Electronic Theses and Dissertation

Peningkatan konsentrasi karbon dioksida (CO₂) di atmosfer menjadi salah satu penyebab utama pemanasan global dan perubahan iklim, dengan dampak signifikan terhadap stabilitas ekosistem global. Teknologi Carbon Capture and Storage (CCS) telah diakui sebagai strategi mitigasi emisi karbon yang efektif dan berkelanjutan. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan dan mengoptimalkan mineral serpentin asal Aceh sebagai material adsorben CO₂ berbasis mineral, melalui pendekatan karakterisasi eksperimental dan validasi numerik menggunakan simulasi dinamika fluida komputasional (CFD). Mineral serpentin diaktivasi secara termal pada suhu 650°C, 750°C, dan 850°C, dengan variasi waktu pemanasan selama 1,5 jam, 3 jam, dan 4,5 jam, serta fraksi ukuran partikel 50, 100, dan 150 mesh. Karakterisasi material dilakukan menggunakan teknik FT-IR, XRF, XRD, SEM-EDS, dan BET. Hasil analisis menunjukkan bahwa aktivasi termal meningkatkan luas permukaan spesifik dari 37,05 m²/g menjadi 42,38 m²/g, serta kandungan MgO dari 29,95% menjadi 36,83%. Selain itu, terjadi transformasi struktur kristal dari fase chrysotile (monoklinik) menjadi forsterite (ortorombik) yang lebih stabil secara termal, dan morfologi permukaan menunjukkan peningkatan porositas dengan distribusi yang lebih seragam. Pengujian adsorpsi dilakukan untuk mengevaluasi efisiensi serpentin sebagai adsorben CO₂ dengan memvariasikan ukuran partikel, suhu dan waktu aktivasi, serta laju alir gas. Pemodelan kinetika menggunakan model Thomas, Yoon–Nelson, dan Clark menunjukkan bahwa serpentin dengan ukuran partikel 150 mesh menghasilkan kapasitas adsorpsi tertinggi sebesar 6,7962 mg/g, sedangkan laju adsorpsi tertinggi tercapai pada suhu aktivasi 650°C dengan nilai 0,16073 mL/mg/s. Secara umum, nilai koefisien determinasi (R²) yang tinggi (≥ 0,9735) menunjukkan kesesuaian model terhadap data eksperimen, dengan model Thomas paling konsisten dalam menggambarkan karakteristik laju dan kapasitas adsorpsi. Simulasi numerik menggunakan perangkat lunak ANSYS Fluent® dilakukan untuk memodelkan aliran fluida dan distribusi gas CO₂ dalam reaktor kolom, dan menunjukkan bahwa kondisi optimum dicapai pada berat adsorben 30 gram dan laju alir gas 0,5 SLPM. Hasil simulasi ini memperkuat data eksperimen dan memberikan dasar kuantitatif dalam merancang sistem CCS berbasis mineral serpentin untuk aplikasi skala industri. Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa serpentin asal Aceh yang telah diaktivasi secara termal memiliki karakteristik fisik dan kimia yang sangat mendukung perannya sebagai material penyerap karbon. Kombinasi pendekatan eksperimental dan numerik tidak hanya meningkatkan keandalan data, tetapi juga menghadirkan metode terintegrasi dalam pengembangan material CCS yang efisien, ekonomis, dan berpotensi tinggi untuk mendukung penerapan teknologi penangkapan karbon berkelanjutan di Indonesia.

The rising concentration of atmospheric carbon dioxide (CO₂) is a major contributor to global warming and climate change, posing significant threats to global ecosystem stability. Carbon Capture and Storage (CCS) technology has emerged as an effective and sustainable strategy for mitigating CO₂ emissions. This study aims to develop and optimize Aceh-derived serpentine mineral as a mineral-based CO₂ adsorbent through experimental characterization and numerical validation using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The serpentine was thermally activated at temperatures of 650°C, 750°C, and 850°C, with heating durations of 1.5, 3, and 4.5 hours, and particle size fractions of 50, 100, and 150 mesh. Material characterization was performed using FT-IR, XRF, XRD, SEM-EDS, and BET techniques. Thermal activation was found to increase the specific surface area from 37.05 m²/g to 42.38 m²/g and the MgO content from 29.95% to 36.83%. A phase transformation from chrysotile (monoclinic) to forsterite (orthorhombic), which is thermally more stable, was also observed. Surface morphology revealed enhanced porosity with a more uniform distribution. Adsorption performance was evaluated by varying particle size, activation temperature and duration, and gas flow rate. Kinetic modeling using the Thomas, Yoon–Nelson, and Clark models indicated that the 150 mesh serpentine achieved the highest adsorption capacity of 6.7962 mg/g, while the highest adsorption rate of 0.16073 mL/mg/s occurred at an activation temperature of 650°C. High coefficients of determination (R² ≥ 0.9735) across all models demonstrated excellent agreement with experimental data, with the Thomas model showing the most consistent predictive capability. Numerical simulations using ANSYS Fluent® were conducted to model CO₂ gas flow and distribution within a column reactor. The simulations indicated that optimal performance was achieved with a 30 g adsorbent mass and a gas flow rate of 0.5 SLPM. These results support the experimental findings and provide a quantitative basis for designing serpentine-based CCS systems for industrial applications. In conclusion, thermally activated serpentine from Aceh exhibits favorable physical and chemical characteristics for CO₂ adsorption. The integration of experimental and computational approaches enhances the reliability of the findings and offers a comprehensive methodology for developing efficient, cost-effective, and scalable mineral-based CCS technologies in support of sustainable carbon mitigation efforts in Indonesia.