PERCEPATAN REAKSI KIMIA DENGAN PEMANASAN MIKROWAVE

JURNAL APLIKASI FISIKA

VOLUME 11

NOMOR 2

AGUSTUS 2015

PERCEPATAN REAKSI KIMIA DENGAN PEMANASAN MIKROWAVE
I.N. Sudiana dan M. Zamrun Firihu
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Halu Oleo,
Kendari, Sulawesi Tenggara, 93231
E-mail : nyoman.sudiana@uho.ac.id

Abstrak
Penelitian ini untuk membuat silica keramik dengan menggunakan energi mikrowave.
Silika diproduksi dari sekam padi yang diperoleh di persawahan di Sulawesi Tenggara.
Silika yang diperoleh memiliki kemurnian rata-rata 93.8 %. Silika ini di buat pellet lalu
disinterring sampai suhu 1100 oC untuk mendapatkan keramik dengan kualitas tinggi.
Mikrowave yang digunakan dari hasil modifikasi oven microwave komersial. Hasilnya
dibandingkan dengan pemanasan biasa (dengan tanur listrik). Hasil ekperimen

menunjukkan perbedaan yang signifikan dibandingkan keramik hasil pemanasan
biasaterhadap sifat-sifat keramik. Ini menunjukkan bahwa ada ‘microwave effect’
terhadap silika selama sintering.
Kata Kunci: mikrowave, reaksi kimia, microwave effect.
diyakini
I. PENDAHULUAN
Mikrowave
belakangan
diaplikasikan
kehidupan.

di

berbagai

bidang

bidang

kimia,


Dalam

[1].

ini

konveksi, konduksi, dan atau radiasi panas
dari permukaan

material melalui interaksi molekul dengan

molekul dan dipole dalam bahan atau ion-

medan elektromagnetik [2]. Mikrowave

yang beperan

dapat


mengubah energi ektromagnetik menjadi

ultrasound, dan oksidasi

ekonomis, namun tetap mempertahankan

dibandingkan

ramah
dengan

untuk

pembuatan

seperti eksploitasi steam, hidrotermal,

mikrowave umumnya cepat, bersih dan

dan


diterapkan

biomass, berbagai tehnik pretreatment

panas. Reaksi kimia dengan memanfaatkan

reaksi

material. Sebaliknya

energi mikrowave ditransfer langsung pada

kimiawi memanfaatkan kemampuan gerak

hasil

Pada proses konvensional energi

termal ditransfer ke material melalui


pemanasan dan sumber energi pada proses

ion konduksi dalam zat

sebagai teknologi masa depan

basah telah

dilakukan untuk lignoselulosa biomassa.

lingkungan

Mikrowave

metode

pretreatment

merupakan


pretreatment dengan efisiensi energi dan

konvensional. Oleh karena itu mikrowave
38

JAF Vol 11 No. 2 (2015) 38-43

mudah diimplementasikan untuk level

absorpsi akan terjadi seperti konduksi

komersial [3].

ionic, relaksasi ion, proses multi phonon,

Beberapa laporan menyebutkan bahwa
mikrowave

mempercepat


dsb

reaksi,

[5].

Absorspsi

tersebut

yang

transfer

material

berbeda-beda

yang


dihasilkan

oleh

material adalah hasil dari semua proses

berdasarkan kecepatan dan homogenitas
panas

microwave

dari

untuk

masing-masing
karna

selain


gelombang mikro. Sebagai contoh, waktu

dipengaruhi lingkungan juga oleh kondisi

reaksi

termodinamik bahan.

menjadi

Pretreatment
yang

lebih

cepat

[4].


Secara umum rata-rata energy yang
diserap persatuan volume oleh bahan
adalah:

menggunakan mikrowave

dipadukan

dengan

penambahan

NaOH dapat meningkatkan kadar selulosa
[1]

batang pisang kepok dibandingkan dengan

dimana ε adalah konstanta dielektrik dari

metode konvensional [4].


material,

Namun sampai saat ini mekanisme

 adalah kecepatan sudut, H

meningkatkan

adalah medan magnet, o pemeabiliti

reaksi kimia masih dalam perdebatan.

magnetik,  adalah dielectric losses 

Beberapa penelitian mengemukakan teori

adalah magnetic losses, adalah ,  adalah

tentang

tambahan

konduksi ionic, dan 0 adalah permitivitas

(ponderomotive force) ataupun karena

dari ruang hampa. Mekanisme pemanasan

munculnya titik-titik panas baru (new

oleh komponen medan E dari microwave

hotspot) dalam bahan

yang bereaksi

diperlihatkan pada Gambar 1 [6]. Medan E

selama di radiasi oleh mikrowave. Dalam

menyebabkan osilasi dari dipole dan ion,

tulisan

osilasi ini diteruskan ke menjadi vibrasi

bagaimana

mikrowave

keberadaan

ini

dianalisis

gaya

beberapa

hasil

kisi dan selanjutnya meningkatkan suhu

microwave pada reaksi kimia.

benda akibat gerak molekul.
II. Mekanisme absorpsi microwave

Saat radiasi microwave diberikan
pada

material,

beberapa

mekanisme

39

Percepatan Reaksi………………………………………………………………….(Sudiana,dkk)

Gambar 1 Konversi energi selama pemanasan microwave oleh komponen medan E [6].

Penyerapan energi ini menyebabkan kenaikan temperature dari bahan,

sesuai

dengan Persamaan 2 [5]. Nampak dari persamaan 2 bahwa laju kenaikan suhu sangat
bergantung pada sifat bahan.
ε ε

Dimana ε

(2)
dielectric loss efektif, f adalah frekuensi ( Hz), Erms akar rata-rata kuadrat dari

medan E( V/m),  adalah kerapatan ( kg/m3 ) dan Cp adalah kapasitas panas benda
( J/kgoC). Mekanisme serapan gelombang elektromagnetik pada bahan sangat bergantung
pada frekuensi gelombang EM selain suhu dan sifat termodinamik benda lainnya.
Kebergantungan pada frekuensi digambarkan seperti pada Gambar 2.

Fig. 2 Mekanisme serapan dari gelombang elektromagnetik pada bahan untuk berbagai frekuensi EM
40

JAF Vol 11 No. 2 (2015) 38-43

III. EKPERIMEN
CHEMISTRY
Dalam

microwave

MICROWAVE

untuk

aplikasi

reaksi

kimia.

Pengukuran suhu juga harus seakurat mungkin

ekperimen

agar dapat dianalisa microwave effect nya

menggunakan

microwave untuk reaksi kimia dibutuhkan

dengan

peralatan khusus yang yang dirangkai dengan

fiberoptik karna bila menggunakan sensor

microwave agar hasil reaksi seperti gas, uap,

suhu

dan

dicelupkan dan akan mempengaruhi reaksi

atau

tekanan

yang

tinggi

tidak

benar.

biasa

Biasanya

seperti

menggunakan

thermocouple

harus

kimia dalam pengukurannya.

menimbulkan kerusakan pada microwave.
Gambar 3 dan 4 salah satu contoh desain

Gambar 3. Rancangan tabung reaksi untuk mikrowave yang dilengkapi dengan pengaman
dan multitabung [6]

41

Percepatan Reaksi………………………………………………………………….(Sudiana,dkk)

Gambar 4. Microwave raktor kimia (kiri) yang dilengkapi dengan pengukur suhu fiber
optic dan reactor konvensional (kanan) [6]
III. HASIL-HASIL EKPERIMEN MIKROWAVE MEMPERCEPAT REAKSI
KIMIA
Dibawah ini ditampilkan efek microwave terhadap beberapa proses kimiawi.
Walaupun penjelasan teoritiknya belum memadai dapat ekperimen ini dapat diulang dan
menghasilkan hasil yang mengindikasikan bahwa ada percapatan proses akibat gelombang
microwave.Tabel 1 menunjukkan proses kimia dan perbandingan hasilnya dengan
microwave dan cara konvensional.
Tabel 1. Perbandingan hasil reaksi menggunakan radiasi microwave dan metode
konvensional [1]
Durasi (menit)
% Hasil
Reaksi
Konvensional Microwave Konvensional Microwave
Sintesis Fluoresein

600

35

70

82

60

8

70

73

Reaksi Biginelli

360

35

70

75

Sintesis Aspirin

130

1

85

92

Kondensasi pada
benzoin dengan Urea

Hasil lain adalah percepatan reaksi Mannich (Gambar 5) dan efek microwave ditampilkan
pada dan Tabel 2.

JAF Vol 11 No. 2 (2015) 38-43

Nampak pada suhu yang sama dan waktu yang sama hasil reaksi dengan microwave lebih
banyak. Hal ini jelas menunjukkan adanya nonthermal effect.

Gambar 5. Reaksi Mannich
Tabel 2. Perbandingan hasil reaksi Mannich menggunakan radiasi microwave dan metode
konvensional (oil bath)
Metode
Reaksi
Suhu (oC)
Waktu
Hasil (%)
Mikrowave (7 W)
65
5 jam
79
Reaksi
Mikrowave (57 W)
65
5 jam
83
Mannich
Konvensional
65
5 jam
81
Percepatan oksidasi dari benzyl alcohol pada microwave prosessing dilaporkan oleh
ddd,dkk [7]. Dari grafik ini menunjukkan bahwa oksidasi dari benzyl alcohol pada
microwave (MW) jauh lebih cepat dibandingkan dengan konvensional(CH).

Gambar 6. Oksidasi dari benzyl alcohol pada microwave (MW) dan konvensional(CH)
heating [7]
Hasil-hasil ini menunjukkan bahwa

bukan wadahnya. Sebuah contoh khas

microwave mempercepat reaksi kimia.

adalah penggunaan radiasi gelombang

Pemanasan dengan cara radiasi microwave

mikro dalam proses pengabuan. Sebagai

adalah proses yang sangat efisien dan

sistem pengabuan bisa mencapai suhu

menghasilkan penghematan energi yang

lebih dari 800 ° C dalam 50 menit

signifikan.

dibandingkan dengan cara konvensional

Hal

ini

terutama

karena

yang lama [8].

microwave memanaskan hanya sampel
42

Gambar 7 Pemanasan reaksi kimia dengan konvensional (kiri) dan microwave (kanan)
Pemanasan

dengan

radiasi

sebelum tersebar ke bahan yang bereaksi

seperti

metode

(Gambar7).

microwave

tidak

pemanasan

konvensional,

yang

Walaupun banyak hasil menunjukkan

memberikan pemanasan merata di seluruh

microwave mempercepat proses kimiawi

campuran

namun beberapa ilmuwan meragukannya.

reaksi

(Gambar

2),

yang

meningkatkan suhu dari seluruh volume,

Hal

dimana

dalam

pengukuran

tabung

selama reaksi sehingga beberapa peneliti

minyak panas (oil bath) dimana bagian

mengklaim bahwa perbedaan hasil tersebut

dinding yang pertama-tama dipanaskan

bukan

diikuti dengan campuran reaksi yang

perbedaan suhu dari reaktan. Analisis dari

kontak langsung dengan dinding pembuluh

level energi diuraikan berikut ini.

pada

konvensional

pemanasan

seperti

dengan

ini

karna

susahnya

temperature

karna

microwave

membuat

yang

akurat

tapi

Tabel 3. Frekuensi microwave, panjang gelombang, dan energi photon
Frekuensi (GHz)

Panjang Gelombang

Energi (eV)

(mm)
0.3
300

1.24 x 10-6
1.24 x 10-3

1000
1
Tabel 4. Level energi ikatan atom

Energi level
eV

Gerak Brown
(200 K)
0.017

Ikatan
Hidrogen
0,04-0,44

Ikatan kovalen

4,51 (C-H) dan
3,82 (C-C)
kJ/mol
1.64
3,8-42
4,35 (C-H) dan
3,68 (C-C)
Tabel 5. Driving force untuk proses kimia dan sintering

Ikatan
Ionik
7,6
730

karna

JAF Vol 11 No. 2 (2015) 38-43

Driving Force(F )

Nilai

d

-18

Driving force untuk sintering

10

Driving force microwave
(Ponderomotive force)

10

Driving force untuk reaksi kimia

10

-18

dan ikatan antar atom dan driving force
untuk reaksi kimia menunjukkan bahwa
kecil kemungkinan secara langsung foton
microwave

mempercepat

reaksi.

Namun microwave menimbulkan spot-spot
panas seperti yang dilaporkan oleh hamper
semua peneliti. Hal ini menimbulkan
gradient suhu dalam reaktan sehingga
kemungkinan mampu mempercepat reaksi
seperti hasil ekperimen yang dilaporkan
para peneliti sebelumnya.
IV

KESIMPULAN

Mikrowave mempercepat reaksi kimia di
klaim

oleh

para

peneliti.

Hasil-hasil

ekperimen belakangan ini menunjukkan
kesesuaian dengan prediksi para ilmuwan.
Namun penjelasan teoritik dari hasil-hasil
tersebut belum memadai. Gradient suhu
dalam reaktan akibat radiasi microwave
kemungkinan salah satu penyebabnya.

43

N
-16

to 10
-15

Nampak dari level energi dari microwave

dari

-17

to 10

N
-13

to 10 N

REFERENSI
[1] Gaba, M., Dhingra N. 2011.
Microwave
chemistry:
General
Features and Applications. Indian
Journal of Pharmaceutical Education
and Research.
[2] Thostenson E.T., Chou T.W. 1999.
Microwave processing : Fundamental
and
Applications,
Elsevier
Composites : Part A 30 (1999) 10551071.
[3] Kannan S., T. Ahmed A.S, Ani F. N,
2013. Advanced Materials Research
Vol. 701 (2013) pp 249-253.
[4] Rosyidin K., K. Yusuf, 2015.,
Prosiding
Simposium
Nasional
Inovasi dan Pembelajaran Sains 2015.
[5] Sutton, W. H., , Microwave Solutions
for Ceramic Engineers, Am. Cer.
Soc.,
Ed.by
D.E.
Clark, D.C.
Folz, C.E. Folgar, M.M. Mahmoud ,
pp. 35-65 ( 2005).
[6] K.I. Rybakov, E.A. Olevsky, E.V.
Krikun,2013, , J. of American
Ceramic Society 96 (4), 1003-1020
[7] Proefschrift, 2009, thesis, Eindhoven
University of Technology.
[8] Taylor M, Atri SS, Minhas S.2005.
Evalueserve analysis: Developments
in microwave chemistry.