husk with HCl”.

L.5. Draft HKI

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan negara agraris yang menghasilkan padi sebagai komoditas pertanian

utama. Menurut FAO (Food and Agriculture Organization), Indonesia adalah negara

produsen padi terbesar ketiga di dunia setelah China dan India (FAO, 2015). Produksi padi di

Indonesia pada tahun 2015 adalah sebanyak 75,36 juta ton gabah kering giling (GKG).

Angka tersebut mengalami peningkatan sebanyak 4,51 juta ton dibandingkan dengan

produksi GKG pada tahun 2014 (BPS, 2015).

Seiring dengan peningkatan produksi padi, maka produksi limbah dari hasil

pengolahan padi tersebut juga akan turut meningkat. Pada umumnya penggilingan gabah

menghasilkan 72% beras, 5-8% dedak, dan 20-22% sekam (Prasad et al., 2001). Sekam

merupakan limbah terbanyak dari hasil penggilingan gabah dan apabila sekam itu dibuang

maka membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Jika penanganan sekam padi kurang tepat maka

akan mencemari lingkungan. Sekam padi mengandung 78-80% bahan organik (lignin,

selulosa, gula) yang jika dibakar menghasilkan abu sekitar 20-22% (Yalçin dan Sevinç, 2001)

di mana sekitar 90% dari abu tersebut adalah silika (Sapei, 2012). Silika yang diisolasi dari

sekam padi memiliki struktur amorf terhidrasi (Sapei, 2012; Sapei, 2015) yang dapat

dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi industri seperti pasta gigi, karet, sebagai anti cake

agent pada industri roti (Kirk-Othmer, 1998), zeolit sintesis (Rawtani dan Rao, 1989) dan

catalyst support (Iler, 1979), dan adsorben (Sun, 2001). Pada saat ini, dengan berkembangnya

teknologi nano-material, silika dapat diproses menjadi bentuk nano silika yang

penggunaannya jauh lebih luas dan lebih bernilai ekonomis seperti untuk industri

semikonduktor dan industri berteknologi tinggi (Zaky et al, 2007). Silika juga bisa dipakai

sebagai bahan aditif dalam kosmetik dan deterjen, obat-obatan dan industri keramik

(Kalapathy et al., 2000), pemurnian minyak sayur, sebagai fasa diam dalam kolom

kromatografi, dan bahan pengisi (filler) polimer (Kim et al, 2004).

Produksi silika dari pasir kwarsa yang sifatnya kristalin tidak cukup ekonomis karena

memerlukan proses pada suhu tinggi (Kirk-Othmer, 1998). Silika sekam padi yang bersifat

amorf bersifat lebih reaktif dibandingkan dengan silika kristalin (Joley, 1961). Pada

penelitian ini akan dikaji proses modifikasi perlakuan awal sekam padi menggunakan

berbagai jenis asam (HCl, HNO3, asam asetat, asam oksalat, asam sitrat) untuk penghilangan

2

pengotor-pengotor logam yang mengandung K, Ca, Na, Fe, dll yang belum banyak dikaji

secara mendalam hingga saat ini. Konsentrasi asam yang digunakan, serta temperatur dan

lamanya proses perlakuan asam/ leaching akan dikaji secara komprehensif untuk

mendapatkan silika sekam padi yang sifatnya amorf dengan kemurnian dan luas permukaan

spesifik yang tinggi. Metode XRF (X-Ray Fluorescence), XRD (X-ray Diffraction), FTIR

(Fourier-Transform Infra Red Spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscope), serta

BET (Brunauer, Emmet, Teller) surface area analyser akan digunakan untuk pengujian

karakteristik silika yang diisolasi dari sekam padi.

Dengan demikian, silika high-grade yang diisolasi dari sekam padi akan berpotensi

untuk dimanfaatkan sebagai sumber bio-silika di samping peningkatan nilai ekonomis dari

residu pertanian sehingga turut mengurangi dampak buruk terhadap lingkungan.

1.2 Tujuan Khusus

1. Mempelajari pengaruh perlakuan awal (pretreatment) menggunakan berbagai jenis

asam, yaitu asam-asam inorganik seperti asam klorida (HCl) dan asam nitrat (HNO3),

serta asam-asam organik seperti asam asetat, asam oksalat, dan asam sitrat terhadap

kemurnian dan karakteristik silika sekam padi yang dihasilkan.

2. Mempelajari pengaruh modifikasi kondisi proses perlakuan asam/ leaching

(temperatur dan waktu) terhadap kemurnian dan karakteristik silika sekam padi yang

dihasilkan.

3. Mempelajari karakteristik silika (komposisi, sifat amorf, luas permukaan spesifik)

yang dapat diperoleh dari sekam padi untuk penggunaan lebih lanjut di bidang-bidang

aplikasi tertentu.

1.3 Urgensi (Keutamaan) Penelitian

Limbah sekam padi banyak sekali terdapat di daerah pedesaan sebagai hasil produk

samping penggilingan padi dengan potensi yang melimpah. Namun proses degradasi sekam

padi relatif berlangsung lambat karena kandungan silika yang cukup tinggi, sehingga

tumpukan limbah tsb dapat mengganggu lingkungan sekitarnya dan berdampak terhadap

kesehatan manusia. Sekam seringkali dimusnahkan dengan cara dibakar pada temperatur

tinggi yang tidak dikontrol sehingga menimbulkan polusi pada lingkungan di samping

menghasilkan abu sisa pembakaran yang umumnya mengandung silika kristalin yang bersifat

karsinogenik. Penggunaan sekam padi masih terbatas sebagai media tumbuh, pakan ternak,

dan biomassa/ sumber energi.

3

Silika sekam padi yang bersifat amorf dapat menggantikan fungsi fumed silica yang

biasanya terbuat dari pasir kuarsa dan dalam prosesnya memerlukan energi yang cukup

tinggi. Penggunaan perlakuan kimia menggunakan asam sebelum pembakaran mampu

menghasilkan silika dengan kemurnian yang cukup tinggi tanpa mengubah karakteristik sifat

amorf dari silika (Sapei, 2012). Dengan berlimpahnya bahan baku limbah sekam padi dan

proses pemurnian yang cukup sederhana, diharapkan silika high-grade yang dihasilkan

mampu mensubstitusi kebutuhan silika konvensional pada pelbagai aplikasi industri sehingga

mengurangi ketergantungan impor serta meningkatkan kesejahteraan masyarakat pada

umumnya.

1.4 Target dan Luaran

Target penelitian ini adalah menghasilkan teknologi ramah lingkungan yang efisien

dalam pengolahan limbah berbasiskan sumber daya alam terbarukan menghasilkan

produk yang memiliki nilai tambah. Lebih lanjut ini, produk yang dihasilkan

diharapkan merupakan material maju berupa bio-silika high-grade. Silika sekam padi

yang dihasilkan selanjutnya dapat diproduksi dalam skala besar melalui proses scale

up dan dapat dipergunakan dalam pelbagai aplikasi industri, seperti bahan pengisi/

filler dan adsorben.

Publikasi penelitian akan dilakukan di Materials letters dengan impact factor 2.489

atau Q1 Rank (2018/2019); Proceedings international conference ASEAN (2018)

4

Tabel 1.1 Rencana Target Capaian Tahunan

No Jenis Luaran

Indikator

Capaian

2018 2019

1 Publikasi ilmiah

Internasional 1

Nasional Terakreditasi

2

Pemakalah dalam pertemuan

ilmiah

Internasional 1

Nasional

3

Keynote Speaker dalam

pertemuan ilmiah

Internasional

Nasional

4 Visiting Lecturer Internasional

5

Hak Atas Kekayaan Intelektual

(HKI) Paten 1

Paten Sederhana

Hak Cipta

Merek dagang

Rahasia dagang

Desain Produk Industri

Indikasi Geografis

Perlindungan Varietas

Tanaman

Perlindungan Topografi

Sirkuit Terpadu

6 Teknologi Tepat Guna

7

Model/ Purwarupa/ Desain/

Karya Seni/ Rekayasa Sosial

8 Buku Ajar (ISBN)

9

Tingkat Kesiapan Teknologi

(TKT) 3 4

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Silika Sekam Padi

Pembakaran sekam padi akan menghasilkan ~20% abu. Silika adalah komponen

penyusun utama abu sekam padi (~90%) yang merupakan salah satu senyawa yang paling

banyak terdapat di alam. Silika yang terakumulasi di dalam makhluk hidup (“biosilika”)

seringkali dikenal sebagai phytolite yang merupakan bentuk primer dari silika amorf (SiO2

dengan 5-15% H2O). Jenis tanaman dikotil yang mengakumulasi phytolite diantaranya

Mytaceae, Causarinaceae, Proteaceae, Xantorhoeceae, dan Mimosaceae, sedangkan jenis

tanaman monokotil diantaranya adalah adalah Equistaceae dan Gramineae.

Tanaman

menyerap silika dari dalam tanah dalam bentuk silicic acid (H4SiO4), yang kemudian

dipolimerisasi dan dipresipitasi menjadi bentuk silika amorf. Beberapa karbohidrat dan

protein tanaman diketahui memiliki peran dalam polimerisasi biosilika menjadi bentuk silika

amorf. Silika non-kristalin atau amorf memiliki susunan atom dan molekul berbentuk pola

acak dan tidak beraturan. Akibat pola acak dan tidak beraturan tersebut, silika amorf

memiliki struktur spherikal yang rumit. Struktur rumit tersebut menyebabkan luas area

permukaan yang tinggi, biasanya diatas 3 m2/g (Kirk-Othmer, 1998). Silika amorf dalam

berbagai kondisi dianggap lebih reaktif dibandingkan dengan silika kristalin. Tingkat

kereaktifan dari silika amorf disebabkan karena adanya gugus hidroksil dari silanol yang

terbentuk melalui pemanasan yang mencapai temperatur 400oC. Gugus silanol (-SiOH) ini

dapat ditemukan di atas permukaan dari sampel silika yang menyebabkan terbentuknya

daerah yang reaktif (Kirk-Othmer, 1998). Silika amorf dapat dibuat menjadi berbagai macam

produk komersil. Berdasarkan cara memproduksinya dan cara partikelnya membentuk

agregat, silika amorf dapat dibuat menjadi silika sol, silika gel, silika endapan, dan silika

pirogenik. Sekitar 40% silika amorf sintetik diproduksi di Eropa, 30% di Amerika Utara, dan

12% diproduksi di Jepang. Eksploitasi silika amorf secara komersial yang paling banyak

digunakan untuk perindustrian adalah tanah diatom. Tanah diatom adalah sisa-sisa cangkang

dari ganggang diatom yang telah mati dan hancur membentuk endapan. Tanah diatom dapat

dimanfaatkan sebagai bahan peledak, campuran semen, bahan isolasi, dan lain-lain (Kirk-

Othmer, 1998).

6

2.2 Metode Isolasi Silika dengan Perlakuan Asam dan Proses Thermal

Sekam padi memiliki banyak senyawa organik dan inorganik yang cukup kompleks. Silika

dari sekam padi dapat diisolasi dengan berbagai cara. Secara sederhana pengisolasian silika

dapat dilakukan dengan cara pembakaran. Namun, metode pembakaran langsung tanpa

penghilangan logam pengotor akan menghasilkan abu yang hanya mengandung silika amorf

dengan kemurnian rendah (maks. 90%) dan adanya kemungkinan terbentuknya silika

kristalin. Hal ini dikarenakan adanya keberadaaan senyawa-senyawa pengotor inorganik

lainnya yang mengandung unsur mineral K dan Na yang dapat menurunkan titik leleh silika

sehingga dapat mempercepat perubahan fasa menjadi kristalin (Umeda, 2009). Penghilangan

pengotor-pengotor logam ini dilakukan melalui proses leaching menggunakan larutan asam

seperti H2SO4, HCl atau HNO3 (Chakraverty, 1988). Jumlah total logam yang terkandung

dalam larutan asam hasil hidrolisis dengan H2SO4 lebih rendah dibandingkan larutan asam

hasil hidrolisis dengan HCl, dan HNO3. Hal ini menunjukkan bahwa H2SO4 tidak cocok untuk

menghilangkan beberapa jenis logam yang terdapat dalam sekam padi. Hal ini dapat

disebabkan oleh pembentukan logam sulfat yang tidak mudah larut dalam air. Perlakuan

dengan HNO3 cenderung menhilangkan besi (Fe) namun tidak dapat menghilangkan semua

logam yang terkandung dalam sekam padi. Berdasarkan hasil uji perlakuan dengan berbagai

macam asam di atas, perlakuan dengan HCl terbukti paling efektif menghilangkan logam

dalam sekam padi (Chakraverty, 1988). Lebih lanjut lagi, perlakuan awal menggunakan asam

klorida 1 M telah sanggup menghilangkan pengotor logam lebih banyak dibandingkan HCl

dengan konsentrasi lebih tinggi (Chakraverty, 1988). Perlakuan asam menggunakan asam

nitrat dapat menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi yaitu sekitar 97,8% dengan

konsentrasi asam nitrat 1 M dengan waktu leaching 90 menit pada suhu didihnya

(Chandrasekhar et. al., 2005).

Penggunaan asam kuat seperti HCl, HNO3, H2SO4 memang sangat efektif untuk

mengurangi pengotor-pengotor yang terdapat dalam sekam padi namun penggunaan asam

kuat juga membutuhkan biaya yang cukup tinggi untuk peralatan anti korosi, penggunaan air

yang banyak untuk membilas sekam padi dan perlakuan khusus untuk pembuangan limbah.

Untuk menghindari hal tersebut, penggunaan asam organik, seperti asam sitrat yang lebih

ramah lingkungan, tidak berbahaya bagi manusia, dan lebih ekonomis mulai dikaji (Umeda,

2008).

Perbandingan kandungan logam dalam abu sekam padi yang dihasilkan tanpa

perlakuan dengan asam, dengan perlakuan dengan asam sitrat, dan perlakuan dengan asam

sulfat dapat dilihat pada Tabel 2.1.

7

Tabel 2.1 Komposisi kimia dari sekam padi pada pembakaran 800oC dengan berbagai

perlakuan

Berdasarkan Tabel 2.1, pencucian dengan asam sitrat dapat dikatakan efektif dan

hasilnya hampir menyerupai pencucian dengan H2SO4. Pencucian dengan asam sitrat ini

dapat menghilangkan ~97% kadar K2O dan mengurangi kadar CaO sebesar kurang lebih 50%

(Umeda, 2008).

Perlakuan awal dengan menggunakan asam oksalat juga menghasilkan silika dengan

kemurnian yang tinggi yaitu sekitar 94,42% yang dilakukan pada Andhra Pradesh rice husk

ash dengan konsentrasi asam oksalat 0,1 M (Chandrasekhar et. al., 2005). Menurut O.

Olawale, et. al. (2012) dalam jurnalnya yang berjudul ”Effect of Oxalic Acid On Rice Husk”

ada 2 jenis sekam padi yang digunakan dalam penelitiannya, yaitu sekam padi mentah (RRH)

dan sekam padi hasil leaching (LRH). Sekam padi, baik RRH maupun LRH, dicampur

dengan asam oksalat 1 M dalam beaker gelas yang ditempatkan pada hot plate dengan suhu

90C selama 1 jam. Sekam padi hasil leaching yang telah dikeringkan kemudian dikalsinasi

pada 700C dengan berbagai variasi waktu pembakaran yaitu 1, 3, dan 6 jam. Silika yang

dihasilkan bersifat amorf dan kemurnian tertinggi didapatkan pada sekam jenis LRH sebesar

91,26% berat SiO2 pada variasi waktu pembakaran 3 jam.

Pada penelitian yang dilakukan oleh Rafiee, et. al. (2012) memberikan perlakuan awal

asam pada sekam padi dengan menggunakan HCl, HNO3 dan CH3COOH. Berbagai variasi

konsentrasi asam yang digunakan adalah 0,01 M; 0,1 M; dan 1 M. Pengadukan dilakukan

dengan waktu leaching selama 90 menit. Kemudian sekam diberi perlakuan termal dengan

variasi suhu: 500, 700 dan 1000C selama 2 jam dan laju pemanasan : 2C/menit, 5C/menit

dan 10C/menit. Hasil yang didapat diuji dengan menggunakan XRF, FTIR, XRD dan TEM

(Tranmission Electron Microscopy). Silika dengan bentuk amorf dan berwarna putih

didapatkan dengan menggunakan perlakuan asam klorida (HCl) pada konsentrasi 1 M.

Temperatur pembakaran optimum yang didapatkan dari penelitian adalah 700C dengan laju

pemanasan 10C/menit. Silika yang didapatkan memiliki kemurnian 96,529% dengan surface

area 153,1 m2/gram. Surface area silika sebesar 148,7 m

2/gram diperoleh melalui proses

leaching menggunakan HCl 0,1 M. Sedangkan silika yang didapatkan dengan perlakuan awal

menggunakan HNO3 0,1 M memiliki surface area 129,8 m2/gram dan silika hasil perlakuan

awal menggunakan HOAc 0,1 M memiliki surface area sebesar 13,4 m2/gram.

8

Sapei (2015) melakukan proses leaching sekam padi menggunakan HCl 1 M dan 3 M

serta CH3COOH 3 M pada temperatur ruang selama 60 menit. Proses thermal dilakukan pada

750oC selama 5 jam dengan laju pemanasan 10

oC/ menit (Sapei, 2012). Silika yang

dihasilkan bersifat amorf berdasarkan uji XRD dan FTIR. Kandungan Si meningkat dari

~85% menjadi ~93-95%. Surface area meningkat dari ~18 m2/g (tanpa leaching) menjadi

~48 m2/g (HCl 1 M), ~36 m

2/g (HCl 3M) dan ~56 m

2/g (CH3COOH 3 M).

Sapei dkk. (unpublished) juga melakukan proses leaching sekam padi menggunakan

HNO3 dan asam oksalat pada temperatur 50-100oC selama 60 menit. Uji XRD dan FTIR

membuktikan bahwa silika yang dihasilkan bersifat amorf. Kandungan Si yang diperoleh dari

uji XRF berturut-turut 97,5% (0,05 M HNO3, 50oC) ; 95,5% (1 M asam oksalat, 50

oC) ;

96,4% (0,1 M asam oksalat, 100oC) ; dan 97,7% (1 M asam oksalat, 100

oC). Surface area

yang dihasilkan relatif tinggi yaitu masing-masing ~228 m2/g (1 M HNO3, 100

oC) dan ~260

m2/g (1 M asam oksalat, 100

oC).

Selama proses leaching, ada kemungkinan terjadinya hidrolisis senyawa-senyawa

organik, seperti hemiselulosa, lignin dan sebagian kecil selulosa yang akan turut membantu

proses penghilangan senyawa organik selanjutnya melalui proses thermal. Hemiselulosa

adalah polisakarida yang terdiri dari molekul-molekul monosakarida yang disatukan dengan

ikatan glukosida. Hemiselulosa dapat terhidrolisis sempurna dalam larutan asam membentuk

xilosa (50-70% w/w) dan arabinose (5-15% w/w) (Pessoa et. al., 1997). Hemiselulosa akan

menjadi furfural dalam larutan asam sitrat (Umeda, 2010).

Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan dengan rantai alifatik

yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin terdapat diantara sel-sel dan dalam dinding sel serta

berfungsi sebagai perekat untuk mengikat sel-sel agar tetap bersama. Keberadaan lignin

sangat erat hubungannya dengan selulosa yang berfungsi untuk memberi ketegaran pada sel

dan mengurangi degradasi terhadap selulosa. Pada suasana asam, berat molekul lignin akan

bertambah dan akan mengendap pada suasana yang sangat asam. Pada saat hidrolisa

dilakukan, lignin akan terlarut sebagian di dalam asam (Oktaveni, 2009).

Selulosa yang merupakan polimer lurus dari 1,4’-β-D-glukosa akan mengalami

hidrolisis lengkap dalam HCl 40% dan menghasilkan D-glukosa. Disakarida yang terisolasi

dari selulosa yang terhidrolisis sebagian adalah selobiosa yang dapat terhidrolisis lebih lanjut

menjadi glukosa dengan katalis asam atau dengan emulsin enzim (Fessenden, 1986). Dalam

larutan asam sitrat, selulosa dapat terkonversi menjadi levoglucosan (Umeda, 2010)

Sekam padi yang telah dimurnikan dari pengotor inorganik kemudian dibakar untuk

penghilangan senyawa-senyawa organik. Pembakaran yang dilakukan harus memiliki

9

temperatur yang terkontrol. Menurut Umeda dan Kondoh (2008), pembakaran sekam padi

yang didahului dengan perlakuan dengan asam sitrat dengan konsentrasi 5% terbukti dapat

menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi dan bersifat amorf walaupun dibakar

hingga temperatur 1000oC.

2.3 Analisis Karakteristik Silika

Jenis silika seperti silika amorf atau kristalin dapat ditentukan menggunakan uji FTIR

(Fourier Transform Infra Red Spectroscopy) melalui pengujian gugus fungsional silika dan

XRD (X-ray Diffraction) melalui pengujian struktur kristal silika. Kemurnian silika juga

dapat dianalisis secara kualitatif melalui uji FTIR dan XRD atau secara kuantitatif

menggunakan XRF (X-ray Fluorescence). Analisis mengenai luas permukaan spesifik

partikel silika yang dihasilkan dapat dilakukan dengan menggunakan BET (Brunauer, Emmet,

Teller) surface area analyser.

State of the art dari penelitian ini dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Penelitian ini akan mengkaji pengaruh penggunaan berbagai jenis asam beserta

modifikasi proses selama perlakuan asam (leaching) secara komprehensif untuk

mendapatkan silika high grade. Proses modifikasi menggunakan asam organik dengan

konsentrasi rendah dan kondisi leaching yang mild (temperatur rendah, waktu yang

singkat) sudah cukup mampu menghasilkan silika amorf dengan kemurnian dan luas

permukaan yang tinggi.

2. Teknologi proses yang dihasilkan dapat dimanfaatkan untuk pemanfaatan limbah sekam

padi menjadi produk dengan nilai tambah di samping pengurangan pembuangan limbah

yang masih mencemari lingkungan.

3. Inovasi proses yang dihasilkan dapat di-scale up pada skala industri untuk menghasilkan

silika high-grade sebagai material maju yang dapat digunakan pada berbagai aplikasi

industri seperti filler dan adsorben sehingga turut memberikan dampak positif terhadap

aspek ekonomi.

2.4 Peta Jalan Penelitian

Peta jalan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2.1. Pada tahap I penelitian

difokuskan pada proses leaching menggunakan asam konvensional seperti HCl dan HNO3.

Karakterisasi silika telah dilakukan untuk hasil leaching menggunakan HCl 1 M dan 3 M

selama 60 menit pada 25oC. Sedangkan proses leaching sekam menggunakan HNO3 yang

10

telah diujikan baru menggunakan HNO3 0,05 M pada 50oC dan 1 M pada 100

oC masing-

masing selama 60 menit. Oleh sebab itu masih banyak variasi modifikasi perlakuan asam

menggunakan HCl dan HNO3 pada berbagai konsentrasi serta kondisi leaching seperti

temperatur dan waktu leaching yang masih harus diujikan dan dipelajari pengaruhnya

terhadap karakteristik silika yang dihasilkan.

Tahap II menggunakan asam-asam organik seperti asam asetat, asam oksalat, dan

asam sitrat yang berpotensi untuk menggantikan asam konvensional untuk proses

penghilangan pengotor logam pada sekam padi. Asam asetat yang telah digunakan selama

proses leaching adalah yang memiliki konsentrasi 1 M dan 3 M selama 60 menit pengadukan

pada 75oC. Variasi waktu selama 15 menit dan variasi suhu ruang diujikan pada CH3COOH

3 M. Sedangkan untuk proses leaching menggunakan asam oksalat telah diujikan

menggunakan konsentrasi 0,1 M dan 1 M pada suhu 50oC dan 100

oC. Modifikasi proses

leaching menggunakan asam sitrat masih belum dilakukan. Dengan demikian, masih banyak

pengujian dan kajian komprehensif yang harus dilakukan untuk mempelajari pengaruh

modifikasi perlakuan asam terhadap kemurnian dan karakteristik silika yang dihasilkan.

Tahap III merupakan aplikasi silika high-grade yang diperoleh dari sekam padi untuk

keperluan berbagai industri sebagai bahan pengisi/ filler atau adsorben dan juga untuk

aplikasi di bidang pangan sebagai bahan tambahan anti kempal atau pengemulsi.

Tahap I (tahun ke-1) dan tahap II (tahun ke-2) merupakan tahap penelitian yang

diajukan pada proposal ini.

11

Gambar 2.1 Peta Jalan Penelitian Proses Modifikasi Perlakuan Asam untuk mendapatkan High-Grade Silika Sekam Padi

12

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

3. 1 Tujuan Penelitian

1. Mempelajari pengaruh penggunaan asam klorida dan asam sitrat terhadap

kemurnian silika.

2. Mempelajari pengaruh konsentrasi asam klorida dan asam sitrat, waktu dan suhu

leaching terhadap karakteristik dan kemurnian silika.

3. 2 Manfaat Penelitian

Melalui proses optimasi perlakuan asam, akan dipelajari pengaruh jenis asam dan kondisi

optimum yang diperlukan untuk mendapatkan abu silika dengan kemurnian yang tinggi.

Asam organik seperti asam sitrat bersifat lebih ramah lingkungan dan tidak korosif

dibandingkan dengan asam konvensional seperti asam klorida. Optimasi kondisi proses

seperti temperatur dan waktu leaching diperlukan untuk mendapatkan silika high grade

dengan penggunaan energi yang lebih rendah. Hasil penelitian ini akan sangat mendukung

perkembangan iptek dan mendorong pertumbuhan teknologi yang tepat dalam pengolahan

limbah sekam padi. Silika high grade ini memiliki memiliki nilai tambah dan nilai komersil

yang tinggi karena dapat digunakan sebagai bahan baku di bidang industri dari sumber daya

terbarukan. Di samping itu pengolahan limbah sekam padi mampu mengurangi dampak

buruk terhadap lingkungan. Dengan demikian penerapan hasil penelitan ini akan mendorong

pembangunan ekonomi rakyat desa diiringi dengan peningkatan nilai sosial dan budaya

masyarakat.

13

BAB IV

METODE PENELITIAN

4.1 Metode Percobaan

Protokol penelitian secara umum untuk tahun ke-1 dan ke-2 digambarkan dalam bentuk

diagram sederhana pada Gambar 3. 1.

Gambar 4.1 Bagan Metode Penelitian Proses Isolasi Silika Sekam Padi melalui Modifikasi

Perlakuan Asam sebelum Perlakuan Thermal

Tahap 1

Tahap 1 penelitian lebih difokuskan pada tahap penyiapan sampel yang mencakup proses

pemisahan sekam padi dari pengotor-pengotornya baik berupa debu/pasir atau sisa jerami

padi, diikuti dengan pencucian dan pengeringan di dalam oven pada suhu 105oC selama 1,5

jam. Dari tahap ini, akan diperoleh bahan baku yang sudah siap untuk perlakuan selanjutnya

yaitu proses leaching. Untuk setiap batch diperlukan 30 g sekam padi untuk proses leaching

dalam 500 ml pelarut asam.

Penyiapan bahan baku sekam padi mencakup proses pemisahan kotoran,

pencucian dan pengeringan (1).

Modifikasi perlakuan awal sekam padi menggunakan larutan asam dengan

variasi konsentrasi asam, temperatur dan lamanya leaching untuk penghilangan

pengotor logam selain silika pada sekam padi (2).

Tahun ke-1: HCl, asam sitrat

Tahun ke-2: Asam asetat, asam oksalat, HNO3

Optimasi proses modifikasi perlakuan asam untuk memperoleh jenis asam

terbaik pada kondisi proses optimum untuk menghasilkan silika amorf dengan

kemurnian tinggi dan luas permukaan spesifik yang tinggi (5).

Karakterisasi silika sekam padi menggunakan XRF, FTIR, XRD, BET, SEM (4).

Proses perlakuan thermal untuk penghilangan kandungan organik yang terdapat

dalam sekam padi (3).

14

Tahap 2

Tahap 2 merupakan tahap penelitian utama, yaitu proses modifikasi perlakuan asam

(leaching) sekam padi menggunakan berbagai jenis asam pada rentang variasi temperatur dan

lamanya leaching.

Pada penelitian tahun ke-1 akan digunakan variabel-variabel percobaan sbb.:

1. Jenis asam : Asam klorida dan asam sitrat

2. Konsentrasi asam sitrat dan klorida : 0,001 M ; 0,01 M ; 0,1 M ; 1 M

3. Temperatur leaching : 50 ⁰C, 75 ⁰C, 100 ⁰C

4. Waktu leaching : 15, 30, 45, 60 menit

Dari tahap ini akan diperoleh sekam padi yang bebas dari logam-logam alkali seperti K, Na,

Ca, Mg, serta pengotor logam lainnya seperti Al dan Fe.

Tahap 3

Pada tahap ini, sekam padi yang diperoleh melalui proses modifikasi perlakuan asam/

leaching akan mengalami proses thermal pada 750oC selama 5 jam dengan laju pemanasan

10oC/ menit untuk penghilangan senyawa-senyawa organik seperti selulosa, hemiselulosa,

dan lignin yang kandungannya mencapai ~80% dalam sekam padi.

Dari tahap ini akan diperoleh produk berupa silika sekam padi yang diharapkan memiliki

kemurnian yang cukup tinggi (> 95%) yang dapat diidentifikasi melalui warnanya. Warna

putih menunjukkan produk silika dengan kemurnian yang cukup tinggi.

Tahap 4

Tahap ini merupakan tahap analisa produk silika dengan menggunakan berbagai metode,

antara lain:

1. XRF: untuk menguji komposisi dan kemurnian produk silika secara kuantitatif (total

30 sampel/ tahun).

2. FTIR: untuk menguji gugus fungsional yang terdapat dalam silika sekam padi (total

15 sampel/ tahun).

3. XRD: untuk menguji sifat amorf produk silika sekam padi (total 15 sampel/ tahun).

4. BET: untuk penentuan luas permukaan spesifik silika sekam padi (total 25 sampel/

tahun).

Tahap 5

Pada tahap ini akan dilakukan optimasi proses melalui pengkajian:

15

- pengaruh jenis dan konsentrasi pelarut asam yang digunakan selama proses leaching

terhadap kemurnian dan karakteristik silika yang dihasilkan dibandingkan dengan

sampel tanpa perlakuan awal.

- pengaruh modifikasi kondisi proses perlakuan asam yaitu temperatur dan lamanya

leaching terhadap kemurnian dan karakteristik produk silika yang dihasilkan.

Luaran yang diharapkan pada tahap ini:

Diperoleh jenis asam yang ramah lingkungan dengan konsentrasi yang cukup rendah untuk

memperoleh high-grade silica. Di samping itu, kondisi proses optimum (temperatur yang

cukup rendah dan lamanya leaching yang cukup singkat) untuk mendapatkan silika amorf

dengan kadar kemurnian yang tinggi.

4.2 Peralatan dan Bahan yang digunakan

Peralatan yang digunakan: reaktor gelas, oil bath, motor, pengaduk, kondensor, thermometer,

tungku/ furnace; crucible, oven, beaker glass, labu bundar, spatula, timbangan, pengaduk

kaca.

Bahan yang digunakan: limbah sekam padi, HCl, asam sitrat, aquades/ air demin.

Lokasi penelitian: Laboratorium Polimer Teknik Kimia Ubaya.

16

BAB V

HASIL DAN LUARAN YANG DICAPAI

5.1 Hasil penelitian

Isolasi silika dari sekam padi dengan perlakuan awal menggunakan asam klorida atau

asam sitrat dilakukan pada berbagai variasi konsentrasi (0,001 M; 0,010 M; 0,100 M; 1,000

M) dan temperatur leaching (50⁰C, 75⁰C, 100⁰C). Prosedur awal penelitian ini dilakukan

proses leaching selama 60 menit yang bertujuan untuk menghilangkan senyawa pengotor

anorganik dalam sekam padi diikuti dengan proses pembakaran sekam padi pada temperatur

750⁰C selama 5 jam. Secara umum sampel yang diperoleh dari penelitian ini diberi kode

AAX*Y*ZZ, dengan keterangan sebagai berikut :

AA : Jenis asam yang digunakan.

Sampel yang diberi perlakuan awal menggunakan asam klorida diberi kode CL

sedangkan sampel yang diberi perlakuan awal asam sitrat diberi kode AS. Sampel

yang langsung dibakar tanpa diberi perlakuan awal disebut sebagai kontrol.

X* : Konsentrasi larutan asam (M).

Y* : Temperatur leaching (⁰C).

ZZ : Waktu leaching (menit)

Dari hasil berbagai variabel yang didapatkan dipilih sampel AS00110060 dan CL00110060

untuk dioptimasi. Optimasi dilakukan dengan waktu leaching selama 15, 30 dan 45 menit.

Pada penelitian ini akan didapatkan abu sekam padi dimana abu ini akan dikarakterisasi

secara visual melalui analisa warna, secara kuantitatif melalui uji XRF, serta uji

karakteristik silika lainnya menggunakan FTIR, XRD, dan BET-SAA.

5.1.1 Pengamatan Warna Abu Sekam Padi

Setelah dilakukan proses leaching, sekam padi dibakar dalam furnace pada suhu

750oC dengan laju pemanasan 10

oC/menit selama 5 jam. Berikut hasil pengamatan warna

pada abu sekam padi

17

Tabel 5.1 Warna abu sekam padi dengan variasi jenis asam, konsentrasi, waktu dan suhu

leaching

Sampel Konsentrasi

Asam (M)

Waktu

(menit)

Suhu leaching

(oC)

Warna

Kontrol Putih keabu-abuan

AS 00015060

0,001 60

50 Putih keabu-abuan

AS 00017560 75 Putih keabu-abuan

AS 000110060 100 Putih keabu-abuan

AS 0015060

0,01

60 50 Putih

AS 0017560 60 75 Putih

AS 00110015 15 100 Putih

AS 00110030 30 100 Putih

AS 00110045 45 100 Putih

AS 00110060 60 100 Putih

AS 015060

0,1 60

50 Putih

AS 017560 75 Putih

AS 0110060 100 Putih

AS 15060

1 60

50 Putih

AS 17560 75 Putih

AS 110060 100 Putih

CL 00015060

0,001 60

50 Putih keabu-abuan

CL 00017560 75 Putih keabu-abuan

CL 000110060 100 Putih keabu-abuan

CL 0015060

0,01

60 50 Putih krem

CL 0017560 60 75 Putih

CL 00110015 15 100 Putih

CL 00110030 30 100 Putih

CL 00110045 45 100 Putih

CL 00110060 60 100 Putih

CL 015060

0,1 60

50 Putih

CL 017560 75 Putih krem

CL 0110060 100 Putih

CL 15060

1 60

50 Putih

CL 17560 75 Putih

CL 110060 100 Putih

Pada Tabel 5.1 terlihat bahwa hasil pembakaran abu sekam padi yang telah diberi

perlakuan asam baik menggunakan HCl maupun asam sitrat pada konsentrasi minimum 0,01

M menghasilkan warna yang lebih putih dibandingkan kontrol. Proses leaching

menggunakan larutan HCl, H2SO4 atau HNO3 sebelum perlakuan thermal adalah cara yang

efektif dalam menghilangkan kandungan logam dan menghasilkan silika bewarna putih

18

(Chakraverty, 1988). Sampel tanpa perlakuan awal (kontrol) akan menghasilkan abu yang

bewarna putih keabu-abuan. Hal ini disebabkan adanya ikatan antara ion pengotor anorganik

dengan karbon pada abu sekam padi sehingga menyebabkan karbon tidak dapat teroksidasi

secara sempurna (Liou, 2010).

5.1.2 Analisa X-Ray Fluorescence ( XRF )

Pada penelitian ini dilakukan uji XRF (X-Ray Fluorescence) yang bertujuan untuk

mengetahui kandungan elemen-elemen dalam abu sekam padi. Berdasarkan pengamatan

warna yang telah dilakukan dipilih 23 sampel untuk diuji XRF yaitu kontrol, sampel yang

diberi perlakuan asam sitrat dan asam klorida. Sampel - sampel ini dipilih karena untuk

membandingkan kemurnian silika dalam abu tanpa pre-treatment dan dengan pre-treatment

baik menggunakan asam klorida (HCl) maupun asam sitrat (C6H8O7). Hasil analisa

keseluruhan sampel menggunakan XRF dapat dilihat pada Tabel 5.2.

Tabel 5.2. Hasil Uji XRF abu sekam padi

Sampel

Kandungan Logam (%)

Si K Ca Mn Fe Ni Cu Lain-

lain*)

SiO2

* Kontrol 84,7 4,68 5,83 0,92 1,22 1,56 0,22 0,87 -

Kontrol 86,1 7,39 4,8 0,64 0,598 0,02 0,094 0,284 94,4

* AS000110060 92,7 1,2 3,13 0,43 0,38 1,41 0,21 0,641 97,1

AS0015060 96,4 0,84 1,93 0,22 0,27 0,043 0,13 0,16 98,6

AS0017560 94,4 0,4 2,04 0,19 0,27 0,007 0,12 2,562 97,2

* AS00110015 95 0,37 2,14 0,2 0,38 1,3 0,2 0,53 98,1

AS00110030 95,1 0,31 1,86 0,15 0,24 0,02 0,098 2,1 97,5

AS00110045 97,4 0,36 1,58 0,12 0,2 0,02 0,095 0,19 99

* AS00110060 94,7 0,57 1,92 0,18 0,49 1,36 0,21 0,659 98

* AS015060 94,8 0,4 2,05 0,16 0,39 1,28 0,2 0,77 98

AS017560 97,9 0,27 1,33 0,11 0,26 0 0,099 0,062 99,2

* AS0110060 95,6 0,32 1,6 0,108 0,33 1,45 0,22 0,51 98,3

AS110060 98 0,23 1,2 0,083 0,17 0,02 0,1 0,167 99,2

*

CL

000110060 93,4 1,1 2,94 0,41 0,47 1,08 0,23 0,395 97,4

CL 0015060 95,1 0,4 1,48 0,14 0,4 0,02 0,18 2,254 97,5

19

CL 0017560 95 0,47 1,4 0,093 0,22 0,031 0,097 2,546 97,5

* CL00110015 94,9 0,45 2,01 0,17 0,42 1,34 0,21 0,481 98

CL 00110030 98 0,27 1,3 0,13 0,21 0,037 0,094 0 99,2

CL 00110045 97,9 0,28 1,3 0,085 0,2 0 0,094 0,259 99,2

* CL00110060 96,2 0,18 1,59 0,11 0,26 1,02 0,17 0,433 98,6

* CL015060 96 0,53 1,41 0,13 0,36 0,995 0,16 0,519 98,5

CL 017560 97,8 0 1,1 0,099 0,38 0,02 0,097 0,478 99,2

* CL0110060 96,6 0 1,4 0,094 0,32 1,15 0,15 0,23 98,7

CL 17560 98,5 0 0,99 0,059 0,15 0,02 0,087 0,17 99,4

CL 110060 98,5 0 0,94 0,069 0,21 0,03 0,084 0,19 99,4

Highlighted : hasil terdahulu

*) Lain-lain : Ti, Cr, Re, Zn, Ba, Eu, As, Pb, Yb, Sn, P, Sc

Berdasarkan Tabel 5.2 pada abu sekam padi, silika (SiO2) adalah komponen utama dan

mengandung sedikit kandugan logam. Sampel kontrol memiliki kemurnian silika yang paling

rendah dibanding lainnya. Hal ini dikarenakan pada sampel kontrol tidak adanya perlakuan

awal menggunakan asam sehingga masih terdapat senyawa pengotor anorganik pada sekam

padi. Selain itu, analisa ini didukung dengan pengamatan warna yang telah dilakukan.

Sampel kontrol, AS000110060 dan CL000110060 memiliki warna putih keabu-abuan. Ketiga

sampel tersebut memiliki kemurnian yang paling rendah dibanding sampel yang bewarna

putih. Oleh karena itu, semakin putih abu silika maka semakin tinggi kemurniannya. Sampel

yang telah diberikan perlakuan asam sitrat maupun asam klorida memiliki kemurnian silika

(SiO2) > 97%.

Dari beberapa sampel yang telah diberi perlakuan awal menggunakan asam,

kemurnian silika (SiO2) yang paling tinggi terdapat pada sampel CL110060 dan CL17560

yaitu 99,4%. Sedangkan kemurnian silika (SiO2) tertinggi pada proses leaching asam sitrat

adalah sebesar 99,2% pada sampel AS017560 dan AS 110060. Meskipun kemurnian silika

dengan menggunakan asam klorida tinggi, asam klorida cenderung berbahaya bagi manusia

dan lingkungan. Selain itu, perlakuan awal menggunakan asam klorida membutuhkan biaya

yang lebih besar dikarenakan besarnya biaya perawatan material yang tahan korosi dan

pengolahan limbah asam klorida (Umeda, 2008). Oleh karena itu, asam sitrat lebih

disarankan karena asam sitrat tidak bersifat korosif sehingga dapat mengurangi masalah

lingkungan.

20

Perlakuan awal dengan menggunakan asam klorida maupun asam sitrat mampu

menurunkan kandungan unsur selain silikon. Hal ini menunjukkan bahwa perlakuan awal

menggunakan asam klorida maupun asam sitrat mampu meningkatkan kemurnian silika.

Selama proses leaching menggunakan asam klorida atau asam sitrat, kandungan logam K

pada abu silika dapat hilang sekitar 85%. Penghilangan logam alkali (K) ini efektif untuk

menurunkan kandungan karbon pada abu sekam padi selama proses thermal (Umeda, 2008).

Hal ini dikarenakan penurunan kandungan impurities mencegah reaksi eutektik pada SiO2

disertai dengan penurunan drastis titik leleh SiO2 dari suhu 1986 K menjadi 1062 K sehingga

dapat mempercepat perubahan fasa amorf menjadi kristalin (Umeda, 2009).

Kemurnian silika (SiO2) baik dengan perlakuan asam sitrat dan asam klorida

menunjukkkan semakin meningkat seiring meningkatnya nilai konsentrasi asam pada suhu

dan waktu leaching yang sama. Kemurnian silika dengan perlakuan asam sitrat dan asam

klorida 0,1 M pada suhu 100⁰C (AS0110060 dengan kemurnian 98,3% dan CL0110060

dengan kemurnian 98,7%) lebih tinggi dibanding suhu 50⁰C (AS015060 dengan kemurnian

98% dan CL 015060 dengan kemurnian 98,5%). Hal ini dikarenakan semakin tinggi suhu

maka semakin banyak pengotor anorganik yang berdifusi ke pelarut (Agustina, 2013).

Adanya kalor menyebabkan jarak antar partikel zat padat semakin renggang sehingga gaya

antar partikel menjadi lemah dan partikel akan mudah terlepas oleh karena adanya gaya tarik

molekul-molekul pelarut (Keenan, 1991).

Secara umum, proses pelarutan logam-logam pengotor merupakan reaksi

penggaraman dimana terjadi pertukaran antara kation (logam pengotor) dan anion (asam).

Berikut adalah reaksi pelarutan beberapa logam pengotor dengan asam klorida dimana hasil

ini akan menghasilkan garam-garam terlarut :

K+

(s) + HCl KCl(aq) + H+

(aq)

Ca2+

(s) + HCl CaCl2(aq) + H+

(aq)

Fe3+

(s) + HCl FeCl3(aq) + H+

(aq)

Asam sitrat merupakan asam organik yang dapat berinteraksi dengan logam dan membentuk

senyawa kompleks. Senyawa kompleks memiliki peranan penting pada proses katalitik yaitu

sebagai active site katalis. Senyawa kompleks ini mempunyai rumus umum [(L)n]x dimana M

adalah atom pusat berupa logam-logam transisi dan L adalah ligan (Sari, 2013). Asam sitrat

yang digunakan pada proses leaching bertindak sebagai ligan tridentat dan merupakan basa

lewis yang mendonorkan pasangan elektron bebasnya untuk berikatan dengan logam-logam

21

membentuk senyawa kompleks. Berikut contoh reaksi pembentukan kompleks dengan logam

Fe :

Gambar 5.1 Pembentukan Senyawa kompleks

Senyawa kompleks yang terbentuk ini akan menyebabkan logam-logam pengotor pada sekam

padi berkurang sehingga dapat meningkatkan kemurnian silika. Selain dilakukan proses

leaching, sekam padi diberi perlakuan thermal yang bertujuan untuk menghilangkan

kandungan organik pada sekam padi. Berikut reaksi pembakaran sekam padi :

C6H12O5 + O2 (g) C4H6O10 + CO2 (g) + 6H2O (Subroto, 2013)

Berikut adalah struktur silika :

Gambar 5.2 Struktur Silika

Pada Tabel 5.2. terlihat bahwa kemurnian silika pada asam klorida lebih tinggi dibanding

dengan asam sitrat. Hal ini disebabkan semua garam yang terbentuk dari asam klorida

dapat larut sempurna. Hasil Analisa XRF menunjukkan kecenderungan semakin tinggi

konsentrasi asam, suhu leaching, dan waktu leaching maka kemurnian silika semakin

tinggi. Secara umum, asam sitrat sebagai asam organik memiliki keefektifan yang relatif

sama dengan asam klorida dalam menghilangkan pengotor anorganik selama proses

leaching.

22

5.1.3 Analisa Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Analisa FTIR ini dilakukan untuk mengidentifikasi gugus kimia yang terdapat dalam

abu sekam padi. Analisa ini dilakukan dengan menggunakan instrumen Bruker Tensor 27,

Germany. Berikut adalah hasil uji FTIR pada sampel kontrol dan sampel yang telah diberi

perlakuan asam :

Gambar 5.3. Spektra FTIR Abu Sekam Padi pada kontrol dan variasi asam

Tabel 5.3. Analisa FTIR

Sampel Gugus Si-O-

Si Tipe

Bending

(cm-1

)

Gugus Si-O-Si

Tipe Stretching

(cm-1

)

Gugus –

OH

(cm-1

)

Gugus H-O-H

(cm-1

)

Kontrol 470 802, 1089 3381 1625

AS

00110015

456,23 801,44,

1097,15

3482,09 1633,18

CL

00110015

451,56 804,56,

1095,31

3461,76 1639,68

Berdasarkan Gambar 5.3 dan Tabel 5.3 terlihat bahwa analisa FTIR pada kontrol,

asam klorida maupun asam sitrat tidaklah berbeda jauh. Pada ketiga sampel tersebut terdapat

23

gugus siloksan (Si-O-Si), -OH dan H-O-H.Gugus Si-O- Si memiliki dua tipe yaitu tipe

bending vibration terdapat pada bilangan gelombang 470-451 cm-1

serta Si-O-Si tipe

stretching pada bilangan gelombang 804-801 cm-1

dan 1097-1089 cm-1

(Umeda, 2009 ; Liou,

2010). Gugus –OH stretching terdapat pada bilangan gelombang 3482-3381 cm-1

(Liou,

2010). Gugus –OH stretching ini berasal dari Si-OH atau H2O (Moenke, 1974). Selain itu, air

yang teradsorpsi secara fisik ditunjukkan oleh puncak yang terdapat pada bilangan

gelombang 1639-1625 cm-1

yang disebabkan oleh vibrasi H-O-H bending (Moenke, 1974).

Pada abu sekam padi (kontrol) tidak mengandung senyawa-senyawa organik. Hal ini

menunjukkan bahwa semua senyawa organik yang terkandung dalam sekam padi hampir

seluruhnya terbakar pada suhu 750oC. Namun, dimungkinkan adanya sedikit sisa karbon

yang tidak terbakar sehingga menghasilkan abu sekam padi bewarna abu-abu.

5.1.4 Analisa X-Ray Diffraction (XRD )

Analisa XRD ini bertujuan untuk mengetahui sifat kristalinitas abu silika yang

dihasilkan. Berdasarkan Gambar 5.4, bentuk bukit landai dengan intensitas maksimum pada

2θ = 22o menunjukkan karakteristik silika amorf (Bakar, 2016).

Gambar 5.4 Analisa XRD Pada Sampel Kontrol

Bentuk bukit yang dihasilkan spektra XRD sampel abu yang telah mengalami

perlakuan awal asam diperkirakan mempunyai bentuk yang hampir serupa yaitu landai yang

merupakan karakteristik silika amorf.

24

5.1.5 Analisa Brunauer, Emmet, Teller-Surface Area Analyzer (BET)

Analisa luas permukaan abu sekam padi dilakukan dengan instrumen Quantachrome.

di Laboratorium Elektrokimia ITS Surabaya. Analisa ini dilakukan dengan metode serapan

gas nitrogen pada monolayer dengan menggunakan model Brunauer, Emmet Teller (BET).

Berikut hasil uji BET :

Tabel 5.4 Luas Permukaan Spesifik Abu Sekam Padi

Sampel Luas Permukaan spesifik (m2/g)

Kontrol 17,909

AS 00110060 253,283

AS 015060 192,015

CL 00110060 165,765

CL 015060 262,217

Berdasarkan Tabel 5.4 terlihat bahwa perlakuan awal sekam padi menggunakan asam

terbukti mampu meningkatkan luas permukaan spesifik abu secara signifikan yaitu sekitar 9x

lipat dibandingkan dengan abu sekam padi yang tidak mendapat perlakuan awal asam

(kontrol). Hal ini dikarenakan pada sampel kontrol masih terdapat pengotor anorganik

sehingga pengotor tersebut ikut bereaksi dalam pembakaran sehingga memperkecil pori-pori

abu sekam padi yang dihasilkan (Sapei, 2012).

Abu silika pada sampel AS00110060 dan CL 015060 memiliki luas permukaan yang

tergolong tinggi karena luas permukaannya berada pada rentang 200-500 m2/g (Lubis, 2009).

Hal ini menunjukkan bahwa tidak adanya pengotor logam di dalam abu sekam padi sehingga

tidak terjadi reaksi yang menyebabkan tertutupnya pori permukaan akibat pembentukan

senyawa silikat yang dapat menurunkan luas permukaan. Selain itu, adanya proses hidrolisis

hemiselulosa dan selulosa menjadi senyawa yang lebih kecil saat proses leaching akan

memudahkan dekomposisi senyawa – senyawa organik saat pembakaran membentuk struktur

porous (Bakar, 2016). Luas permukaan tinggi tersebut menunjukkan silika dapat digunakan

sebagai adsorben, katalis, dan lain-lain (Pode, 2015).

Dapat dilihat pula bahwa dengan adanya peningkatan konsentrasi asam yang

digunakan, maka luas permukaan spesifik abu akan cenderung meningkat pula. Hal ini terjadi

karena semakin tinggi konsentrasi asam maka akan meningkat pula pengotor anorganik yang

25

dapat dihilangkan dari sampel, yang menyebabkan terbukanya pori di dalam sampel sehingga

luas permukaan semakin besar. Selain itu, dengan peningkatan suhu pada waktu melakukan

leaching membuat luas permukaan cenderung meningkat pula. Suhu yang semakin tinggi

pada waktu proses leaching akan membuka pori – pori yang ada pada sampel sehingga luas

permukaan yang didapatkan akan semakin besar pula.

5.2 Luaran yang dicapai

Luaran yang dicapai dari penelitian ini:

• Didapatkan teknologi proses yang ramah lingkungan untuk konversi limbah sekam padi

menjadi produk dengan nilai tambah. Asam organik (asam sitrat) dengan konsentrasi

yang cukup rendah serta kondisi proses leaching yang optimum (temperatur rendah dan

lama leaching yang singkat) dapat diperoleh untuk proses produksi silika amorf high-

grade yang ekonomis.

• Diperoleh produk silika sekam padi yang sifatnya amorf dengan kemurnian dan luas

permukaan yang cukup tinggi yang cocok untuk diaplikasikan dalam berbagai

keperluan industri, seperti filler dan adsorben.

Indikator capaian yang diharapkan dari penelitian ini untuk tahun pertama adalah:

• Publikasi pada seminar internasional.

26

BAB VI

RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA

6.1 Rencana Penelitian Tahun ke-1

Melanjutkan karakterisasi silika menggunakan metode XRF, FTIR, BET, dan XRD serta

menganalisa hasil-hasil tersebut untuk mengetahui pengaruh variabel proses (jenis asam,

konsentrasi asam, temperatur leaching, dan lamanya leaching) terhadap kemurnian dan sifat

amorf silika. Publikasi jurnal internasional dan HKI.

6.2 Percobaan pada Tahun ke-2

Tahap 1

Tahap 1 penelitian lebih difokuskan pada tahap penyiapan sampel yang mencakup proses

pemisahan sekam padi dari pengotor-pengotornya baik berupa debu/ pasir atau sisa jerami

padi, diikuti dengan pencucian dan pengeringan di dalam oven pada suhu 105oC selama 1,5

jam. Dari tahap ini, akan diperoleh bahan baku yang sudah siap untuk perlakuan selanjutnya

yaitu proses leaching. Untuk setiap batch diperlukan 30 g sekam padi untuk proses leaching

dalam 500 ml pelarut asam.

Tahap 2

Tahap 2 merupakan tahap penelitian utama, yaitu proses modifikasi perlakuan asam

(leaching) sekam padi menggunakan berbagai jenis asam pada rentang variasi temperatur dan

lamanya leaching.

Pada penelitian tahun ke-2 akan digunakan variabel-variabel percobaan sbb.:

1. Jenis asam : HNO3 , asam oksalat/ asam asetat

2. Konsentrasi asam : 0,001 M ; 0,01 M ; 0,1 M ; 1 M; 3M

3. Temperatur leaching : 50 ⁰C, 75 ⁰C, 100 ⁰C

4. Waktu leaching : 15, 30, 45, 60 menit

Dari tahap ini akan diperoleh sekam padi yang bebas dari logam-logam alkali seperti K, Na,

Ca, Mg, serta pengotor logam lainnya seperti Al dan Fe.

Tahap 3

Pada tahap ini, sekam padi yang diperoleh melalui proses modifikasi perlakuan asam/

leaching akan mengalami proses thermal pada 750oC selama 5 jam dengan laju pemanasan

27

10oC/ menit untuk penghilangan senyawa-senyawa organik seperti selulosa, hemiselulosa,

dan lignin yang kandungannya mencapai ~80% dalam sekam padi.

Dari tahap ini akan diperoleh produk berupa silika sekam padi yang diharapkan memiliki

kemurnian yang cukup tinggi (> 95%) yang dapat diidentifikasi melalui warnanya. Warna

putih menunjukkan produk silika dengan kemurnian yang cukup tinggi.

Tahap 4

Tahap ini merupakan tahap analisa produk silika dengan menggunakan berbagai metode,

antara lain:

1. XRF: untuk menguji komposisi dan kemurnian produk silika secara kuantitatif (total

30 sampel/ tahun).

2. FTIR: untuk menguji gugus fungsional yang terdapat dalam silika sekam padi (total

15 sampel/ tahun).

3. XRD: untuk menguji sifat amorf produk silika sekam padi (total 15 sampel/ tahun).

4. BET: untuk penentuan luas permukaan spesifik silika sekam padi (total 25 sampel/

tahun).

Tahap 5

Pada tahap ini akan dilakukan optimasi proses melalui pengkajian:

- pengaruh jenis dan konsentrasi pelarut semua jenis asam yang digunakan selama

proses leaching terhadap kemurnian dan karakteristik silika yang dihasilkan

dibandingkan dengan sampel tanpa perlakuan awal.

- pengaruh modifikasi kondisi proses perlakuan asam yaitu temperatur dan lamanya

leaching terhadap kemurnian dan karakteristik produk silika yang dihasilkan.

Tahap 6

Pada tahap ini akan dikaji proses ekstraksi silika dari sekam padi menggunakan larutan alkali

diikuti dengan proses presipitasi silika menggunakan larutan asam (HCl, H2SO4). Variasi

lama presipitasi serta pH campuran saat presipitasi akan menentukan yield dan karakteristik

silika yang dihasilkan. Silika yang dihasilkan dari rute ini diharapkan menunjukkan

karakteristik nanosilika yang lebih seragam dibandingkan dengan silika yang diperoleh

melalui proses leaching.

28

Luaran yang diharapkan pada tahap ini:

Diperoleh jenis asam yang ramah lingkungan dengan konsentrasi yang cukup rendah untuk

memperoleh high-grade silica. Di samping itu, kondisi proses optimum (temperatur yang

cukup rendah dan lamanya leaching yang cukup singkat) untuk mendapatkan silika amorf

dengan kadar kemurnian yang tinggi. Proses alkalin dengan presipitasi asam diharapkan

mampu menghasilkan silika amorf dengan kemurnian tinggi dan karakteristik nanosilika yang

lebih seragam.

6.3 Peralatan dan Bahan yang digunakan

Peralatan yang digunakan: reaktor gelas, oil bath, motor, pengaduk, kondensor, thermometer,

tungku/ furnace; crucible, oven, beaker glass, labu bundar, spatula, timbangan, pengaduk

kaca.

Bahan yang digunakan: limbah sekam padi, NaOH, HCl, HNO3, asam asetat, asam oksalat,

asam sitrat, aquades/ air demin.

Lokasi penelitian: Laboratorium Polimer Teknik Kimia Ubaya.

6.4 Indikator capaian yang diharapkan

Indikator capaian yang diharapkan dari penelitian ini untuk tahun kedua adalah:

• Publikasi penelitian akan dilakukan di Materials letters dengan impact factor 2.489 atau

Q1 Rank.

• Paten HKI

29

BAB VII

KESIMPULAN DAN SARAN

7.1. Kesimpulan

1. Pada larutan asam sitrat dan asam klorida, semakin tinggi konsentrasi, suhu dan

waktu maka kandungan silika pada abu semakin tinggi.

2. Penggunaan asam klorida pada proses leaching menghasilkan kemurnian silika lebih

tinggi dibanding asam sitrat berdasarkan analisa XRF.

3. Silika hasil leaching dengan asam sitrat dengan konsentrasi 0,01 M memiliki luas

permukaan yang menyamai luas permukaan silika hasil leaching dengan asam

klorida 0,1 M yakni sekitar ~250 m2/g.

4. Silika yang dihasilkan melalui proses perlakuan asam sebelum proses thermal pada

750oC memiliki sifat amorf.

7.2. Saran

1. Impeller yang digunakan sebaiknya berbahan dasar kaca agar tidak terkorosi.

2. Pada penelitian selanjutnya sebaiknya dilakukan optimasi waktu dan suhu leaching

dengan konsentrasi asam yang lebih kecil.

3. Perlu dilakukan analisa lebih lanjut pada variasi percobaan lainnya.

30

DAFTAR PUSTAKA

1. Bakar, R.A., Yahya,R., Gan,S.N. (2016), Production of High Purity Amorphous Silica

from Rice Husk, Procedia Chemistry 19, 189-195.

2. BPS (2015), Perkembangan Beberapa Indikator Utama Sosial-Ekonomi Indonesia,

Badan Pusat Statistik. www.bps.go.id.

3. Chandrasekhar, S., Pramada, P.N.,Praveen, L. (2005), Effect of Organic Acid

Treatment on The Properties of Rice Husk Silica, Journal of Materials Science 40,

6353-6544.

4. Chakraverty, A., Mishra, P., Banerjee, H.D. (1988), Investigation of combustion of

raw and acid-leached rice husk for production of pure amorphous white silica.

Journal of Materials Science, 23, 21-24.

5. FAO (2015). FAOSTAT: Food and Agricultural commodities production.

http://faostat3.fao.org

6. Fessenden, R.J., Fessenden J.S. (1986), Organic Chemistry, third edition, California:

Wadsworth Inc., California.

7. Iler, R.K. (1979), The Chemistry of Silica, John Wiley and Sons, Inc., New York.

8. Joley, J.G. (1961), The Kinetics of The Reaction of Silica With Group I of Hydroxide,

Can. J. Chem. 39, 200-205.

9. Kalapathy U., Proctor A., Shultz J. (2000), A Simple Method For Production of Pure

Silica From Rice Hull Ash, Bioresource Technology 73, 257-262.

10. Keenan, C.W., dkk. 1991. Ilmu Kimia Untuk Universitas. Jakarta : Erlangga.

11. Kim, H.S., Yang, H.S., Kim, H.J., Park, H.J. (2004), Thermogravimetric Analysis of

Rice Husk Flour Filled Thermoplastic Polymer Composites, Journal of Thermal

Analysis and Colorimetry,76, 395-404.

12. Kirk, R.E. and Othmer, D.F. (1998), Encyclopedia of Chemical Technology, Fourth

Edition, Vol. 21, John Wiley and Sons, Inc., New York.

13. Liou, Tzong-Horng., Jung-Wu,S. (2010), Kinetics Study and Characteristics of Silica

Nanoparticles Produced from Biomass-Based Material, Ind. Eng. Chem. Res 49,

8379-8387.

14. Moenke, H.H.W., 1974, “Chapter 16 Silica, the three-dimensional silicates,

borosilicates and beryllium silicates” in The Infrared Spectra Of Minerals, Diambil

dari edisi ke-4, Farmer, V.C., Mineralogical Society, London.

31

15. Oktaveni, D. (2009), Lignin Terlarut Asam dan Delignifikasi pada Tahap Awal Proses

Pulping Alkali, Departemen Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan, Institut Pertanian

Bogor.

16. Olawale O., Oyawale F.A., Makinde O.W., Ogundele K.T. (2012), Effect of Oxalic

Acid on Rice Husk, International Journal of Applied Sciences and Engineering

Research, Vol. 1, Issue 5, 663-668.

17. Pessoa, A. Jr., Mancilha I.M., Sato S. (1997), Acid Hydrolysis of Hemicellulose from

Sugarcane Bagasse, Brazillian Journal of Chemical Engineering, 14 (3).

18. Pode, R. (2016), Potential Applications of Rice Husk Ash Waste from Rice Husk

Biomass Powerplant, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1468–1485.

19. Prasad, C.S., Maiti K.N., Venugopal R. (2001), Effect of Rice Husk Ash in

Whiteware Compositions, Journal Ceramic International, 27, 629-635.

20. Rawtani, A.V., Rao, M.S. (1989), Synthesis of ZSM-5 Zeolite Using Silica From Rice

Husk Ash, India Engineering Chemistry Resource, 28, 1411-1414.

21. Rafiee, E., Shabnam Shahebrahimi, Mostafa Feyzi, Mahdi Shaterzadeh (2012),

Optimization of Synthesis and Characterization of Nanosilica Produce From Rice

Husk (A Common Waste Material), International Nano Letters, 2:29.

22. Sapei, L., Arry Miryanti, Livia Budyanto Widjaja (2012). Isolasi dan Karakterisasi

Silika dari Sekam Padi dengan Perlakuan Awal Menggunakan Asam Klorida.

Prosiding SINTECH-1 The First Symposium in Industrial Technology, Fakultas

Teknologi Industri UPN “Veteran” Yogyakarta, Yogyakarta, Jawa Tengah, Indonesia,

A-8 – A-16. ISSN: 2302-8033

23. Sapei, L., Karsono Samuel Padmawijaya, Agustina Sutejo, Liliana Theresia (2015).

Karakterisasi Silika Sekam Padi dengan Variasi Temperatur Leaching Menggunakan

Asam Asetat. Jurnal Teknik Kimia, 9 (2), 38-43. ISSN 1978-0419.

24. Subroto dan Prastiyo, D., 2013, Unjuk Kerja Tungku Gasifikasi Dengan Bahan Bakar

Sekam Padi Melalui Pengaturan Kecepatan Udara Pembakaran, Media Mesin, Vol.

14, No. 2, 51-58, ISSN 1411-4348.

25. Sun, L., Gong, K. (2001), Silicon-based Materials from Rice Husks and Their

Applications, Ind. Eng. Chem. Res., 40, 5861-5877.

26. Umeda, J. and Kondoh, K. (2008), High-purity amorphous silica originated in rice

husks via carboxylic acid leaching process, Journal of Materials Science, 43, 7084-

7090.

32

27. Umeda,J., Imai H., Kondoh, K. (2009), Polysaccharide Hydrolysis and Metallic

Impurities Removal Behavior of Rice Husks in Citric Acid Leaching Treatment,

Transactions of JWRI, 38(2), 13-18.

28. Umeda, J. and Kondoh, K. (2010), High-purification of amorphous silica originated

from rice husks by combination of polysaccharide hydrolysis and metallic impurities

removal, Industrial Crops and Products, 32, 539-544.

29. Yalçin, N and Sevinç, V (2001), Study on Silica Obtained From Rice Husk, Journal

Ceramic International, 29, 219-224.

30. Zaky, R.R., M.M. Hessien, A.A. El-Midany, M.H. Khedr, E.A. Abdel-Aal, K.A. El-

Barawy (2007), Preparation of Silica Nanoparticles From Semi-Burned Rice Straw

Ash, Powder Technology 185, 31-35.

33

LAMPIRAN

L1. Penampakan fisik abu sekam padi

34

L2. Seminar Internasional ICEAI 2017, Kyoto

35

Conference Proceedings

May 9-11 2017 Kyoto, Japan

ICEAI

International Congress on Engineering and Information

ICCBES

International Congress on Chemical, Biological and EnvironmentaL Sciences

ICCIS

International Conference on Computer and Information Sciences

ICEAI

International Congress on Engineering and Information

ISBN 978-986-88450-4-6

ICCBES

International Congress on Chemical, Biological and EnvironmentaL Sciences

ISBN 978-986-87417-8-2

ICCIS

International Conference on Computer and Information Sciences

ISBN 978-986-5654-25-2

3

Content

Content ................................................................................................................................................. 3

Welcome Message ............................................................................................................................ 7

General Information for Participants ....................................................................................... 8

International Committees ........................................................................................................... 10

International Committee of Nature Sciences .................................................................... 10

Conference Venue Information ................................................................................................. 13

Conference Schedule ..................................................................................................................... 15

Natural Sciences Keynote Speech ............................................................................................. 18

Oral Sessions .................................................................................................................................... 19

Environmental Sciences (1) .................................................................................................... 19

ICCBES-0026 ............................................................................................................................. 21

ICCBES-0011 ............................................................................................................................. 34

ICCBES-0046 ............................................................................................................................. 35

ICCBES-0101 ............................................................................................................................. 38

ICCBES-0108 ............................................................................................................................. 42

Civil Engineering / Electrical Engineering ......................................................................... 47

ICEAI-0013 ................................................................................................................................ 49

ICEAI-0019 ................................................................................................................................ 63

ICEAI-0021 ................................................................................................................................ 71

ICEAI-0032 ................................................................................................................................ 82

ICEAI-0020 ................................................................................................................................ 91

ICEAI-0044 ............................................................................................................................. 102

Environmental Sciences (2) ................................................................................................. 108

ICCBES-0021 .......................................................................................................................... 110

ICCBES-0049 .......................................................................................................................... 120

ICCBES-0054 .......................................................................................................................... 122

ICCBES-0058 .......................................................................................................................... 124

ICCBES-0076 .......................................................................................................................... 133

ICCBES-0070 .......................................................................................................................... 138

Computer Science / Information Engineering / Information Management /

Information Technology ........................................................................................................ 141

ICEAI-0040 ............................................................................................................................. 143

ICEAI-0041 ............................................................................................................................. 144

ICCIS-0006 ............................................................................................................................. 146

ICEAI-0006 ............................................................................................................................. 154

ICEAI-0015 ............................................................................................................................. 157

4

ICCIS-0005 ............................................................................................................................. 159

ICCIS-0003 ............................................................................................................................. 172

ICCIS-0004 ............................................................................................................................. 185

Biological Engineering / Biological Sciences / Chemical Engineering .................. 188

ICEAI-0018 ............................................................................................................................. 190

ICCBES-0066 .......................................................................................................................... 201

ICEAI-0029 ............................................................................................................................. 209

ICEAI-0056 ............................................................................................................................. 211

ICCBES-0115 .......................................................................................................................... 220

Industrial Engineering ........................................................................................................... 225

ICEAI-0010 ............................................................................................................................. 227

ICEAI-0012 ............................................................................................................................. 237

ICEAI-0025 ............................................................................................................................. 250

ICEAI-0031 ............................................................................................................................. 260

ICEAI-0033 ............................................................................................................................. 270

ICEAI-0038 ............................................................................................................................. 279

ICEAI-0043 ............................................................................................................................. 291

Chemical Sciences .................................................................................................................... 302

ICCBES-0019 .......................................................................................................................... 304

ICCBES-0020 .......................................................................................................................... 307

ICCBES-0025 .......................................................................................................................... 310

ICCBES-0032 .......................................................................................................................... 318

ICCBES-0080 .......................................................................................................................... 320

Energy Engineering ................................................................................................................. 321

ICEAI-0030 ............................................................................................................................. 323

ICEAI-0034 ............................................................................................................................. 332

ICEAI-0042 ............................................................................................................................. 344

ICEAI-0045 ............................................................................................................................. 354

ICEAI-0052 ............................................................................................................................. 362

ICEAI-0060 ............................................................................................................................. 370

Environmental Sciences (3) ................................................................................................. 372

ICCBES-0073 .......................................................................................................................... 374

ICCBES-0111 .......................................................................................................................... 377

ICCBES-0112 .......................................................................................................................... 379

ICCBES-0113 .......................................................................................................................... 381

ICCBES-0043 .......................................................................................................................... 383

Poster Sessions (2) ..................................................................................................................... 388

Electrical Engineering / Biological Sciences(1) / Chemical Sciences / Computer

Science / Civil Engineering ................................................................................................... 388

5

ICEAI-0008 ............................................................................................................................. 393

ICEAI-0011 ............................................................................................................................. 402

ICEAI-0022 ............................................................................................................................. 413

ICEAI-0024 ............................................................................................................................. 415

ICEAI-0026 ............................................................................................................................. 422

ICEAI-0035 ............................................................................................................................. 425

ICCBES-0059 .......................................................................................................................... 434

ICCBES-0068 .......................................................................................................................... 436

ICCBES-0071 .......................................................................................................................... 438

ICCBES-0084 .......................................................................................................................... 440

ICCBES-0090 .......................................................................................................................... 441

ICCBES-0091 .......................................................................................................................... 443

ICCBES-0094 .......................................................................................................................... 445

ICCBES-0095 .......................................................................................................................... 447

ICCBES-0022 .......................................................................................................................... 449

ICCBES-0031 .......................................................................................................................... 451

ICCBES-0042 .......................................................................................................................... 454

ICCBES-0047 .......................................................................................................................... 456

ICCBES-0065 .......................................................................................................................... 465

ICCBES-0069 .......................................................................................................................... 468

ICCBES-0077 .......................................................................................................................... 471

ICCBES-0081 .......................................................................................................................... 474

ICCBES-0105 .......................................................................................................................... 476

ICEAI-0027 ............................................................................................................................. 478

ICEAI-0036 ............................................................................................................................. 480

ICEAI-0055 ............................................................................................................................. 483

Poster Sessions (3) ..................................................................................................................... 494

Biological Sciences (2) / Information Engineering / Environmental Sciences /

Environmental Engineering / Energy Engineering / Industrial Engineering .... 494

ICCBES-0009 .......................................................................................................................... 500

ICCBES-0010 .......................................................................................................................... 502

ICCBES-0013 .......................................................................................................................... 503

ICCBES-0014 .......................................................................................................................... 505

ICCBES-0023 .......................................................................................................................... 507

ICCBES-0028 .......................................................................................................................... 509

ICCBES-0034 .......................................................................................................................... 525

ICCBES-0055 .......................................................................................................................... 527

ICCBES-0064 .......................................................................................................................... 529

ICCBES-0078 .......................................................................................................................... 531

6

ICEAI-0014 ............................................................................................................................. 534

ICEAI-0037 ............................................................................................................................. 537

ICEAI-0054 ............................................................................................................................. 542

ICCIS-0002 ............................................................................................................................. 553

ICCBES-0027 .......................................................................................................................... 564

ICCBES-0051 .......................................................................................................................... 567

ICCBES-0056 .......................................................................................................................... 569

ICCBES-0057 .......................................................................................................................... 570

ICCBES-0079 .......................................................................................................................... 571

ICCBES-0088 .......................................................................................................................... 572

ICCBES-0098 .......................................................................................................................... 580

ICEAI-0062 ............................................................................................................................. 582

ICEAI-0003 ............................................................................................................................. 594

ICEAI-0049 ............................................................................................................................. 596

ICEAI-0039 ............................................................................................................................. 598

7

Welcome Message

Local Host

Michelle Kawamura Ph.D

Associate Professor

Ritsumeikan University

Dear scholars and friends,

On behalf of Higher Education Forum I would like to welcome you all to Kyoto, Japan. Kyoto

is a city representing a mixture of traditional Japanese cultures and modernization. From the

well preserved constructions over centuries old, thousands of Buddhist temples and Shinto

shrines to the untouched nature, this one of a kind place is unique in today‘s world. It is also

these elements which attract people who appreciate and value historical surroundings. Beyond

the various fascinating historical and traditional sites in Kyoto, the city also offers convenient

transportation, comfortable accommodation, delicacies from all parts of the world and most of

all, the hospitality of Kyoto. People in Kyoto welcome tourists to explore their culture,

experience their customs and traditions. All these reasons led to an increasing number of

foreign visitors to Kyoto every year. Some people visit for the first time and many others visit

more than once.

Each year, many scholastic conferences of various disciplines take place in Kyoto. Kyoto has

over 33 national, public and private universities. It also has over 57 vocational and technical

schools. Including graduate schools and public and private research institutions, Kyoto takes

pride in its education system, scholastic and research development. This is one of the reasons

that many domestic and international conferences select Kyoto to host their conferences.

This is my third time, in three years to proudly act as the local host of Kyoto for the Higher

Education Forum to welcome all the guests from all over the world. I have presented in 2014

and gave a welcome and keynote speech last year. I have met many professionals from

different fields and exchanged knowledge from our researches to cultural experiences. The

opportunity here is beyond scholastic exchange, but to also connect us to various cultures to

become more aware of cultural differences, empathy and tolerance for others. I have gained

new friends and learned profoundly here in the past 2 years participating in the conferences

held by the Higher Education Forum. I sincerely hope you will enjoy your stay in Kyoto and

bring home lots of experiences and knowledge from this conference.

See you soon~

Michelle Kawamura

8

General Information for Participants

Registration

The registration desk will be situated on the 4th Floor at the Kyoto Research Park during the

following time:

08:10-16:00 Wednesday, May 10, 2017

08:30-16:30 Thursday, May 11, 2017

Organizer

Higher Education Forum (HEF)

Tel: + 886 2 2740 1498〡www.prohef.org

A Polite Request to All Participants

Participants are requested to arrive in a timely fashion for all addresses. Presenters are reminded

that the time slots should be divided fairly and equally by the number of presentations, and that

they should not overrun. The session chair is asked to assume this timekeeping role and to

summarize key issues in each topic.

Certificate

Certificate of Presentation or Certificate of Attendance

A certificate of attendance includes participant’s name and affiliation, certifying the participation

in the conference. A certificate of presentation indicates a presenter’s name, affiliation and the

paper title that is presented in the scheduled session.

Certificate Distribution

Oral presenters will receive a certificate of presentation from the session chair after their

presentations or at the end of the session. Poster presenters will receive a certificate of

presentation from the conference staff at the end of their poster session.

9

The certificate of presentation will not be issued, either at or after the conference, to authors

whose papers are registered but not presented. Instead, the certificate of attendance will be

provided after the conference.

Preparation for Oral Presentations

All presentation rooms are equipped with a screen, an LCD projector, and a laptop computer

installed with Microsoft PowerPoint. You will be able to insert your USB flash drive into the

computer and double check your file in PowerPoint. We recommend you to bring two copies of

the file in case that one fails. You may also connect your own laptop to the provided projector;

however please ensure you have the requisite connector.

Preparation for Poster Presentation

Materials Provided by the Conference Organizer:

1. Poster Panel (90cm×173cm)

2. Push pins

Materials Prepared by the Presenters:

1. Home-made poster(s)

2. Material: not limited, can be posted on the poster

panel

3. Maximum poster size is A0

10

International Committees

International Committee of Nature Sciences

Abdelmalik Serbout University of physical and sports activities Djelfa Algeria Algeria

Abdelwahab Elghareeb Cairo University Egypt

Abhishek Shukla R.D. Engineering College Technical Campus,Ghaziabad India

Ahmad Zahedi James Cook University Australia

Alexander M. Korsunsky Trinity College,Oxford UK

Almacen Philippine Association of Maritime Trainig Centers Philippines

Amel L. Magallanes Capiz State University Philippines

Amran Bin Ahmed University Malaysia Perlis Malaysia

Anthony D. Johnson Seoul National University of Science & Technology UK

Ashley Love A.T. Still University USA

Asif Mahmood King Saud University, Riyadh Saudi Arabia

Asmida Ismail University Technology Mara Malaysia

Baolin Wang University of Western Sydney

Byoung-Jun Yoon Korea National Open University South Korea

Chang Ping-Chuan Kun Shan University Taiwan

Chee Fah Wong Universiti Pendidikan Sultan Idris Malaysia

Chee-Ming Chan Universiti Tun Hussein Onn Malaysia Malaysia

Cheng, Chun Hung The Chinese University of Hong Kong Hong Kong

Cheng-Min Feng National Chiao Tung University Taiwan

Cheuk-Ming Mak The Hong Kong Polytechnic University Hong Kong

Chia-Ray Lin Academia Sinica Taiwan

Chih-Wei Chiu National Taiwan University of Science and Technology Taiwan

Chikako Asada Tokushima University

Chi-Ming Lai National Cheng-Kung University Taiwan

Ching-An Peng University of Idaho USA

Chin-Tung Cheng National Kaohsiung (First) University of Science and

Technology Taiwan

Christoph Lindenberger Friedrich-Alexander University Germany

Daniel W. M. Chan The Hong Kong Polytechnic University Hong Kong

Deok-Joo Lee Kyung Hee University South Korea

Din Yuen Chan National Chiayi University Taiwan

Don Liu Louisiana University USA

Edward J. Smaglik Northen Arizona University USA

Ehsan Noroozinejad

Farsangi Kerman Graduate University of Advanced Technology (KGUT) Iran

11

Farhad Memarzadeh National Institutes of Health USA

Fariborz Rahimi University of Bonab Iran

Fatchiyah M.Kes. Universitas Brawijaya Indonesia

Gi-Hyun Hwang Dongseo University South Korea

Gwo-Jiun Horng Southern Taiwan University of Science and Technology Taiwan

Hae-Duck Joshua Jeong Korean Bible University South Korea

Hairul Azman Roslan Universiti Malaysia Sarawak

Hamed M El-Shora Mansoura University Egypt

Hanmin Jung Convergence Technology Research Planning South Korea

Hasmawi Bin Khalid University Teknologi Mara Malaysia

Hikyoo Koh Lamar University USA

Hiroshi Uechi Osaka Gakuin University Japan

Ho, Wing Kei Keith The Hong Kong Institute of Education Hong Kong

Hsiao-Rong Tyan Chung Yuan Christian University Taiwan

Hsien Hua Lee National Sun Yat-Sen University Taiwan

Hung-Yuan Chung National Central University Taiwan

Hyomin Jeong Gyeongsang National University South Korea

Hyoungseop Kim Kyushu Insititute of Techonogy Japan

Jacky Yuh-Chung Hu National Ilan University Taiwan

Jeril Kuriakose Manipal University India

Jieh-Shian Young National Changhua University of Education Taiwan

Jivika Govil Zion Bancorporation India

Jongsuk Ruth Lee Korea Institute of Science and Technology Information South Korea

Jui-Hui Chen CPC Corporation, Taiwan Taiwan

Jung Tae Kim Mokwon University South Korea

Kamal Seyed Razavi Federation University Australia Australia

Kazuaki Maeda Chubu Univeristy Japan

Kim, Taesoo Hanbat National University South Korea

Kuang-Hui Peng National Taipei University of Technology Taiwan

Kun-Li Wen Chienkuo Technology University Taiwan

Lai Mun Kou SEGi University Malaysia

Lars Weinehall Umea University Sweden

Lee, Jae Bin Mokpo National University South Korea

M. Chandra Sekhar National Institute of Technology India

M. Krishnamurthy KCG college of technology India

Mane Aasheim Knudsen University of Agder Norway

Michiko Miyamoto Akita Prefectural University Japan

Minagawa, Masaru Tokyo City University Japan

12

Mu-Yen Chen National Taichung University of Science and Tchonology Taiwan

Norizzah Abd Rashid Universiti Teknologi MARA Malaysia

Onder Turan Anadolu University Turkey

Osman Adiguzel Firat University Turkey

P. Sivaprakash A.S.L. Pauls College of Engineering & Technology India

P.Sanjeevikumar University of Bologna India

Panayotis S. Tremante M. Universidad Central de Venezuela Venezuela

Patrick S.K. Chua Singapore Institute of Technology Singapore

Pei-Jeng Kuo National Chengchi University Taiwan

Phongsak Phakamach North Eastern University Thailand

Rainer Buchholz Friedrich-Alexander University Germany

Rajeev Kaula Missouri State University USA

Ransinchung R.N.(Ranjan) Indian Institute of Technology India

Ren-Zuo Wang National Center for Research on Earthquake Engineering Taiwan

Rong-Horng Chen National Chiayi University Taiwan

Roslan Zainal Abidin Infrastructure University Kuala Lumpur Malaysia

S. Ahmed John Jamal Mohamed College India

Saji Baby Kuwait University KUWAIT

Samuel Sheng-Wen Tseng National Taiwan Ocean University Taiwan

Sergei Gorlatch University of Muenster Germany

Shen-Long Tsai National Taiwan University of Science and Technology Taiwan

Sittisak Uparivong Khon Kaen University Thailand

Song Yu Fukuoka Institute of Technology Japan

Sudhir C.V. Caledonian College of Engineering Oman

Suresh. B. Gholse. Rtm Nagpur University India

Thippayarat Chahomchuen Kasetsart University Thailand

Victor A. Skormin Binghamton University USA

Vivian Louis Forbes Wuhan University China

William L. Baker Indiana State University USA

Wong Hai Ming The University of Hong Kong Hong Kong

Wong Tsun Tat The Hong Kong Polytechnic University Hong Kong

Wooyoung Shim Yonsei University South Korea

Ya-Fen Chang National Taichung University of Science and Tchonology Taiwan

Yasuhiko Koike Tokyo University of Agriculture Japan

Yee-Wen Yen National Taiwan University of Science and Technology Taiwan

Yoshida Masafumi Tokyo City University Japan

Youngjune Park Gwangju Institute of Science and Technology South Korea

Yuan-Lung Lo Tamkang University Taiwan

13

Conference Venue Information

Kyoto Research Park Tel: +81-75-322-7800

Address: 134, Chudoji Minami-machi, Shimogyo-ku, Kyoto 600-8813, Japan

Located at the ancient capital of Japan, Kyoto Research Park (KRP) is set at a convenient

spot. KRP has a wide variety of networks involving universities, industries, administrative

institutes, public research institutes, and economic bodies. KRP offers various of

conference rooms, offices, and labs.

The conference will be held at Hall 1 inside the research park. Hall 1 is near to JR

Tanbaguchi-Eki.

14

Floor Map (4th Floor)

15

Conference Schedule

Wednesday, May 10, 2017

Oral Session (4th Floor)

Time Schedule Venue

08:10-16:00 Registration Foyer Area

08:30-10:00 Environmental Sciences (1) Room B

Civil Engineering / Electrical Engineering Room C

10:00-10:20 Tea Break & Networking Foyer Area

10:20-12:30

Environmental Sciences (2) Room C

Welcome Speech & Networking(10:20-10:30)

Prof. Michelle Kawamura Ritsumeikan University ----------------------------------------------------------------- Nature Science Keynote Speech (10:30-11:30)

Prof. Simona Vasilache

University of Tsukuba

Topic: Multicultural Perspectives on Software

Engineering

AV Room

12:30-13:30 Lunch Atrium

15:00-15:20 Tea Break & Networking Foyer Area

15:20-16:50

Computer Science / Information Engineering /

Information Management / Information

Technology

Room B

Tuesday, May 09, 2017

Internal Training

16

Thursday, May 11, 2017

Oral Session (4th Floor)

Time Schedule Venue

08:30-16:30 Registration Foyer Area

08:40-10:10

Biological Engineering / Biological Sciences /

Chemical Engineering Room B

Industrial Engineering Room C

10:10-10:30 Tea Break & Networking Foyer Area

10:30-12:00 Chemical Sciences Room B

Energy Engineering Room C

12:00-13:00 Lunch Atrium

13:00-14:30 Environmental Sciences (3) Room C

14:30-14:50 Tea Break & Networking Foyer Area

16:20-16:30 Tea Break & Networking Foyer Area

Wednesday, May 10, 2017

Poster Session (Foyer Area, 4th floor)

Time Schedule

14:00-15:00

Poster Session (2)

Electrical Engineering / Biological Sciences (1) / Chemical

Sciences / Computer Science / Civil Engineering

17

Thursday, May 11, 2017

Poster Session (Foyer Area, 4th floor)

Time Schedule

11:00-12:00

Poster Session (3)

Biological Sciences (2) / Information Engineering /

Environmental Sciences / Environmental Engineering /

Energy Engineering / Industrial Engineering

18

Natural Sciences Keynote Speech

AV Room

10:30-11:30 Wednesday, May 10, 2017

Topic:

Multicultural Perspectives on Software Engineering

Prof. Simona Vasilache

Dept. of Computer Science

Graduate School of Systems and Information

University of Tsukuba

Japan

Abstract

Globalization plays a major role in all aspects of our 21st century life, influencing

software engineering practice, as well as software engineering education.

Software engineering is a relatively young engineering discipline and it is under

constant development and evolution; software development teams often include

members from various cultural backgrounds. At the same time, the multicultural

nature of education proves to be a challenge in all educational aspects, including

those related to software engineering .

This talk will highlight some of the challenges posed by multiculturalism in the

field of software engineering, both in industry and in academia.

Introduction of Prof. Simona Vasilache

Simona Vasilache is an assistant professor in the Graduate School of Systems and

Information Engineering at the University of Tsukuba in Japan. She completed her

undergraduate studies at the Politechnica University of Bucharest, Romania, and

she obtained her PhD from the University of Tsukuba in Japan. Her research

interests include human computer interaction, software engineering, formal

methods, cultural aspects of e-learning, as well as intercultural communication.

For the past 5 years she has been teaching a culturally diverse group of

international students in Japan.

19

Oral Sessions

Environmental Sciences (1)

Wednesday, May 10, 2017 08:30-10:00 Room B

Session Chair: Prof. Ayca Erdem

ICCBES-0026

Investigation and Assessment of Energy and Resource Integration into Sewage Treatment

and Waste Heat Recovery

Kuang-Chih Chang︱Ministry of Economic Affairs

Ya-Feng Wang︱Chung Yuan Christian University

Tien-Chin Chang︱National Taipei University of Technology

Lin-Han Chiang Hsieh︱Chung Yuan Christian University

Ciao-En Hu︱National Taipei University of Technology

ICCBES-0011

Seasonal Evaluation of the Sanitary Quality of the Alexandrian Mediterranean Coast

Using Microbial Indicators

Amira M. Hamdan︱Alexandria University

ICCBES-0046

Current Research Trends in Environmental Engineering: Content Analysis of

Publications on Micropollutants

Merve Ozkaleli︱Akdeniz University

Ayse Gunay︱Akdeniz University

Meltem Asilturk︱Akdeniz University

Cigdem Moral︱Akdeniz University

Ayca Erdem︱Akdeniz University

ICCBES-0101

Effect of Dopants on Pt/γ-Al2O3 Catalyst in Propane Dehydrogenation

Nattanon Chartsakulsaka︱Chulalongkorn University

Adisak Guntidaa︱Chulalongkorn University

Joongjai Panpranota︱Chulalongkorn University

Kongkiat Suriyeb︱SCG Chemicals

Piyasan Praserthdama︱Chulalongkorn University

20

ICCBES-0108

The Effect of Loading Sequence of the La-Promoted WO3/Sio2 Catalysts in the

Cross-Metathesis of Ethylene and 2-Butene and Self-Metathesis of Propylene

Thotsapan Kornpitak︱Chulalongkorn University

Joongjai Panpranot︱Chulalongkorn University

Piyasan Praserthdam︱Chulalongkorn University

188

Biological Engineering / Biological Sciences / Chemical

Engineering

Thursday, May 11, 2017 08:40-10:10 Room B

Session Chair: Prof. Lanny Sapei

ICEAI-0018

Optimized Hot Air Flow Distribution System for Increasing the Dialyzer Drying Process

Performance

Mohammad Fard︱Novatisteb Company

Ali Rezaee︱Novatisteb Company

ICCBES-0066

A Method for the Quantification of 18F-FDOPA in PET Imaging for Parkinson's Disease

Correlation to Brain Structures

Printaporn Sanguansuttigul︱King Mongkut's University of Technology Thonburi

Teerapol Saleewong︱King Mongkut's University of Technology Thonburi

Sayaphat Suksai︱Srinakharinwirot University

Kitiwat Khamwan︱Chulalongkorn University

Saknan Bongsebandhu-Phubhakdi︱Chulalongkorn University

ICEAI-0029

Simulations of Geometrical Effects on Transport Properties Through Micro- and

Nanopores

Attaphon Chaimanatsakun︱Kasetsart University

Deanpen Japrung︱Thailand Science Park

Prapasiri Pongprayoon︱Kasetsart University

ICEAI-0056

High-Grade Biosilica Isolated from Diluted Acids Leached Rice Husk

Lanny Sapei︱University of Surabaya

Natalia Suseno︱University of Surabaya

Karsono Samuel Padmawijaya︱University of Surabaya

Jessica Natalia Wibowo︱University of Surabaya

Chandra Widjaja︱University of Surabaya

189

ICCBES-0115

Effects of Natural Steroid Sand Fish (Holothuria Scabra) for Uterus Development of Post

Menopausal Women

Etty Riani︱Bogor Agricultural University

Chairunissa︱Bogor Agricultural University

Hera Maheswari︱Bogor Agricultural University

Farah Bilqistiputri︱Lampung University

Nastiti Kusumorini︱Bogor Agricultural University

211

ICEAI-0056

High-Grade Biosilica Isolated from Diluted Acids Leached Rice Husk

Lanny Sapei *, Natalia Suseno, Karsono Samuel Padmawijaya,

Jessica Natalia Wibowo, Chandra Widjaja

Department of Chemical Engineering, University of Surabaya, Indonesia * E-mail: lanny.sapei@staff.ubaya.ac.id

Abstract

Rice husk which consists of ~20% silica seems to be quite promising to be the biosilica

resources. As one of the most abundant agricultural wastes derived from paddy milling sites,

rice husks have been generally directly burn on sites causing air pollution and environmental

problems. Rice husk silica is amorphous in nature which is quite reactive and has a great

potential to be used as a raw material for various silica based products. The aim of this

experiment was to study the efficacy of diluted acids such as HCl and citric acid in order to

obtain high-grade silica. The characterisation of silica ashes included the analysis of

composition and structure using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray

Diffraction (XRD), X-ray Fluorescence (XRF). The specific surface area of silica was

determined using Brunauer, Emmet, Teller-Surface Area Analyzer (BET-SAA). Silica

produced from these experiments had an amorphous form. The highest silica purity with Si

content of 96.2% was obtained from rice husk treated using diluted HCl. However, the highest

specific surface area of ~253 m2/g was derived from diluted citric acid treated rice husks.

Diluted acids seemed to be quite effective in removing metallic impurities enabling to produce

high grade biosilica.

Keywords: Amorphous silica, rice husk, dilute acids, leaching.

1. Introduction

The rice paddy production in the world reached 748 million tons in 2016 of which ~ 90% was

produced in Asia (FAO, 2016). In Indonesia, about 75 million tons was produced in 2015 (BPS,

2016). Around 20% of rice paddy is rice husk (Blissett, 2017), thus around 15 million tons of

rice husks are produced annually in Indonesia. Rice husk is produced during the paddy milling

and regarded as the second largest wastes after rice straws. Rice husk is generally accumulated

and burnt on sites thus increasing air pollution. Rice husks have been considered to be the

amorphous silica resources which have been widely used in many industrial applications such

as cements (Sinyoung, 2017; Aprianti, 2017), fillers (Hsieh, 2017; Noushad, 2016), polymer

composites (Yaakob, 2017), adsorbent (Deokar, 2016), catalyst support (Kumar, 2016), and

drug delivery (Rajanna, 2017). Besides that, there have been several attempts to harness rice

husk as biomass derived fuels (Blissett, 2017) and as precursors for silica-based materials

212

synthesis such as zeolite (Mohamed, 2015), Si (Malino, 2016), SiC (Seraji, 2016), and Si3N4

(Qadri, 2016) The high content of silica in rice husk of ~20% makes it promising to be the low

cost and renewable resources of biosilica with significantly increased added value product.

Rice husk silica could be isolated in several ways, such as alkaline extraction using NaOH

(Kalapathy, 2000; Liou, 2011) or NH4OH (Della, 2005) followed by precipitation process

using acids. Silica could be simply obtained from direct combustion of rice husk resulting in

silica rich ashes. However, direct combustion of rice husk without any pretreatment has

resulted in low-grade silica which might also be converted into crystalline form due to the

reactions between silica and alkaline salts forming eutectic mixtures of silicates. In the last

decade, there have been many attempts of conducting pretreatment of rice husk using different

acids solutions such as HCl, H2SO4, HNO3, acetic acid, oxalic acid, citric acid (Chandrasekhar,

2005; Umeda, 2007; Umeda, 2008; Umeda 2009; Liou, 2010; Sapei, 2012; Rafiee, 2012; Sapei,

2015; Bakar, 2016) for the removal of metallic impurities prior to combustion in order to

obtain silica with high purity. There have been a tendency of using diluted strong acid of 1-5%

(Umeda, 2007; Rafiee, 2012) instead of strong acid solution with ~ 5-20% (Umeda, 2007) and

even by using organic acid such as citric acid of 1-7% (Umeda, 2008; Umeda, 2009) for a

green and more environmentally benign process. In this research, a more diluted HCl and citric

acid of 0.01 M were used as the reagents during acid leaching prior to thermal treatment in

order to obtain silica with high purity. The resulted silica was characterized using several

methods, such as XRF, FTIR, XRD, and BET-SAA. Silica obtained from this mild process was

expected to fulfill the criteria of high-grade amorphous silica with high purity and high specific

surface area.

2. Materials and Methods

2.1 Materials

Rice husks were derived from paddy milling processing plant in Mojokerto, East Java. Citric

acid p.a. (Sigma Aldrich) and hydrochloric acid 37% (Merck). Aquades.

2.2 Isolation of Rice Husk Silica

Impurities such as sand and rice straws were removed out from rice husks prior to water rinsing

and drying at 105oC in the oven (Memmert, Germany) for 2 hours. The dried clean rice husks

were then subjected to a leaching process using diluted acids, i.e. 0.01 M HCl and 0.01 M citric

acid. Leaching process was conducted at 100oC for 60 minutes in a stirred flask with reflux.

Afterwards, rice husks were rinsed several times using aquades, filtered, and then dried in the

oven at 105oC for 2 hours. The dried leached rice husks were then thermally treated in a

furnace (Ney VULCAN D-550, Dentsply Ceramco, USA) at 750oC for 5 hours for the organics

removal. The remaining ash after combustion contained highly pure silica. Rice husk without

acid leaching was also thermally treated as the control.

213

2.3 Characterisation of Rice Husk Silica

Rice husk ashes which were mainly silica were characterised using several techniques such as

XRF (X-ray Fluorescence), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), XRD (X-ray

Diffraction), and BET-SAA (Brunauer, Emmet, Teller-Surface Area Analyzer). Elemental

composition of the ashes was determined using (XRF) (PANalytical, MiniPal4, Netherlands) at

Physics Laboratory, State University of Malang, Malang. The functional groups of chemical

constituents of the ashes were analysed using FTIR (Bruker Tensor, Germany) at Polymer and

Membrane Laboratory, University of Surabaya, Surabaya. Samples were prepared using a KBr

pellet at dry atmosphere at 25°C. Each spectrum was derived from an average of 32 scans with

a resolution of 64 cm-1

within the wavenumber range of 400–4000 cm–1

. XRD (X‘Pert Pro

PACAnalytical, Netherlands) measurement was conducted within 2θ = 5–70o at Energy

Laboratory, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya in order to study the crystallinity

of the ashes. Finally, the specific surface areas of the ashes were determined using BET-SAA

(Quantachrome, USA) at Energy Laboratory, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.

3. Results and Discussion

The ash obtained from thermally treated rice husk was about 20% of the native rice husk and

~90% of the ash was silica based on the gravimetric analysis. The ash of untreated rice husk

was grey in color, whereas those obtained from diluted treated acids showed a white color as

could be seen in Figure 1. The white color reflected silica of high purity, whereas the grey

color indicated some trapped carbon inside the silica network due to the eutectic reactions

between silica and metallic impurities (Umeda, 2009). Potassium has been the main impurities

of which presence disturbed the isolation process of pure silica (Sapei, 2008). The

pretreatments of rice husk using diluted acids of both HCl and citric acid prior to thermal

treatment have successfully increased the whiteness and brightness of the ashes. This visual

observation was supported by the results obtained from XRF analysis.

214

The Si content was increased from ~85% to ~ 95-96% (Table 1) when rice husk was previously

treated using diluted acids. The corresponding silica purity as SiO2 obtained from XRF

measurement were 98.6% and 98% for diluted HCl treated and diluted citric acid treated rice

husk, respectively. The Si content in biosilica isolated from diluted HCl rice husk was slightly

higher than those isolated from diluted citric acid. However, both showed a quite high silica

purity of ~98%. These results showed that much diluted acids of 0.01 M of both HCl and citric

acids were already sufficient in removing the metallic impurities mainly K in order to obtain

high-grade biosilica. There have been about 96% and 88% decrease of K after leaching with

diluted HCl and diluted citric acid, respectively. It turned out that diluted HCl seemed to be

more powerful in removing the metal impurities compared to diluted citric acid.

HCl as a strong acid was almost fully ionized when mixed with water producing hydrogen ion

which was responsible for the dissolution of metallic impurities. During the citric acid leaching,

metallic impurities were removed from rice husks due to the chelate reaction between -COOH

groups and metallic impurities. These carboxyl groups, tend to donate proton (H+), resulting in

the negatively charged carboxyl group that is capable of forming stable complexes with several

metal ions such as K+ and Ca

2+ (Pa, 2016). Silica purity of 99.3% was obtained when 1% citric

acid was used (Umeda, 2007). In this experiment, 5 times more diluted citric acid was used and

comparable result was obtained. Diluted acid leaching proved to be significantly useful and

effective in substantially removing the metallic impurities and increase the purity of rice husk

silica while reducing environmental problems.

The FTIR spectra of all samples (Figure 2) including control seemed identical and showed a

fingerprint of amorphous silica with typical siloxane bands at 460-487 cm-1

, 808-823 cm-1

, and

1064-1089 cm-1

. The peaks at wavenumber 1100-1000 and 800 cm-1

were attributed to –

(SiO)n– due to asymmetric and symmetric stretching vibration from Si–O–Si, respectively

(Socrates, 2001). Absorption band at ~460 cm-1

was assigned to bending vibration of O–Si–O

215

(Moenke, 1974). There was some physically adsorbed water in the biosilica indicated by a

small peak at 1635-1658 cm-1

due to the vibration of H–O–H bending (Moenke, 1974). A

broad hump between 3460-3471 cm-1

was assigned to –OH group stretching which could

derived from silanol (Si–OH) or H2O (Moenke, 1974).

All silica ashes both treated with diluted acids and non-treated showed an amorphous form

according to XRD analysis as shown in Figure 3. A broad hump with a peak at 2θ = 22o was a

typical characteristics of amorphous silica. This was in line with the previous investigation

stating that silica present in rice husk was amorphous in nature (Sapei, 2012; Umeda, 2008).

216

Furthermore, silica accumulated in plants such as in Equisetum hyemale was also amorphous

(Sapei, 2007).

The specific surface area of biosilica isolated from diluted acid leached rice husks could be

seen in Table 2. The non-treated sample (control) showed the lowest specific surface area of

~18 m2/g. This was due to the formation of eutectics as the results of the reaction between

silica and alkaline metal mainly potassium during the thermal treatment. The low melting point

eutectics were easily melted during the thermal treatment thus collapsing the pores of biosilica.

Leaching with diluted acids significantly enhanced the specific surface area of about 9 to 14

times. These specific areas were more or less comparable with those obtained using higher

concentrations of corresponding acids (Bakar, 2016; Alyosef, 2013; Rafiee, 2012).

Interestingly, silica obtained from diluted citric acid treated rice husk showed a much higher

specific surface area compared to that obtained from diluted HCl treated rice husk. Citric acid

was able to hydrolyze the main organic materials in the husk, such as cellulose and

hemicelluloses into simple structure of monosaccharides such as furfural and levoglucosan

(Alyosef, 2013). Most probably the hydrolysis of organics by diluted citric acid was more

efficient than that in the presence of diluted HCl. The enhanced area was thereby attributed to

some pores formed due to the removal of organics. Organic acid could be considered as an

alternative chemical to replace the strong acid in the leaching process since organic acid is less

corrosive, less hazardous and more environmentally benign compared to HCl. Furthermore,

much diluted acid was sufficient in substantially removing metallic impurities in rice husk in

order to obtain high-grade silica thus reducing the production cost and environmental

problems.

4. Conclusion

Biosilica isolated from diluted acid leached rice husk was amorphous according to XRD

analysis. The FTIR spectra of all samples showed the fingerprint of amorphous silica. The Si

contents were improved from ~85% to ~95-96% when rice husks were previously treated using

diluted acids of both HCl and citric acid prior to thermal treatments. Although the purity of

silica derived from HCl treated rice husk had a slightly higher purity, its surface area was about

65% lower than that obtained from citric acid treated rice husk which had a relatively high

surface area of 253 m2/g. The purity and surface area of silica derived from this mild process

was comparable with those obtained using more concentrated acids. This proved that leaching

217

using much diluted citric acid seemed to be sufficiently efficient and economical in order to

produce high grade silica while also decreasing the environmental problems.

5. References

Alyosef, H. A., Eilert, A., Welscher, J., Ibrahim, S. S., Denecke, R., Schwieger, W., & Enke, D.

(2013). Characterization of biogenic silica generated by thermo chemical treatment of rice

husk. Particulate Science and Technology, 31(5), 524-532.

Aprianti, E. (2017). A huge number of artificial waste material can be supplementary

cementitious material (SCM) for concrete production–a review part II. Journal of Cleaner

Production, 142, 4178-4194.

Bakar, R.A., Yahya,R., Gan,S.N. (2016). Production of High Purity Amorphous Silica from

Rice Husk, Procedia Chemistry 19, 189-195.

Blissett, R., Sommerville, R., Rowson, N., Jones, J., & Laughlin, B. (2017). Valorisation of rice

husks using a TORBED® combustion process. Fuel Processing Technology, 159, 247-255.

BPS (Badan Pusat Statistik). (2016). https://www.bps.go.id/brs/view/id/1271

Chandrasekhar, S., Pramada, P.N., Praveen, L. (2005). Effect of Organic Acid Treatment on

the Properties of Rice Husk Silica, Journal of Materials Science 40, 6353-6544.

Della, V.P., Kuhn, I., Hotza, D. (2002). Rice Husk Ash as an Alternate Source for Active Silica

Production, Materials Letters 57, 818-821.

Deokar, S. K., Singh, D., Modak, S., Mandavgane, S. A., & Kulkarni, B. D. (2016). Adsorptive

removal of diuron on biomass ashes: a comparative study using rice husk ash and bagasse

fly ash as adsorbents. Desalination and Water Treatment, 57(47), 22378-22391.

FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Rice Market Monitor. (2016,

Dec). Vol. XIX, No. 4.

http://www.fao.org/economic/est/publications/rice-publications/rice-market-monitor-rmm/

en/

Hsieh, Y. Y., Chen, T. Y., Kuo, W. C., Lai, Y. S., Yang, P. F., & Lin, H. P. (2017). Rice husk‐

derived porous carbon/silica particles as green filler for electronic package application.

Journal of Applied Polymer Science, 134(15).

Kalapaty, U., Proctor, A., Shultz, J. (2000). A simple method for production of pure silica from

rice hull ash, Bioresource Technology 73, 257-262.

Kumar, A., Priyadarshinee, R., Singha, S., Dasgupta, D., & Mandal, T. (2016). Rice husk

ash-based silica-supported iron catalyst coupled with Fenton-like process for the

abatement of rice mill wastewater. Clean Technologies and Environmental Policy, 18(8),

2565-2577.

Liou, Tzong-Horng., Jung-Wu, S. (2010). Kinetics Study and Characteristics of Silica

Nanoparticles Produced from Biomass-Based Material, Ind. Eng. Chem. Res 49,

8379-8387.

218

Liou, Tzong-Horng., Yang, Chun-Chen. (2011). Synthesis and Surface Charateristics Of

Nanosilica Produced From Alkali-extracted Rice Husk Ash, Material Research and

Engineering B 176, 521-529.

Malino, M. B., Jimmy, & Lapanporo, B. P. (2016, March). The dependence of grain size of

silicon from rice husk ash on metallothermic reaction time. In N. N. Rupiasih, W. G.

Suharta, & H. Suyanto (Eds.), AIP Conference Proceedings (Vol. 1719, No. 1, p. 030015).

AIP Publishing.

Moenke, H.H.W. (1974) “Chapter 16 Silica, the three-dimensional silicates, borosilicates and

beryllium silicates” in The Infrared Spectra of Minerals, 4th

Edition, Farmer, V.C.,

Mineralogical Society, London.

Mohamed, R. M., Mkhalid, I. A., & Barakat, M. A. (2015). Rice husk ash as a renewable

source for the production of zeolite NaY and its characterization. Arabian Journal of

Chemistry, 8(1), 48-53.

Noushad, M., Ab Rahman, I., Husein, A., & Mohamad, D. (2016). Nanohybrid dental composite

using silica from biomass waste. Powder Technology, 299, 19-25.

Pa, F. C., Chik, A., & Bari, M. F. (2016). Palm Ash as an Alternative Source for Silica

Production. In MATEC Web of Conferences (Vol. 78, p. 01062). EDP Sciences.

Rafiee, E., Shahebrahimi, S., Feyzi, M., Shaterzadeh, M. (2012). Optimization of Synthesis and

Characterization of Nanosilica Produced from Rice Husk (a common waste material),

International Nano Letters 2, 29.

Rajanna, S. K., Vinjamur, M., & Mukhopadhyay, M. (2017). Robust Silica Aerogel

Microspheres from Rice Husk Ash to Enhance the Dissolution Rate of Poorly

Water-Soluble Drugs. Chemical Engineering Communications, 204(2), 249-253.

Sapei, L., Miryanti, A., Widjaja, L.B. (2012). Isolasi dan Karakterisasi Silika dari Sekam Padi

dengan Perlakuan Awal Menggunakan Asam Klorida, Prosiding SINTECH-1 The first

Symposium in Industrial Technology, Fakultas Teknologi Industri UPN Veteran

Yogyakarta A-8 – A-16, ISSN:2302-8033.

Sapei, L., Padmawijaya, K.S., Sutejo, A., Theresia, L. (2015). Karakterisasi Silika Sekam padi

dengan Variasi Temperatur Leaching Mengunakan Asam asetat, Jurnal Teknik Kimia, 9

(2), 38-43

Sapei, L., Gierlinger, N., Hartmann, J., Nöske, R., Strauch, P., Paris, O. (2007). Structural and

Analytical Studies of Silica Accumulations in Equisetum hyemale. Journal of Analytical

and Bioanalytical Chemistry 389, 1249-1257.

Sapei, L., Nöske, R., Strauch, P., Paris, O. (2008). Isolation of Mesoporous Biogenic Silica

from the Perennial Equisetum hyemale. Chem. Mater 20, 2020-2025.

Seraji, M. M., Ghafoorian, N. S., & Bahramian, A. R. (2016). Investigation of microstructure

and mechanical properties of novolac/silica and C/SiO 2/SiC aerogels using mercury

porosimetry method. Journal of Non-Crystalline Solids, 435, 1-7.

219

Sinyoung, S., Kunchariyakun, K., Asavapisit, S., & MacKenzie, K. J. (2017). Synthesis of

belite cement from nano-silica extracted from two rice husk ashes. Journal of

Environmental Management, 190, 53-60

Socrates, G. (2001). “Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies, Tables and

Chart”, 3rd

Edition, John Willey and Sons Ltd, England, 241-247.

Umeda, J., Kondoh, K., & Michiura, Y. (2007). Process parameters optimization in preparing

high-purity amorphous silica originated from rice husks. Materials transactions, 48(12),

3095-3100.

Umeda, J., Imai, H., Kondoh, K. (2009) Polysaccharide Hydrolysis and Metalic Impurities

Removal Behavior of Rice Husks in Citric Acid Leaching Treatment, Transaction of

JWRI, 38, No.2.

Umeda, J., Kondoh, K. (2008). High-Purity Amorphous Silica Originated in Rice Husks via

Carboxylic Acid Leaching Process, Journal of Materials Science 22, 7084-7090.

Yaakob, M. S., Abidin, N. A. Z., Abdullah, M. N., Muda, M. K. H., & Mustapha, F. (2017).

Drop-Weight Impact Test on Laminated Composite Plate of Flax (Linum Usitatissimum)

Using Rice Husk Ash from Paddy (Oryza Sativa) as a Natural Binder. Pertanika Journal of

Science & Technology, 25(1).

Qadri, S. B., Rath, B. B., Gorzkowski, E. P., Wollmershauser, J. A., & Feng, C. R. (2016).

Nanostructured silicon nitride from wheat and rice husks. Journal of Applied Physics,

119(13), 134902.

Acknowledgement

The authors wish to thank Ms. Dyah Ayu Ambarsari for the assistance during experiments.

This research was funded by Ministry of Research, Technology and Higher Education of the

Republic of Indonesia under the research grant scheme of ―Applied Product‖ 2017.

Study of the Effects of Acid concentration, temperature and time during

leaching of rice husk with HCl

Lanny Sapeia,*

, Natalia Susenoa, Karsono Samuel Padmawijaya

a, Jessica Natalia Wibowo

a, and

Chandra Widjajaa

aDepartment of Chemical Engineering, University of Surabaya, Raya Kalirungkut, Surabaya

60293, East Java, Indonesia

*E-mail address: lanny.sapei@staff.ubaya.ac.id

Abstract

Rice husks is one of most abundant agricultural wastes which have a great potential to be

used as a raw material for silica based products. The aim of experiment is to study the effect of

the acid treatment, acid concentration, leaching time and temperature on purity and the

characteristics of the resulting silica. Silica were characterized using FTIR (Fourier Transform

InfraRed), XRD (X-Ray Diffraction), XRF (X-Ray Fluorescence) dan BET-SAA (Brunauer,

Emmet and Teller, Surface Area Analyzer. Silica produced from this experiment had an

amorphous form.The highest silica (SiO2) content 99,4% was obtained from rice husk treated

with 1 M HCl at 77oC or 100

oC for 60 minutes. It turned out that the concentration, temperature,

and time played a siginificant role in obtaining silica with higher purity.

Keywords : amorphous, hydrochloric acid, leaching, rice husks

1

Deskripsi

PEMBUATAN BIOSILIKA BERKUALITAS TINGGI DARI SEKAM PADI

DENGAN PROSES LEACHING RAMAH LINGKUNGAN

5

Bidang Teknik Invensi

Invensi ini berhubungan dengan suatu pembuatan biosilika

dari bahan baku sekam padi, lebih khusus lagi invensi ini

berhubungan dengan pembuatan biosilika berkualitas tinggi dari

sekam padi menggunakan proses leaching yang bersifat ramah

lingkungan.

10 Latar Belakang Invensi

Sekam merupakan salah satu hasil samping proses

penggilingan padi dan menghasilkan limbah yang cukup

banyak,yakni sebesar 20% dari berat

gabah(Somaatmadja,1980).Pemanfaatan sekam padi secara komersial

masih relative rendah. Hal ini disebabkan oleh

karakteristik sekam padi antara lain bersifat kasar,

bernilai gizi rendah, memiliki kerapatan yang rendah, dan

kandungan abu yang cukup tinggi (Houston, 1972). Sekam padi

secara umum digunakan sebagai media bercocoktanam, sebagai

sumber energi dalam bentuk briket arang sekam,alas pakan

ternak. Sekam padi memiliki kandungan silika yang cukup tinggi

yaitu sebesar18-22%(Luh,1991).Silika sebagai komponen utama abu

sekam padi (~90%), merupakan salah satu senyawa yang paling

banyak terdapat di alam. Silika yang terakumulasi di dalam

makhluk hidup banyak terdapat dalam bentuk phytolite yang

merupakan bentuk primer dari silika amorf (SiO2 dengan 5-15%

H2O).Oleh sebab itu sekam padi merupakan bahan baku yang cukup

potensial sebagai sumber bio-silika dari sumber terbarukan dan

sekaligus mampu meningkatkan nilai tambah sekam padi.Silika

banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan dengan berbagai

2

ukuran tergantung aplikasi yang dibutuhkan seperti dalam

industri ban,karet,gelas,semen,beton,keramik,tekstil,kertas,

kosmetik, elektronik, cat,film, pasta gigi, adsorben, dan lain-

lain (Kirk-Othmer, 1984; Sun, 2001

Tanaman diketahui memiliki peran dalam polimerisasi

biosilika menjadi bentuk silika amorf. Silika non kristalin

atau amorf memiliki susunan atom dan molekul berbentuk pola

acak dan tidak beraturan. Akibat pola acak dan tidak beraturan

tersebut, silika amorf memiliki struktur spherikal yang rumit.

Struktur rumit tersebut menyebabkan luas area permukaan yang

tinggi, biasanya diatas 3 m2/g (Kirk- Othmer, 1984). Silika

amorf dalam berbagai kondisi dianggap lebih reaktif dibanding

silika kristalin.Tingkat kereaktifan dari silika amorf

disebabkan karena adanya gugus hidroksil (silanol) yang didapat

setelah pemanasan mencapai temperatur 400oC. Gugus silanol (-

SiOH) ini dapat ditemukan di atas permukaan dari sampel silika

yang menyebabkan terbentuknya daerah yang reaktif (Kirk-

Othmer,1984).

Silika yang terdapat di dalam sekam padi memiliki sifat

amorf, memiliki ukuran ultra fine dan sangat reaktif

(Chandrasekhar, 2003). Penambahan silika amorf ke dalam adonan

keramik mampu memberikan kekuatan keramik yang lebih baik

dibandingkan dengan penambahan silica kristalin (Hanafi,2010).

Sekam padi memiliki banyak senyawa organic dan inorganik

yang cukup kompleks.Silika dari sekam padi dapat diisolasi

dengan berbagai cara. Secara sederhana pengisolasian silika

dapat dilakukan dengan cara pembakaran. Namun, metode

pembakaran langsung tanpa penghilangan logam pengotor akan

menghasilkan abu yang hanya mengandung silika amorf dengan

kemurnian rendah(maks. 90%) dan adanya kemungkinan terbentuknya

silika kristalin.

Penggunaan perlakuan kimia menggunakan asam sebelum

pembakaran mampu menghasilkan silika dengan kemurnian yang

cukup tinggi tanpa mengubah karakteristik sifat amorf dari

silika (Chandrasekhar, 2003). Lebih lanjut lagi, sekam padi

yang mengalami perlakuan awal menggunakan asam klorida memiliki

3

kemurnian yang jauh lebih baik dibandingkan dengan penggunaan

asam-asam inorganik lainnya seperti asam sulfat dan asam nitrat

(Chakraverty, 1988). Asam klorida mampu melarutkan senyawa-

senyawa pengotor inorganik lain selain silika yang terdapat di

dalam sekam padi secara efektif.

Penggunaan asam kuat seperti HCl, HNO3, H2SO4 sangat

efektif untuk mengurangi pengotor-pengotor yang terdapat dalam

sekam padi, namun penggunaan asam kuat juga

membutuhkan biaya yang cukup tinggi untuk peralatan anti

korosi, penggunaan air yang banyak untuk membilas sekam padi

dan perlakuan khusus untuk pembuangan limbah. Untuk menghindari

hal tersebut, penggunaan asam-asam organik, seperti asam

sitrat, oksalat dan asetat yang lebih ramah lingkungan, tidak

berbahaya bagi manusia, dan lebih ekonomis mulai dikaji oleh

beberapa peneliti antara lain: Chandrasekhar et.al.,(2005),

Umeda,(2008), O.Olawale,et al. (2012), L. Sapei (2015)

Penelusuran paten yang dilakukan melalui beberapa sumber

paten, antara lain yang dikemukakan oleh Norman D, et al (US

patent no 7,638,108B2) adalah pembuatan produk berbasis silika

dengan kemurnian tinggi (mengandung impuritis <0,01% berat)

dari bahan baku sekam dan jerami padi, Penghilangan pengotor-

pengotor logam dilakukan melalui proses leachingmenggunakan

larutan asam kuat seperti asam sulfat,asa, klorida atau asam

nitrat. Pada temperatur 250oC, waktu leaching 48 jam.Hasil

leaching mengandung total mineral impurities <1000 ppm.Untuk

penghilangan pengotor-pengotor logam pada pembatan serbuk

silicon amorf pada invensi yang dikemukakan oleh Kassuyoshi

Kondoh,et al pada US patent 8,178,067 penghilangan pengotor-

pengotor logam ini dilakukan melalui proses leachingmenggunakan

larutan asam kuat seperti H2SO4 HNO3, asam fosfat mampu mereduksi

kandungan hexose sampai batas 10% dan pentose 20%. Jumlah total

logamyang terkandung dalam larutan asam hasil hidrolisis dengan

H2SO4 lebih rendah dibandingkan larutan asam hasil hidrolisis

dengan HCl, dan HNO3.

Pada produksi biosilika dengan kemurnian tinggi terdapat

pada US patent WO 2,011,022,817A1, proses penghilangan pengotor

4

menggunakan proses leaching dengan asam-asam minera seperti

asam klorida, asam perklorat, asam sulfat, asam asetat, asam

sitrat, asam asetat.

Pada invensi ini menyediakan pembuatan biosilika dari sekam

padi berkualitas tinggi menggunakan proses leaching ramah

lingkungan. Proses purifikasi silika dari sekam

padi melalui proses leaching menggunakan berbagai jenis asam

organik lemah seperti asam sitrat, asam oksalat dan asam asetat

pada konsentrasi sangat rendah. Kondisi proses leaching

menggunakan pemanasan pada suhu dan waktu yang effektif dapat

menghasilkan produk biosilika dengan kemurnian minimum 97%.

Sapei dkk (2015) melakukan proses leaching sekam padi

menggunakan 3 M serta CH3COOH 3 M pada temperatur ruang selama

60 menit. Proses thermal dilakukan pada 750oC selama 5 jam

dengan laju pemanasan 10oC/ menit (Sapei dkk, 2013). Silika yang

dihasilkan bersifat amorf berdasarkan uji XRD dan FTIR.

Kandungan Si meningkat dari ~85% menjadi ~93-95%. Surface area

meningkat dari ~18 m2/g (tanpa leaching) menjadi ~56 m

2/g

(CH3COOH 3 M).

Sapei dkk (unpublished) juga melakukan proses leaching sekam

padi menggunakan asam oksalat pada temperatur 50-100oC selama 60

menit. Uji XRD dan FTIR membuktikan bahwa silika yang

dihasilkan bersifat amorf. Kandungan Si yang diperoleh dari uji

XRF berturut-turut 95,5% (1 M asam oksalat, 50oC) ; 96,4% (0,1 M

asam oksalat, 100oC) ; dan 97,7% (1 M asam oksalat, 100

oC).

Surface area yang dihasilkan relatif tinggi yaitu masing-masing

~260 m2/g (1 M asam oksalat, 100

oC).

Selama proses leaching, ada kemungkinan terjadinya hidrolisis

senyawa-senyawa organik, seperti hemiselulosa, lignin dan

sebagian kecil selulosa yang akan turut membantu proses

penghilangan senyawa organik selanjutnya melalui proses

thermal. Hemiselulosa adalah polisakarida yang terdiri dari

molekul-molekul monosakarida yang disatukan dengan ikatan

glukosida. Hemiselulosa dapat terhidrolisis sempurna dalam

larutan asam membentuk xilosa (50-70% w/w) dan arabinose (5-15%

5

w/w) (Pessoa et. al., 1997). Hemiselulosa akan menjadi furfural

dalam larutan asam sitrat (Umeda, 2010).

Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan

dengan rantai alifatik yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin

terdapat diantara sel-sel dan dalam dinding sel serta berfungsi

sebagai perekat untuk mengikat sel-sel agar tetap bersama.

Keberadaan lignin sangat erat hubungannya dengan selulosa yang

berfungsi untuk memberi ketegaran pada sel dan mengurangi

degradasi terhadap selulosa. Pada suasana asam, berat molekul

lignin akan bertambah dan akan mengendap pada suasana yang

sangat asam. Pada saat hidrolisa dilakukan, lignin akan

terlarut sebagian di dalam asam (Oktaveni, 2009).

Selulosa yang merupakan polimer lurus dari 1,4’-β-D-glukosa

akan mengalamihidrolisis lengkap dalam HCl 40% dan menghasilkan

D-glukosa. Disakarida yang terisolasi dari selulosa yang

terhidrolisis sebagian adalah selobiosa yang dapat

terhidrolisis lebih lanjut menjadi glukosa dengan katalis asam

atau dengan emulsin enzim (Ralp J. Fessenden, 1986). Dalam

larutan asam sitrat, selulosa dapatterkonversi menjadi

levoglucosan (Umeda, 2010)

Sekam padi yang telah dimurnikan dari pengotor inorganik

kemudian dibakar untuk penghilangan senyawa-senyawa organik.

Pembakaran yang dilakukan harus memiliki temperatur yang

terkontrol. Menurut Umeda dan Kondoh (2008), pembakaran sekam

padi yang didahului dengan perlakuan dengan asam sitrat dengan

konsentrasi 5% terbukti dapat menghasilkan silika dengan

kemurnian yang tinggi dan bersifat amorf walaupun dibakar

hingga temperatur 1000oC.

Sedangkan silika yang didapatkan dengan perlakuan awal

menggunakan HOAc 0,1 M memiliki surface area sebesar 13,4 m2/gram.

Sapei dkk (2015) melakukan proses leaching sekam padi menggunakan

CH3COOH 3 M pada temperatur ruang selama 60 menit. Proses thermal

dilakukan pada 750oC selama 5 jam dengan laju pemanasan 10oC/ menit

(Sapei dkk, 2013). Silika yang dihasilkan bersifat amorf berdasarkan

uji XRD dan FTIR. Kandungan Si meningkat dari ~85% menjadi ~93-95%.

6

Surface area meningkat dari ~18 m2/g (tanpa leaching) menjadi

~56m2/g (CH3COOH 3 M).

Sapei dkk (unpublished) juga melakukan proses leaching sekam padi

menggunakan HNO3 dan asam oksalat pada temperatur 50-100oC selama 60

menit. Uji XRD dan FTIR membuktikan bahwa silika yang dihasilkan

bersifat amorf. Kandungan Si yang diperoleh dari uji XRF berturut-

turutHNO3, 50oC) ; 95,5% (1 M asam oksalat, 50oC) ; 96,4% (0,1 M

asam oksalat, 100oC) ; dan

97,7% (1 M asam oksalat, 100oC). Surface area yang dihasilkan

relatif tinggi yaitu masing- ~260 m2/g (1 M asam oksalat, 100oC).

Selama proses leaching, ada kemungkinan terjadinya hidrolisis

senyawa-senyawa organik,seperti hemiselulosa, lignin dan

sebagian kecil selulosa yang akan turut membantu proses

penghilangan senyawa organik selanjutnya melalui proses thermal.

Hemiselulosa adalah polisakarida yang terdiri dari molekul-

molekul monosakarida yang disatukan dengan ikatan

glukosida. Hemiselulosa dapat terhidrolisis sempurna dalam larutan

asam membentuk xilosa (50-70% w/w) dan arabinose (5-15% w/w) (Pessoa

et. al., 1997). Hemiselulosa akan menjadi furfural dalam larutan

asam sitrat (Umeda, 2010).

Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan dengan

rantai alifatik yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin terdapat

diantara sel-sel dan dalam dinding sel serta berfungsi sebagai

perekat untuk mengikat sel-sel agar tetap bersama. Keberadaan

lignin sangat erat hubungannya dengan selulosa yang berfungsi untuk

memberi ketegaran pada sel dan mengurangi degradasi terhadap

selulosa. Pada suasana asam, berat molekul lignin akan bertambah

dan akan mengendap pada suasana yang sangat asam. Pada saat

hidrolisa dilakukan, lignin akan terlarut sebagian di dalam asam

(Oktaveni, 2009).

Selulosa yang merupakan polimer lurus dari 1,4’-β-D-glukosa

akan mengalami hidrolisis lengkap dalam HCl 40% dan menghasilkan D-

glukosa. Disakarida yang terisolasi dari selulosa yang terhidrolisis

sebagian adalah selobiosa yang dapat terhidrolisis lebih lanjut

menjadi glukosa dengan katalis asam atau dengan emulsin enzim (Ralp

7

J. Fessenden, 1986). Dalam larutan asam sitrat, selulosa dapat

terkonversi menjadi levoglucosan (Umeda, 2010)

Sekam padi yang telah dimurnikan dari pengotor inorganik

kemudian dibakar untuk penghilangan senyawa-senyawa organik.

Pembakaran yang dilakukan harus memiliki temperature yang

terkontrol. Menurut Umeda dan Kondoh (2008), pembakaran sekam

padi yang didahului…