Firman (2015) Asam Lemak Dari Minyak Jarak (Castor Oil) Sebagai Material Penyimpan Kalor Laten. Doctor thesis, Universitas Brawijaya.
Abstract
Aplikasi penyimpanan kalor laten dengan menggunakan PCM (phase change material) semakin luas baik di industri maupun di bangunan. Aplikasi ini sangat bervariasi, bergantung pada temperatur daerah kerjanya. Oleh karena itu, juga dibutuhkan berbagai jenis PCM yang sesuai. Beberapa jenis PCM dari anorganik antara lain Calsium chloride hexhydrate dan Calcium chloride tetrahydrate. Dari bahan organik terdapat beberapa jenis antara lain asam laurat (lauric-acid), dan asam palmitat (palmitate-acid). PCM dari bahan organik memilki kelebihan yaitu: beku kecil atau tanpa supercooling, komposisi tidak berubah saat lebur, kompatibel dengan material konvensional, sifat kimia stabil, fusi kalor tinggi, dan tidak beracun (Mehling, 2008). Menurut Parlan (1997), asam risinoleat dapat diisolasi dari minyak jarak hingga mencapai kemurnian 99% melalui reaksi transesterifikasi kemudian dihidrolisis. Hasil isolasi asam risinoleat pada umumnya masih menyisakan asam linoleat, asam oleat, dan asam stearat. Asam lemak tersebut mempunyai sifat yang berbeda satu sama lain dengan asam risinoleat. Dibandingkan asam lemak lainnya, asam risinoleat sangat spsifik karena memiliki gugus hidroksil (OH) pada rantai hidrokarbonnya. Akibatnya, gugus hidroksil dalam asam risinoleat dapat menghambat pertumbuhan kristal, sehingga berpotensi terjadinya separasi fasa dan supercooling. Tujuan utama penelitian ini ialah: menentukan karakteritik separasi fasa; karakteristik supercooling; karakteristik pertumbuhan kristal; dan karakteristik penyerapan kalor asam risinoleat. Adapun target jangka panjang penelitian ini ialah mengahasilkan PCM dari Asam Risinoleat untuk aplikasi pada bidang refrigerasi. Metil risinoleat diperoleh melalui reaksi transesterifikasi minyak kastor oleh methanol dengan katalis natrium metoksida. Metil risinoleat kemudian dihirolisis menggunakan natrium hidroksida dalam etanol untuk menghasilkan asam risinoleat. Identifikasi asam risinoleat dilakukan dengan FTIR (Fourier transform Infrared Spectrophotometer) standar uji ASTM E 1252-07 dan komposisi kimia material ditentukan dengan GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry). Identifikasi jumlah dan posisi atom H dan C dengan menggunakan alat Nuclear Magnetics Resonance (NMR). Analisis karakteristik yaitu suhu transisi dan suhu lebur matrial dilakukan dengan DSC (Differential Scanning Calorimetry) standar uji ASTM D 3419-08. Dari hasil pengujian FTIR, GC-MS, 1H-NMR, dan 13C-NMR diperoleh spectra mengindikasikan material uji ialah metil dan asam risinoleat 70,349%. Pengujian DSC menunjukkan karakteristik asam risinoleat menyerap dan melepaskan kalor laten pada temperature 8,58oC, serta menyerap kalor sensible pada temperature dari 7,96oC sampai 8,58oC Dari hasil pengujian FTIR diperoleh spectra mengindikasikan material uji ialah asam oleat (C18H34O2). Pengujian GC-MS diperoleh komposisi material asam oleat dengan tingkat kemurnian 87,317%. Pengujian DSC menunjukkan bahwa asam oleat dapat menyimpan energy secara isotermal pada temperature 6,58oC dan terjadinya kristalisasi pada temperature 0,86oC. vii Temperatur kristalisasi pada pembekuan asam risinoleat dengan laju pendinginan 2oC/min, 3oC/min, dan 4oC/min tidak terdeteksi temperature kristalisasi. Temperatur kristalisasi -7,17oC terjadi pada laju pendinginan 5oC/min dan -8,17oC pada laju pendinginan 10oC/min. Namun, temperature kristalisasi tidak terdeteksi lagi pada laju pendinginan 15oC/min. Berbeda dengan asam risinoleat, dalam proses pembekuan asam oleat temperature kristalisasi terdeteksi pada laju pendinginan mulai dari 2oC/min sampai dengan 15oC/min. Pada proses pembekuan asam risinoleat mulai dari 0 sampai dengan 240 menit terjadi penurunan temperature secara perlahan mulai dari 17oC sampai dengan 4,1oC. Setelah itu, temperature turun sekitar 3,2oC dan dalam waktu yang singkat naik kembali ke 4,1oC. Keadaan ini menunjukkan terjadinya supercooling meskipun sangat kecil. Selanjutnya temperature konstan selama sekitar 250 menit. Setelah itu, temperatur turun lagi di bawah 4,1oC. Dengan demikian, selama temperature konstan pada 4,1oC terjadi ekstraksi kalor laten. Pada kondisi lain, penurunan temperature dari 17oC ke 4,1oC dan dari 4,1oC ke 0oC terjadi ekstraksi kalor sensible. Pada proses pembekuan asam oleat mulai dari 0 sampai dengan menit ke- 89 terjadi penurunan temperature secara perlahan mulai dari 12,5oC sampai dengan 6oC. Setelah itu, temperature turun sekitar 4,6oC dan dalam waktu yang singkat naik kembali ke 6oC. Keadaan ini menunjukkan terjadinya supercooling meskipun sangat kecil. Selanjutnya temperature konstan selama sekitar 328 menit. Setelah itu, temperatur turun lagi di bawah 6oC. Dengan demikian, selama temperature konstan pada 6oC terjadi ekstraksi kalor laten. Pada kondisi lain, penurunan temperature dari 12,5oC ke 6oC dan dari 6oC ke 0oC terjadi ekstraksi kalor sensible. Dari pengujian morfologi menunjukkan bahwa pembekuan asam risinoleat juga tidak serempak dan tidak rapih. Hal inil mengindikasikan bahwa gugus hidroksill berpengaruh terhadap proses pembekuan asam risinoleat. Hal ini didukung oleh pendapat Fessenden (1986) bahwa molekul tersebut tidak dapat membentuk kisi yang rapi dan mampat, tetapi cenderung untuk melingkar. Pendapat tersebut juga diperkuat oleh (Zhang, 2013) bahwa komposisi asam lemak sangat berpengaruh terhadap proses kristalisasi. Akibatnya, penyimpanan kalor menurun selama proses peleburan. Menurut Petrucci (2011) gugus hydroxyl merupakan gugus fungsi polar, yaitu ikatan kovalen polar antara oxygen dan hydrogen. Gugus hydroxyl menyebabkan interaksi dipole-dipole, sehingga energy yang dibutuhkan untuk meleburkan senyawa tersebut lebih rendah. Akibatnya titik lebur asam risinoleat lebih rendah pula. Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa gugus hidroksil berpengaruh terhadap separasi fasa, supercooling, dan pertumbuhan kristal asam risinoleat.
English Abstract
Latent heat storage applications using PCM (phase change material) is getting widely used both in industry and in the building. These applications vary widely, depending on the temperature of the work area. Therefore, appropriate variety types of PCM is also required. Several types of inorganic PCM include Calsium chloride hexhydrate dan Calcium chloride tetrahydrate. Of organic material, there are several types such as lauric acid and palmitate - acid. PCM of organic materials have the advantage that: small frozen or without supercooling, the composition does not change when melting, compatible with conventional materials, stable chemical properties, high heat fusion, and non-toxic (Mehling, 2008). According to Parlan (1997), ricinoleic acid can be isolated from castor oil up to about 99% by transesterification reaction then hydrolyzed. Generally, results of ricinoleic acid isolation still leave linoleic acid, oleic acid, and stearic acid. The fatty acids have different properties from each other with ricinoleic acid. Compared to other fatty acid, ricinoleic acid is very specific because it has a hydroxyl group (OH) in the hydrocarbon chain. As a result, the hydroxyl group of ricinoleic acid can inhibit crystal growth, so that the occurrence of phase separation and supercooling is potential. The main objective of this study is: to determine the characteristic of phase separation; supercooling characteristics; characteristics of crystal growth; and heat absorption characteristics of ricinoleic acid. The long-term target of this research is to result in PCM of Ricinoleic Acid for application in the field of refrigeration. Methyl ricinoleate is obtained by castor oil transesterification by methanol with sodium methoxide catalyst. Then, methyl ricinoleate is hyrolyzed using sodium hydroxide in ethanol to produce ricinoleic acid. Ricinoleic acid identification is carried by FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer) ASTM E 1252-07 test standard and chemical material composition determined by GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry). Identification number and positions of H and C atoms uses a Nuclear Magnetics Resonance (NMR). Characteristics analyses namely material transition temperature and melting temperature is done by DSC (Differential Scanning Calorimetry) ASTM D 3419- 08 test standard. From the FTIR, GC-MS, 1H-NMR and 13C-NMR test results spectra obtained indicated the test material is methyl and 70.349% ricinoleic acid. DSC testing showed characteristics of ricinoleic acid to absorb and release latent heat at temperatures 8.58oC, and absorbs sensible heat at temperatures of 7.96oC to 8.58oC. From the FTIR test results spectra obtained indicating the test material is oleic acid (C18H34O2). From GC-MS testing material composition of oleic acid with a purity level of 87.317% is obtained. DSC testing showed that oleic acid can save energy isothermally at temperatures 6.58°C and crystallization happens at temperatures 0.86°C. Crystallization temperature on coagulation ricinoleic acid with cooling rate of 2°C/min, 3°C/min, and 4°C/min does not detect crystallization temperature. - ix 7.17°C Crystallization temperature occurs at a cooling rate of 5°C/min and - 8.17°C at the cooling rate 10°C/min. However, the crystallization temperature was undetectable at the cooling rate of 15°C/min. In contrast with ricinoleic acid, in oleic acid clotting process crystallization temperature is detected on the cooling rate ranging from 2°C/min up to 15°C/min. In the freezing process, ricinoleic acid ranging from 0 up to 240 minutes, temperature declines gradually from 17oC to 4.1oC. After that, the temperature dropped about 3.2oC and in a short time rises back to 4.1oC. This situation indicates the occurrence of supercooling although it is very small. Furthermore, the temperature is constant for about 250 minutes. After that, the temperature drops again below 4.1oC. Thus, during the temperature is constant at 4.1oC latent heat extraction happens. In other conditions, a decrease in temperature from 17oC to 4.1oC and from 4.1oC to 0°C sensible heat extraction occurs. In the oleic acid freezing process ranging from 0 up to 89 minutes, temperature declines slowly from 12.5oC to 6oC. After that, the temperature drops about 4.6oC and in a short time and rises back to 6oC. This situation indicates the occurrence of supercooling although it is very small. Then, the temperature is constant for about 328 minutes. After that, the temperature drops again below 6oC. Thus, during the constant temperature at 6oC latent heat extraction occurs. In other conditions, a temperature decrease from 12.5oC to 6oC and from 6oC to 0°C sensible heat extraction occurs. Morphological testing showed that freezing ricinoleic acid is also not in unison and not neat. It indicates that the hydroxyl cluster affects the ricinoleic acid clotting process. This is supported by the opinion of Fessenden (1986) that the molecules can not form a lattice that is neat and incompressible, but tend to circular. This opinion is also supported by (Zhang, 2013) that the fatty acid composition affects the crystallization process. As a result, heat storage decreased during the smelting process. According to Petrucci (2011) hydroxyl group is a polar functional groups, namely polar covalent bond between oxygen and hydrogen. Hydroxyl group causes dipole-dipole interaction, so that the energy required to melt the compound is lower. Consequently ricinoleic acid melting point is lower as well. Based on the explanation above it can be concluded that hydroxyl groups affect the phase separation, supercooling, and ricinoleic acid crystal growth.
| Item Type: | Thesis (Doctor) |
|---|---|
| Identification Number: | DIS/536.4/FIR/a/2015/061502346 |
| Subjects: | 500 Natural sciences and mathematics > 536 Heat > 536.4 Effects of heat on matter |
| Divisions: | S2/S3 > Doktor Teknik Mesin, Fakultas Teknik |
| Depositing User: | Endang Susworini |
| Date Deposited: | 05 May 2015 13:09 |
| Last Modified: | 05 May 2015 13:09 |
| URI: | http://repository.ub.ac.id/id/eprint/160489 |
Actions (login required)
 |
View Item |