Aerogel Selulosa sebagai Media Pengangkut Air dan Isolator pada Sistem Pembangkit Uap Air Tenaga Sinar Matahari

Juliananda, Juliananda (2024) Aerogel Selulosa sebagai Media Pengangkut Air dan Isolator pada Sistem Pembangkit Uap Air Tenaga Sinar Matahari. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 7008201001-Disertation.pdf Restricted to Repository staff only until 1 April 2027. Download (5MB) | Request a copy

Abstract

Pembentukan uap air pada suhu rendah dibawah titik didih air biasanya merupakan proses yang lambat dibawah sinar matahari alami. Produksi uap air sangat tergantung pada efisiensi konversi yang dapat ditingkatkan dengan cara mendesain sistem yang terintegrasi antara substrat dan photothermal serta inovasi material pada solar steam generator (SSG). Sistem pembangkit uap air sinar matahari terdiri lapisan atas berupa bahan photothermal sebagai adsorber dan lapisan bawah yaitu substrat sebagai pengangkut air dari bawah ke permukaan penguapan dan isolator, cahaya matahari dan air. Sistem ini secara sistematis dapat mengurangi kehilangan energi dengan menggunakan prinsip teknik lokalisasi panas hanya pada permukaan penguapan. Inovasi material baik pada adsorber dan substrat diharapkan dapat meningkatkan laju evaporasi dan efisiensi konversi. Tujuan penelitian adalah merancang sistem pembangkit uap sinar matahari berbasis substrat aerogel selulosa dari sabut kelapa serta bahan photothermal komposit magnetit/lignin dengan teknik lokalisasi panas yang akan berfokus pada permukaan adsorber sehingga dapat mencegah kehilangan panas sehingga mampu meningkatkan laju serta efisiensi penguapan yang baik sehingga dapat menghasilkan air bersih. Substrat yang berasal dari biomassa sabut kelapa memiliki porositas tinggi dan bersifat hidrophilik yang sesuai dengan kriteria substrat dalam sistem lokalisasi panas pada SSG. Struktur pori internal aerogel selulosa yang tidak beraturan dapat menghalangi aliran air yang dari bawah ke permukaan evaporasi yang berfungsi untuk menggantikan kehilangan air akibat penguapan. Pada bab 2 ini dilaporkan bahwa metode untuk menyelaraskan orientasi serat aerogel selulosa yang berasal dari serat sabut kelapa menggunakan bantuan medan listrik dengan tegangan 0,1volt dengan variasi durasi 1-3 jam dikarenakan proses dilakukan pada suhu rendah sehingga ketika waktu yang dilakukan lebih dari 3 jam, gel sudah mulai membeku. Penambahan medan listrik dilakukan pada initial gelasi selama proses sintesis aerogel selulosa dengan rute pelarutan selulosa (sistem NaOH-urea) dan koagulasi. Struktur internal dengan serat sejajar dan vertikal menghasilkan nilai konduktivitas thermal yang lebih tinggi (0,246S W/m.K) karena memiliki jalur serat padat yang lebih pendek untuk aliran panas, akan tetapi nilai toutuositasnya lebih kecil dibandingkan serat aerogel selulosa yang tidak sejajar dan vertikal (0,011 W/m.K). Selain itu, serat yang sejajar dan vertikal menyediakan jalur air yang lebih pendek, yang ditunjukkan dengan konduktivitas hidrolik yang lebih tinggi dengan kapasitas pemompaan air yang tinggi. Pada pengujian evaporasi air, substrat aerogel selulosa yang dilapisi dengan nanopartikel magnetit mampu mencapai laju penguapan sebesar 1,178 kg m-2 jam-1 dengan efisiensi mencapai 82% dibawah penyinaran 1 matahari (1000 watt). Substrat aerogel selulosa dengan orientasi serat yang sejajar dan vertikal dengan bantuan medan listrik mampu menjadi substrat yang sangat menjanjikan untuk sistem SSG bilayer. Bahan photothermal yang berasal dari biomassa memiliki kemampuan tinggi untuk menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi energi termal yang sesuai dengan kriteria photothermal dalam SSG dengan teknik lokalisasi panas. Lignin, sebagai produk samping dari proses pulping, sangat jarang digunakan untuk produk yang berharga. Pada bab 3, dilaporkan metode untuk sintesis komposit magnetit-lignin dengan elektrokimia menggunakan susunan monopolar dari beberapa elektroda besi pada pH awal 9 selama 3 jam. Rasio konsentrasi Na-lignin dalam larutan elektrolit dengan variasi 0-8% diobservasi. Material magnetit berwarna hitam memiliki daya serap cahaya 99,81% dengan densitas (tap-density 1,304 gr.cm -1). Dengan konsentrasi lignin (4%) yang terdapat dalam photothermal kemampuan penyerapan cahaya masih tinggi yaitu 99,54% dengan densitas (tap-density 1,021 gr.cm -1). Komposit magnetit/lignin (2%) juga memiliki morfologi partikel kubik yang dominan. Ketika konsentrasi Na-lignin semakin tinggi, morfologi partikel didominasi dengan bentuk yang tidak beraturan dikarenakan sifat lignin yang cenderung teragglomerasi. Ketika busa polistirena digunakan sebagai substrat untuk sistem SSG dengan mendepositkan komposit magnetit-lignin, laju evaporasi mampu mencapai hingga 0,899 kg.m2.jam-1 (konsentrasi 4%) yang sebelumnya hanya 0,827 kg.m2.jam-1 (konsentrasi 4%) dengan efisiensi evaporasi meningkat menjadi 62,75% dibawah penyinaran 1 matahari (1000 watt). Penelitian ini mengembangkan teknik sintesis komposit magnetit/lignin yang mudah, murah dan berbasis biomassa dan sangat efektif diaplikasi pada sistem SSG untuk produksi uap air.
Metode pengabungan substrat aerogel selulosa dengan bahan photothermal dapat dilakukan dengan teknik dip-coating, ko-gelasi dengan dan tanpa bantuan medan magnet. Metode penggabungan kedua material utama pada sistem SSG memiliki peranan penting pada distribusi photothermal pada permukaan substrat aerogel selulosa. Teknik deposisi dengan dip-coating substrat aerogel selulosa dengan magnetit memiliki laju evaporasi mencapai 0,681 kg.m-2.jam-1 dan ketika menggunakan teknik ko-gelasi dengan bantuan medan magnet mampu mencapai hingga 1,154 kg/m2.jam dengan efisiensi mencapai 80% dibawah penyinaran 1 matahari. Teknik ko-gelasi dapat digunakan untuk mengabungkan material photothermal dengan mengatur distribusi photothermal pada substrat aerogel selulosa sehingga penggunaan photothermal dapat digunakan dalam jumlah yang sedikit. Nilai thermal konduktivitas dari substrat aerogel selulosa dengan komposit magnetit-lignin 2% yaitu 0,26 W/m.K untuk substrat ko-gelasi berbantuan medan magnet mampu mencapai laju evaporasi hingga 1,483 kg/m2.jam dengan efisiensi mencapai >90%. Hal ini menunjukkan metode deposisi photothermal pada substrat aerogel dengan teknik ko-gelasi berbantuan medan magnet merupakan metode yang efektif untuk mendesain bilayer sistem SSG.
=========================================================================================================================================
The formation of water vapor at low temperatures below the boiling point of water is usually a slow process under natural sunlight. The production of water vapor is highly dependent on the conversion efficiency which can be improved by an efficient design of a solar steam generator (SSG) device using an integrated approach that accounts for the performance of photothermal materials, heat losses, and water supply with respect to the hot evaporation region. The photothermal material that serves as an adsorber at the top of the SSG system is paired with a substrate that acts as a water transporter from below to the evaporation surface, as well as an insulator, air, and sunlight at the bottom. This system can systematically reduce energy loss by using the principle of heat localization techniques. It is predicted that material advancements in the adsorber and substrate will improve the rate of evaporation and conversion efficiency. The objective of this research is to design a solar steam generator system based on a magnetite/lignin composite photothermal material and cellulose aerogel substrate made of coconut fiber. The heat localization technique will be focused on the adsorber's surface to prevent heat loss, increase the rate and efficiency of good evaporation, and produce clean water. Biomass-derived substrates have high porosities and hydrophilic properties that match the requirements as substrate in a heat localization solar steam generation (SSG) system. Nevertheless, the irregular branched pattern of the pore structure hinders water flow from bottom to top to immediately replace the evaporating water. In the chapter 2, we report a method to align fiber orientation of cellulose aerogel derived from coir fiber by an electro-assisted method with a voltage of 0.1 volts and a duration variation of 1-3 hours. Specifically, an electric field was applied during the initial phase of gelation process during cellulose aerogel preparation using the dissolution coagulation route. The vertically aligned fibers in the electro-assisted cellulose aerogel result in higher thermal conductivity (0,246 W/m.K) due to a shorter path of solid for heat flow, smaller thermal tortuosity, than that of the unaligned fibers (0.011 W/m.K). Moreover, they also provide a shorter path of water flow, which is indicated by the higher hydraulic conductivity and the higher water pumping capacity. When used as the substrate for bilayer heat localization SSG system by depositing magnetite nanoparticles as the photothermal material, the vertical and unidirectional fibers can quickly replace the evaporating water resulting in high solar evaporation rate of 1.178 kg m-2.h-1 under 1 sun irradiation. The electro-assisted cellulose aerogel appears promising as a sustainable and excellent substrate for bilayer SSG system in solar-driven water purification to supply clean water from seawater.
Biomass-derived photothermal materials have high ability to absorb sunlight and convert it to thermal energy that match the requirements as photothermal in a heat localization solar steam generation (SSG). Lignin, as by-product of the pulping process, is less often utilized for valuable product. In this study, we demonstrated a method to synthesis a composite magnetite-lignin by an electrochemical using monopolar arrangement of multiple iron electrode at initial pH of 9 for 3h. We observed the effect of the ratio of Na-lignin ratio (0%-8%) in electrolyte solution. Black magnetite material has a light absorption capacity of 99.81% with a density (tap-density 1.304 gr.cm-3). The photothermal still has a high light absorption capacity, 99.54%, with a density (tap-density 1.021 gr.cm-3) having the lignin concentration of 4%. The magnetite/lignin composite (2%) has a dominant shape of cubic particles. Although lignin tends to agglomerate, as the concentration of Na-lignin increases, irregular forms predominate in the particle morphology. When polystyrene foam used as the substrate for bilayer heat localization SSG system by depositing a composite magnetite-lignin, the photothermal can absorb the light and convert it to the heat, and evaporating water resulting in high solar evaporation rate of 0.899 kg.m-2.h-1 under 1 sun irradiation. Our work provides a low-cost, easy, and highly effective way for industrial applications a sustainable and excellent photothermal for bilayer SSG system in solar-driven water purification to supply clean water from seawater.
In chapter 4, it is reported that the method of combining cellulose aerogel substrate with photothermal materials can be done by dip-coating technique, co-gelation with and without the assistance of magnetic field. The method of combining the two main materials in the SSG system has an important role in the photothermal distribution on the surface of the cellulose aerogel substrate. The deposition technique by dip-coating the cellulose aerogel substrate with magnetite has an evaporation rate of 0.681 kg.m-2.h-1 and when using the co-gelation technique with the assistance of a magnetic field, it can reach up to 1.154 kg.m-2.h-1 with an efficiency of 80% under 1 sun irradiation. By controlling the photothermal distribution on the cellulose aerogel substrate, the co-gelation approach can be utilized to combine photothermal materials and enable the use of photothermal in small amounts. The thermal conductivity value of the cellulose aerogel substrate with 2% magnetite-lignin composite is 0.26 W/m.K for the magnetic field-assisted co-gelation substrate capable of achieving an evaporation rate of up to 1.483 kg m-2.h-1 with an efficiency of >90%. This demonstrates that an efficient way to create the SSG system bilayer is to use the photothermal deposition method on the aerogel substrate with the magnetic field-assisted co-gelation methodology.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	cellulose aerogel, co-gelation, dip-coating, electrochemical, composite of magnetite-lignin, SSG double layer
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology > TP155.7 Chemical processes. T Technology > TP Chemical technology > TP255 Electrochemistry, Industrial.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Juliananda Juliananda
Date Deposited:	11 Feb 2025 06:30
Last Modified:	11 Feb 2025 06:30
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/118648

Actions (login required)

View Item