Energy Could Yield Greener Cement


A factory in southwest China’s Sichuan province for making cement, among the most carbon-intensive industrial processes. German researchers have made a breakthrough in reducing emissions, in part by using special silicon materials like the one below, characterized by its flower-like crystals.

This story is part of a special series that explores energy issues. For more, visit The Great Energy Challenge.

Cement is so common it’s nearly invisible. But the material that’s used to construct everything from bridges and office buildings to pools, sidewalks, and skate parks is one of the world’s largest contributors to greenhouse gas pollution.

About 5 percent of the world’s carbon dioxide emissions rise from the cement kilns that make the key ingredient of civilization’s hard surface areas. That’s roughly double the amount from the jet fuel burned in all global air travel.

Technically known as “Portland cement,” named after the craggy peninsula (map) where building stone was originally quarried in industrial-age England, cement is the binding agent, or glue, that makes concrete stick together and fastens one brick to another. The world’s construction industry would literally fall apart without cement.

Because it’s so ubiquitous, cement has become a focus for a handful of companies hoping to find ways to reduce or reverse its role as a climate change villain.

A One-Two Climate Punch

The problem lies in cement’s chemistry, which is a sort of double-whammy of CO2 production. To turn Portland cement’s key ingredient, calcium carbonate—found in limestone or chalk—into a finished product called alite, the minerals must be broken down in kilns heated to more than 2,550ºF (1,400ºC). The heating process uses tremendous amounts of energy, which is typically generated using coal, the most carbon-intensive fossil fuel.

Then, the ensuing chemical process releases a second wallop of CO2 as a byproduct of turning calcium carbonate into calcium oxide. In total, producing a ton of cement releases 1,700 pounds (770 kilograms) of CO2 into the atmosphere.

Given the sheer volume produced—about 3 billion tons per year—it adds up to a staggering greenhouse gas problem. Almost all of the world’s fine, gray cement powder is mixed with sand, aggregates, and water to make concrete, which is second only to water as the most consumed substance on earth, according to the World Business Council for Sustainable Development. Three tons of concrete are used annually for each person on earth, and the amount is growing.

Some firms, like California-based Calera and UK-based Novacem, say they’ve come up with ways to produce cement that actually traps CO2, resulting in a negative CO2 balance. But critics have been skeptical of these carbon-capture claims, which haven’t yet been convincingly demonstrated, says Carnegie Institution for Science climate scientist Ken Caldeira.

Cement producers have been able to chip away at energy use over the years by using more efficient equipment and operations. But a process that could dramatically reduce the amount of energy it takes to produce cement or the amount of CO2 cement puts out could be a breakthrough in terms of reducing greenhouse gas emissions. At Germany’s Karlsruhe Institute of Technology (map), chemist Peter Stemmermann says his lab has an approach that will do both.

Called Celitement, it’s a sort of an imitation cement that is heated to about 570ºF (300ºC) a fifth of the temperature needed by regular cement—a huge energy savings. By starting with a mixture lower in calcium and using different kinds of silicon components than ordinary cement, and by adding water earlier in the process, among other things, Stemmermann’s ersatz cement alters the chemical reaction and slashes the amount of CO2 unleashed.

The finished product can be used in standard-issue construction machinery. “You just have to mill it a little bit, and it reacts like ordinary cement,” Stemmermann says. “Everybody wants a cement that can be used with regular machines.”

Overcoming the Cost Barrier

Carnegie scientist Caldeira says Celitement’s more conservative claims are a refreshing change. “They seem to have attacked this on both scores—less calcium oxide and less heat,” he says. “If they can do it and do it affordably, more power to them.”

Stemmermann says affordability is, indeed, Celitement’s biggest challenge. “We need less energy, but to start with, we will be more expensive,” he says. “If you just compete with ordinary Portland cement, you have to be cheaper—and that’s just not possible.”

For now, Stemmermann and his partners are pushing Celitement, which seems to be more resistant to corrosion than ordinary cement, as a solution to specific needs. One application, he says, might be wastewater treatment plants, where harsh chemicals are used in concrete-lined lagoons full of waste. The chemicals eat away at the cement in normal concrete, meaning it has to be replaced often; Stemmermann thinks Celitement would last longer, saving money in the long run even if it cost more to start with. “If you come up with a cement which is more durable, nobody has a problem to pay more,” he says. “We need to have some additional value.”

So far, Celitement has been produced on a very small scale in Stemmermann’s Karlsruhe lab, a few pounds at a time. But investors are impressed enough to fund a small pilot plant scheduled to open in 2011, and the German cement company Schwenk is working with the researchers to open a plant that can churn out 66,000 tons of Celitement a year by 2014. If the method takes off, it could make a significant dent in the construction industry’s contribution to greenhouse gases.

(See map, “Four Ways to Look at Global Carbon Footprints“)

By Andrew Curry

Published By National Geographic Channel


Bagaimana kembang api bisa berwarna-warni ?

Happy 4th Of July

       Pernahkah kalian melihat pertunjukan kembang api ? Siapa sih yang tidak suka melihat pertunjukkan kembang api yang penuh dengan kemilau warna-warni cahaya dengan berbagai bentuk ? Apalagi kalo nontonnya bareng sambil pacar, gebetan atau mantan jadi makin indah :-) Cieee.. yang jomblo gak usah iri ya 😀 :v .Dalam hati kalian pasti sempat bertanya, bagaimana sih cara kerja dan cara membuat kembang api itu? Kembang api berada dalam golongan “Low Explosive” yang dipergunakan untuk tujuan hiburan. Kembang api umumnya terbuat dari kertas atau tanah liat berbentuk silinder atau bola. Kembang api berbentuk silinder didalamya kemungkinan terdapat silinder-silinder kertas lagi, dan disusun sedemikian rupa sehingga apabila kembang api tersebut disulut maka akan diperoleh bentuk, warna, dan suara yang diinginkan kembangapi-1 Komposisi Kembang Api Terdapat 5 komposisi utama kembang api yaitu: Binder, Oksidator, Reduktor, Agen Pemberi Warna, dan Regulator. Fungsi masing-masing dijelaskan sebagai berikut:
1. Binder
Binder berfungsi untuk agen pengikat sehingga seluruh bahan pembuat kembang api dapat dijadikan campuran berbentuk pasta.
2. Regulator
Logam biasanya ditambahkan untuk mengatur kecepatan terjadinya reaksi pada kembang api. Semakin besar luas permukaan logam maka semakin cepat reaksi akan berlangsung.
3. Fuel
Karbon atau thermit umumnya dipakai sebagai fuel pada kembang api. Fuel akan melepaskan elektron pada oksidator. Menyebabkan oksidator tereduksi, selama proses ini berlangsung maka akan terjadi ikatan antara fuel dan oksigen membentuk produk yang lebih stabil, peristiwa pembakaran ini hanya memerlukan sedikit energi agar reaksinya berlangsung, dan ketika proses pembakaran dimulai maka akan dihasilkan energi yang cukup banyak untuk melelehkan dan menguapkan material lain sehingga terjadi percikan api yang menyebabkan terbentuknya cahaya kembang api.
4. Oksidator
Oksidator diperlukan sebagai penghasil oksigen untuk memulai proses pembakaran. Bahan oksidator yang dipakai biasanya dari golongan nitrat, klorat, ataupun perklorat. Awalnya nitrat dipakai sebagai bahan oksidator dan senyawa yang sering dipakai adalah kalium nitrat. Penguraian kalium nitrat adalah sebagai berikut:
2 KNO3 -> K2O + N2 + O2
       Tidak semua oksigen dari KNO3 diubah menjadi oksigen, dan reaksi berjalan tidak begitu ekstrim sehingga mudah di kontrol. Hal ini menyebabkan nitrat dipakai sebagai reaksi awal penyulutan kembang api agar kembang api sampai di angkasa. Untuk mendapatkan reaksi yang ekstrim (dalam arti kecepatan dan menghasilkan panas yang cukup) maka diperlukan oksidator yang lebih kuat dibandingkan nitrat. Ingat agar kembang api dapat menghasilkan kilatan cahaya maka kita harus membuat ion logam agen pemberi warna tereksitasi untuk itulah diperlukan suhu yang tinggi. Klorat merupakan oksidator yang lebih baik dibandingkan dengan nirat, reaksi yang terjadi sangat ekplosif dan menghasilkan suhu yang tinggi selain itu semua oksigen dalam klorat dapat diubah menjadi oksigen. Memberikan oksigen dengan jumlah yang cukup untuk proses pembakaran pada kembang api.
2 KClO3 -> 2KCl + 3 O2
       Sayangnya klorat tidak stabil dan diperlukan penanganan khusus dalam proses pembuatan kembang api, beberapa senyawa klorat dapat meledak ketika dijatuhkan ke tanah. Oleh sebab itu penggunaan klorat digantikan oleh perklorat. Perklorat sekarang banyak dipakai pada industri kembag apai karena stabil dan bereaksi sama ekstrimnya dengan klorat .
KClO4 -> KCl + 2O2
5. Reduktor
      Reduktor bereaksi dengan oksigen yang dihasilkan oleh oksidator membentuk gas yang bertemperatur tinggi dan mengembang dengan cepat. Reduktor yang dipakai biasanya adalah belerang dan karbon.
S + O2 -> SO2 C + O2 -> CO2
6. Agen Pemberi Warna
       Warna kembang api dihasilkan dari pemanasan senyawa logam tertentu. Atom logam menyerap energi yang dihasilkan dari reaksi oksidator dan reduktor diatas dan kemudian dia melepaskan energi itu kembali dalam bentuk cahaya dengan warna tertentu. Energi yang diserap menyebabkan electron logam melompat dari tingkat energi standarnya ke tingkat energi yang lebih tinggi, dinamakan dengan istilah tereksitasi kemudian electron terebut kembali ke tingkat energi semula dengan membebaskan energi cahaya dengan panjang gelombang tertentu.
Ion logam yang dipakai untuk memberi warna pada kembang api diantaranya adalah:
  1. Merah : Garam stronsium atau garam lithium. Contohnya adalah litium karbonat Li2CO3 yang memberikan warna merah dan Stronsium karbonat yang memberikan warna merah cerah.
  2. Oranye : Garam kalsium contohnya kalsium klorida CaCl2
  3. Kuning : Garam natrium contohnya natrium lorida NaCl.
  4. Hijau : Garam barium atau senyawa yang dapat menghasilkan gas Cl2. Contoh garam bariumnya adalah BaCl2.
  5. Biru : Senyawaan tembaga contohnya tembaga(I) klorida CuCl.
  6. Ungu : Campuran antara garam stronsium dan garam tembaga. Karena stronsium memberikan warna merah dan tembaga memberikan warna biru maka campuran kedua garam ini akan menghasilkan warna ungu.
  7. Putih/Silver : Logam magnesium, titanium, ataupun aluminium.



Alasan Mengapa Gas Nitrogen Lebih Banyak dibanding Oksigen dalam Atmosfer Bumi

Alasan Mengapa Gas Nitrogen Lebih Banyak dibanding Oksigen dalam Atmosfer Bumi

              “Kenapa sih kandungan udara dalam atmosfer bumi kita paling banyak Nitrogen ?” . Hal ini memang dapat menjadi pertanyaan yang menarik, karena seperti yang kita ketahui kandungan Nitrogen di udara jauh lebih banyak dibanding Oksigen di atmosfer bumi kita, sedangkan seluruh makhluk hidup membutuhkan Oksigen untuk proses respirasi (pernafasan) dan bukan Oksigen.

                Kita meneganl atmosfer sebagai udara yang ada disekitar kita dengan ketinggian sampai 1.000 km. Sewaktu bumi kita ini tumbuh, atmosfer mulai terbentuk (gas gas yang terjebak dalam planetesimal lepas dan akhirnyalah menyelimuti bumi kita ini). Dengan oksigen yang dilepas oleh tumbuhan purba bumi, menyebabkan udara atmosfer bumi kita semkain tebal. Nah, susunan gas atmosfer pada bumi kita ini terdiri dari gas Nitrogen (N2) sebanyak 78%, Oksigen (O2) 21%, dan gas gas lainnya (Ar, CO2, Ne, CH4, He, H2) hanya sekitar 1% saja.


Nitrogen diatmosfer bumi jauh lebih banyak dari Oksigen, tapi ingat kita tidak boleh melupakan jumlah relatif antara Oksigen dan Nitrogen yang ada diseluruh bumi. Kenyataanya, jumlah relatif Oksigen di seluruh bumi jauh lebih melimpah dibanding Nitrogen. Oksigen merupakan komponen utama pada bumi padat, bersama dengan Si, Mg, Ca, Na. Sedang Nitrogen sendiri tidak stabil untuk menjadi bagian dari kisi kristal sehingga ia tidak dimasukkan dalam bumi padar, dan karena alasan inilah Nitrogen diperkaya dan diperbanyak diatmosfer bumi (karena fungsi Nitrogen juga tak kalah vital dari Oksigen untuk menunjang kehidupan yakni sebagai unsur dari pembuatan asam amino sebagai arsitekstur dasar dari protein). Nah, Nitrogen memang tak stabil untuk menjadi bagian dari kisi kristal, tapi ia sangat stabil ketika berada di atmosfer bumi tidak seperti Oksigen yang tak stabil dan kebanyakan terlibat dalam proses berbagai reaksi kimia disana. Nitrogen juga sangat stabil dengan radiasi sinar matahari. Oksigen sangat reaktif dibanding Nitrogen yang bersifat inrt (stabil). Keberadaan O2 pada dasarnya juga tak alami. Di planet planet lainnya O2 sendiri hanya bisa terbentuk melalui proses yang berenergi tinggi, karena itulah dengan prosentasi 21% diatmosfer bumi kita ini merupakan angka yang sangat besar karena dibelahan planet lain kadar O2 sangatlah kecil.

             Nah, lalu Oksigen sendiri hanya menempati posisi 21% diatmosfer bumi, bagaimanakah ia dapat mendukung kehidupan fungsionalnya di bumi ? Apakah tidak lebih baik saja Tuhan menciptakan kadar Oksigen yang sangat banyak dan stabil untuk bisa mendukung kehidupan ? O2 merupakan molekul vital yang mana diperlukan untuk proses respirasi (pernafasan). Dengan proses respirasi inilah, maka metabolism dalam tubuh akan dapat berjalan dengan sangat baik. Sedang metabolism merupakan reaksi kimia dalam tubuh yang menyokong kehidupan kita. Tanpa oksigen maka percuma saja semua makhluk hidup takkan bisa memperoleh energy untuk bisa bertahan hidup. Tuhan Maha Esa dan Tidak ada Keraguan Untuk-NYA, karena angka 21% adalah angka yang tepat sekali untuk kehidupan. Dalam buku NATURE’S DESTINY How The Laws Of Biology Reveal Purpose In The Universe karya Michel J. Denton,  kadar Oksigen 21% merupakan angka yanga aman untuk kehidupan dan jika kadar oksigen naik 1% saja, maka kemungkinan akan terjadi resiko kebakaran sebanyak 70%. Fantastis, bukan ? Oksigen juga dihasilkan dari daur yang sangat sempurna, dimana tumbuhan memakai CO2 (bekas buangan dari makhluk hidup lain) dan kemudian menggunakannya untuk fotosintesis dan dari proses fotosintesislah, O2 kembali dibentuk dan dilepas sebagian digunakan oleh tumbuhan untuk respirasi juga), O2 yang dilepas dipakai lagi untuk makhluk hidup lain berrespirasi. Tanpa kerjasama yang sempurna ini, maka planet Bumi kita akan mati. Jadi,kegiatan (siklus) inilah yang menyumbanga ndil yang besar dalam mengatur kadar 21% ini. Marilah kita berterimakasih pada Tuhan Semesta Alam yang mengatur ini semua.



Studi Banding mahasiswa kimia Universitas Jember

kimia1Kamis, 15 januari kemaren, kami mendapatkan kunjungan dari Mahasiswa Kimia FMIPA Unej untuk melakukan studi banding mengenai pemantauan kualitas air.

Rombongan mahasiswa yang ditemani 3 orang dosen tersebut sangat antusias mengikuti acara. Acara berlangsung sukses, santai dan hangat.

Di akhir acara, jurusan Kimia FMIPA Unej mengundang kami untuk memberikan kuliah tamu. Kami tunggu undangan tersebut. Mudah-mudahan akan muncul bentuk-bentuk kerja sama selanjutnya