Batubara merupakan sumber daya alam yang murah dan melimpah. Batubara umumnya digunakan sebagai bahan bakar pembangkit listrik tenaga uap (PLTU). Total cadangan batubara dunia pada tahun 2017 mencapai 1,035 triliun ton yang terdiri dari 718,3 miliyar ton batubara jenis antrasit dan bituminous serta 316,7 miliyar ton batubara jenis sub-bituminus dan lignit[1]. Amerika, Rusia, China dan Australia merupakan negara-negara yang memiliki cadangan batubara paling banyak dibandingkan negara-negara lainnya. Namun, produksi batubara Rusia lebih kecil dibandingkan negara-negara yang memiliki cadangan batubara lebih sedikit seperti India dan Indonesia seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 1.
Tabel 1. Negara-negara yang memiliki cadangan dan produksi batubara terbesar di dunia tahun 2017[1]
Batubara merupakan batuan sedimen yang utamanya mengandung unsur karbon. Kandungan karbon yang tinggi dalam batubara memungkinkan untuk memproduksi karbon nano material khususnya carbon nanotube (CNT). Pembuatan CNT pertama kali dilakukan oleh Pang dan Wilson pada tahun 1993 menggunakan metode arc discharge. Arc discharge merupakan metode dekomposisi gas menggunakan listrik untuk membentuk plasma yang menghasilkan temperatur sekitar 4000 – 6000 K. Metode tersebut dijalankan dengan arus DC sebesar 200 A pada tegangan 20 V[2]. Diameter CNT yang dihasilkan kurang dari 5 nm[3].
Pada tahun 1999, William, dkk memproduksi CNT dengan menggunakan metode yang sama tetapi menggunakan katalis Ni-Y. Penggunaan katalis tersebut meningkatkan yield CNT. Diameter CNT yang dihasilkan dari penelitian William, dkk sebesar 1,2 – 1,7 nm[4]. Hasil SEM ditunjukkan oleh Gambar 1(a). Namun, batubara memiliki kandungan mineral dan unsur-unsur non-katalitik seperti sulfur, oksigen dan nitrogen yang dapat mempengaruhi struktur CNT. Selain itu, hal itu juga dapat menyebabkan kualitas produk CNT sulit dikontrol. Wang dkk telah mengidentifikasi penyebab terbentuknya branched CNT (BCNT). Proses produksi BCNT dari batubara jenis antrasit menggunakan metode arc discharge dengan bantuan katalis tembaga. Proses pembentukan BCNT disebabkan oleh keberadaan sulfur dalam batubara[5]. Hasil TEM BCNT ditunjukkan oleh Gambar 1(b).
Gambar 1. (a) Hasil SEM CNT yang diproduksi menggunakan katalis Ni-Y[4] (b) Hasil TEM BCNT[5]
Kandungan fixed carbon dan volatile matter dalam batubara menentukan yield CNT yang dihasilkan. Pada tahun 2002, para peneliti China memproduksi CNT dari 10 batubara bituminous dari China dan 1 batubara bituminous dari Selandia Baru menggunakan metode arc discharge. Analisis Proksimat dari masing-masing sampel ditunjukkan oleh Tabel 2.
Tabel 2. Analisis proksimat sampel batubara[6]
Yield CNT dari 10 sampel batubara China berada pada rentang 23,5 – 60,4%. Sedangkan yield CNT dari batubara Selandia Baru sebesar 62,4%[6]. Secara garis besar, semakin tinggi kandungan fixed carbon dan semakin rendah kandungan volatile matter maka semakin tinggi yield CNT. Kandungan karbon yang tinggi mengindikasikan semakin banyak ion karbon atau kluster karbon dalam fasa gas pada zona plasma sehingga dapat menjadi precursor dalam proses pertumbuhan CNT. Selain itu, volatile matter yang terdapat unsur hidrogen di dalamnya dapat menghambat proses pertumbuhan CNT sehingga kandungan volatile matter diharapkan sangat rendah. Hubungan antara fixed carbon dan volatile matter terhadap yield CNT ditunjukkan oleh Gambar 2.
Gambar 2. Hubungan antara fixed carbon dan volatile matter terhadap yield CNT[6]
Batubara menjadi salah satu opsi sebagai prekursor karbon dalam pembuatan nano material. Hal tersebut dikarenakan harga batubara jauh lebih murah dibandingkan dengan grafit dan ketersediaan batubara lebih melimpah daripada grafit. Bahkan, penggunaan batubara mampu menurunkan biaya bahan baku hingga 10 kali lipat. Jika CNT dapat diproduksi dari batubara, dapatkah batubara menjadi bahan baku dalam pembuatan material nano karbon lainnya seperti graphene ? Nantikan artikel selanjutnya ya sahabat warstek 🙂
Referensi
[1] BP. 2018. BP statistical review of world energy. British Petroleoum. Diakses dari : https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-coal.pdf pada 23 November 2018
[2] Arora N., Sharma N.N. 2014. Arc discharge synthesis of carbon nanotubes: comprehensive review, Diamond & Related Materials, 50, 135-150
[3] Pang L.S.K., Wilson A. 1993. Nanotubes from coal. Energy & Fuels, 7, 436-437
[4] Williams K.A., Tachibana M., Allen J.L., Grigorian L., Cheng S.C., Fang S.L., Sumanasekera G.U., Loper A.L., Williams J.H., Eklund P.C. 1999. Single-wall carbon nanotubes from coal. Chemical Physics Letters, 310, 31–37
[5] Wang Z., Zhao Z., Qiu J. 2006. Synthesis of branched carbon nanotubes from coal. Carbon, 44, 1321–4
[7] Qiu J-S., Zhang F., Zhou Y., Han H-M., Hu D-S, Tsang S.C., Harris P.J.F. 2002, Carbon nanomaterials from eleven caking coals. Fuel, 81, 1509-1514.
