Sekilas sonochemistry
Sonic atau suara dengan frekuensi sangat tinggi disebut ultrasonic. Suara ultrasonik yang menjalar di dalam medium cair memiliki kemampuan terus menerus membangkitkan semacam gelembung atau rongga (cavity) di dalam medium tersebut yang kemudian secepat kilat meletus. Gelembung-gelembung yang meletus tadi bisa menghasilkan energi kinetik luar biasa besar yang berubah menjadi energi panas. Penciptaan dan luruhnya gelembung yang cepat memberikan efek transfer energi panas yang juga cepat. Gelembung-gelembung tadi bisa mencapai suhu 5000 Kelvin, bertekanan 1000 atm, dan memiliki kecepatan pemanasan-pendinginan 1010 K/s. Selama terjadinya gelembung-gelembung, kondisi fisika-kimia suatu reaksi bisa berubah drastis namun suhu medium yang teramati tetaplah dingin karena proses terbentuk dan pecahnya gelembung tadi terjadi dalam skala mikroskopik.
Karena beberapa proses kimia dengan bantuan ultrasonik dalam medium cair bisa berlangsung lebih optimum pada suhu relatif rendah (yang juga berarti membutuhkan asupan energi lebih kecil), maka metode sonokimia dipertimbangkan memenuhi syarat kimia hijau.
Sonokimia skala laboratorium dan contoh penelitian
Kita tahu bahwa laboratorium kampus atau mungkin sekolah memiliki bak pembersih ultrasonik (ultrasound cleaning bath), lalu apa yang bisa kita lakukan?
Bak pembersih ultrasonik portable
Umumnya alat pembersih ultrasonik portable memiliki frekuensi 40 hingga 60 kHz (ada yang mencapai 400 kHz) dan bisa diatur suhunya hingga paling tidak 70 oC. Dengan alat seperti ini, aneka penelitian skala laboratorium bisa dilakukan, misalnya untuk mengekstrak bahan aktif dari bahan alam. Alat tersebut juga dapat dimanfaatkan dalam memodifikasi struktur mikro material, dalam sintesa organik, pengolahan limbah dan sebagainya.
Dalam jurnal internasional Ultrasonics Sonochemistry (sebuah jurnal ilmiah yang memiliki kekhususan bidang sonokimia terbitan Elsevier), dimuat banyak contoh proses ekstraksi menggunakan bantuan bak pembersih ultrasonik. Senyawa penting dari bahan alam yang mungkin sensitif terhadap perlakuan panas bisa diekstrak dengan metode sonokimia, misalnya senyawa saponin ginseng, yang disebutkan dalam jurnal tersebut bisa diisolasi tiga kali lebih cepat dibanding metode soxhlet. Soxhlet adalah alat ekstraksi konvensional yang menerapkan prinsip sirkulasi pelarut yang menguap dan mengembun melewati bahan matriks sekaligus membawa senyawa target. Tentu saja proses ekstrasi soxhlet membutuhkan masukan energi lebih besar ketimbang proses sonokimia karena harus menguapkan pelarut agar terjadi proses sirkulasi. Soxhlet dingin atau ekstraksi counter currentmungkin bakal memberikan yield yang sama tapi tentu saja membutuhkan waktu lebih panjang untuk mendapatkan yield yang setara dengan proses ekstraksi sonokimia. Ekstraksi capsaicinoids dari cabai juga bisa dilakukan menggunakan metode dan alat yang sama demikian juga aneka senyawa aktif dari bahan alam lain.
Dalam teknologi material misalnya, sintesa kristal logam ukuran nano atau mikro bisa dilakukan lebih efisien dengan menggunakan bantuan sonokmia. Disebutkan dalam sebuah artikel bahwa Sb2O3 nanobelts (NBs) dan needle-like Sb8O11Cl2(H2O)6 microcrystallines (MCs) dapat dibuat secara sonokimia pada suhu kamar dalam bak pembersih ultrasonik. Preparasi karbon nanosheet dari karbon black juga pernah dikerjakan menggunakan alat yang serupa. Dalam dunia polimer, sintesis polianilin nanofibers menggunakan metode sonokimia adalah salah satu contohnya.
Perbedaan morfologi mikrokristal (A) needle-like Sb8O11Cl2(H2O)6 dengan proses sonokimia frekuensi rendah dan (B) kristal tak-beraturan Sb8O11Cl2(H2O)6 MCs dengan proses pengadukan biasa
Reaksi kimia organik dengan bantuan sonokimia tak ketinggalan juga diteliti. Sintesis satu tahap senyawa amida tersubstitusi, sintesis arilhidrazon pada suhu kamar, sintesis 2,3-epoksil-1,3-diaril-1-propanondikombinasi dengan katalis antar muka adalah sedikit dari banyak contoh reaksi organik yang memanfaatkan sonokimia.
Banyak poses pengolahan limbah cair (misalnya zat warna atau material organik) bisa ditingkatkan efisiensinya dengan bantuan sonokimia. Contoh penelitiannya adalah degradasi C.I. Direct Black 168 menggunakan abu layang/H2O2 yang digabung dengan sonokimia, atau dekontaminasi air dari polutan mikroorganisme atau peningkatan efisiensi proses penghilangan senyawa fosfor biologis.
Peluang skala laboratorium dan aplikasi industri
Untuk ukuran penelitian di laboratorium, investasi bak pembersih ultrasonik tidaklah teramat mahal dan tidak mengkonsumsi energi listrik terlalu besar. ukurannya yang portable dan banyaknya aneka ragam proses kimia yang bisa dieksplorasi sudah semestinya menjadikan cabang kimia ini sebagai salah satu topik penelitian yang HOT.
Sebuah diagram alir proses kimia menggunakan prinsip sonokimia
Dalam skala massal, tentu saja yang dibutuhkan oleh industri adalah alat yang memiliki kapasitas besar dan mudah dalam proses instalasinya. Hal ini sudah dipertimbangkan oleh dunia penelitian dan industri di luar negeri dengan mengembangkan alat pembangkit ultrasonik berkekuatan besar yang mudah dipindah-pasangkan berbentuk menyerupai corong atau tanduk (horn). Frekuensi yang dihasilkan bisa berkisar belasan hingga mencapai 1000 kHz dengan daya mencapai ribuan watt. Demikian pula, untuk meningkatkan produktifitas, alat tersebut bisa dipasang dalam satu rangkaian terintegrasi dengan reaktor. Nah, sekarang tinggal bagaimana kalangan industri mau berinvestasi dan mengejawantahkan proses sonokimia dalam proses produksi mereka.
Rangkaian seri ultrasonik-horn untuk proses skala industri
Pustaka
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Sonochemistry
[2] http://www.scs.uiuc.edu/suslick/britannica.html
[3] Ultrasonics Sonochemistry, 8 (2001) 347-352
Umumnya alat pembersih ultrasonik portable memiliki frekuensi 40 hingga 60 kHz (ada yang mencapai 400 kHz) dan bisa diatur suhunya hingga paling tidak 70 oC. Dengan alat seperti ini, aneka penelitian skala laboratorium bisa dilakukan, misalnya untuk mengekstrak bahan aktif dari bahan alam. Alat tersebut juga dapat dimanfaatkan dalam memodifikasi struktur mikro material, dalam sintesa organik, pengolahan limbah dan sebagainya.
Dalam jurnal internasional Ultrasonics Sonochemistry (sebuah jurnal ilmiah yang memiliki kekhususan bidang sonokimia terbitan Elsevier), dimuat banyak contoh proses ekstraksi menggunakan bantuan bak pembersih ultrasonik. Senyawa penting dari bahan alam yang mungkin sensitif terhadap perlakuan panas bisa diekstrak dengan metode sonokimia, misalnya senyawa saponin ginseng, yang disebutkan dalam jurnal tersebut bisa diisolasi tiga kali lebih cepat dibanding metode soxhlet. Soxhlet adalah alat ekstraksi konvensional yang menerapkan prinsip sirkulasi pelarut yang menguap dan mengembun melewati bahan matriks sekaligus membawa senyawa target. Tentu saja proses ekstrasi soxhlet membutuhkan masukan energi lebih besar ketimbang proses sonokimia karena harus menguapkan pelarut agar terjadi proses sirkulasi. Soxhlet dingin atau ekstraksi counter currentmungkin bakal memberikan yield yang sama tapi tentu saja membutuhkan waktu lebih panjang untuk mendapatkan yield yang setara dengan proses ekstraksi sonokimia. Ekstraksi capsaicinoids dari cabai juga bisa dilakukan menggunakan metode dan alat yang sama demikian juga aneka senyawa aktif dari bahan alam lain.
Dalam teknologi material misalnya, sintesa kristal logam ukuran nano atau mikro bisa dilakukan lebih efisien dengan menggunakan bantuan sonokmia. Disebutkan dalam sebuah artikel bahwa Sb2O3 nanobelts (NBs) dan needle-like Sb8O11Cl2(H2O)6 microcrystallines (MCs) dapat dibuat secara sonokimia pada suhu kamar dalam bak pembersih ultrasonik. Preparasi karbon nanosheet dari karbon black juga pernah dikerjakan menggunakan alat yang serupa. Dalam dunia polimer, sintesis polianilin nanofibers menggunakan metode sonokimia adalah salah satu contohnya.
Perbedaan morfologi mikrokristal (A) needle-like Sb8O11Cl2(H2O)6 dengan proses sonokimia frekuensi rendah dan (B) kristal tak-beraturan Sb8O11Cl2(H2O)6 MCs dengan proses pengadukan biasa
Reaksi kimia organik dengan bantuan sonokimia tak ketinggalan juga diteliti. Sintesis satu tahap senyawa amida tersubstitusi, sintesis arilhidrazon pada suhu kamar, sintesis 2,3-epoksil-1,3-diaril-1-propanondikombinasi dengan katalis antar muka adalah sedikit dari banyak contoh reaksi organik yang memanfaatkan sonokimia.
Banyak poses pengolahan limbah cair (misalnya zat warna atau material organik) bisa ditingkatkan efisiensinya dengan bantuan sonokimia. Contoh penelitiannya adalah degradasi C.I. Direct Black 168 menggunakan abu layang/H2O2 yang digabung dengan sonokimia, atau dekontaminasi air dari polutan mikroorganisme atau peningkatan efisiensi proses penghilangan senyawa fosfor biologis.
Peluang skala laboratorium dan aplikasi industri
Untuk ukuran penelitian di laboratorium, investasi bak pembersih ultrasonik tidaklah teramat mahal dan tidak mengkonsumsi energi listrik terlalu besar. ukurannya yang portable dan banyaknya aneka ragam proses kimia yang bisa dieksplorasi sudah semestinya menjadikan cabang kimia ini sebagai salah satu topik penelitian yang HOT.
Sebuah diagram alir proses kimia menggunakan prinsip sonokimia
Dalam skala massal, tentu saja yang dibutuhkan oleh industri adalah alat yang memiliki kapasitas besar dan mudah dalam proses instalasinya. Hal ini sudah dipertimbangkan oleh dunia penelitian dan industri di luar negeri dengan mengembangkan alat pembangkit ultrasonik berkekuatan besar yang mudah dipindah-pasangkan berbentuk menyerupai corong atau tanduk (horn). Frekuensi yang dihasilkan bisa berkisar belasan hingga mencapai 1000 kHz dengan daya mencapai ribuan watt. Demikian pula, untuk meningkatkan produktifitas, alat tersebut bisa dipasang dalam satu rangkaian terintegrasi dengan reaktor. Nah, sekarang tinggal bagaimana kalangan industri mau berinvestasi dan mengejawantahkan proses sonokimia dalam proses produksi mereka.
Rangkaian seri ultrasonik-horn untuk proses skala industri
Pustaka
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Sonochemistry
[2] http://www.scs.uiuc.edu/suslick/britannica.html
[3] Ultrasonics Sonochemistry, 8 (2001) 347-352
