OPTICAL CHARACTERIZATION AND ATTENUATION PARAMETERIZATION OF Bi2O3-ZnO-B2O3-RHA (RICE HUSK ASH) GLASS SYSTEM

ABSTRACT

The high amount of Silica, SiO2 content was successful prepared by Rice Husk Ash (RHA) at 550⁰C for 6 hours with percentage of 99.36%. The quaternary glass was prepared by 30SiO2: 20B2O3: xZnO : (50-x) Bi2O3 ; x= 5%, 10%, 20%, 30% and 40% mole using melt quenching technique. The mole percentage of Bi2O3 diluted the colour of glass samples from light brown to the light yellow. It was due to the increased in ZnO content that eliminate the colour of glass samples. The density and molar volume of glass samples increased as the mole percentages of Bi2O3 increased from 4.45 g cm-3 to 6.60 g cm-3. The molar volume efficiently increased from 24.95cm to 37.21cm. The increment in density and molar volume due to the atomic number of Bi3+ was larger compared to the Si2+, B3+ and Zn in the glass samples. The oxygen packing density decreased as mole percentages of Bi2O3 increased from 240.44 g-atom/l to 161.24 g-atom/l. The decreasing in oxygen packing density is due to the high non-bridging oxygen in the glass samples. The transition glass temperature (Tg) was measured by using Differential Scanning Colimetry (DSC) at heating rate 10ºC. The Tg was decreased as mole percentages of Bi2O3 increased. The decrease in Tg due to content of ZnO in the glass samples. ZnO acts as a modifier in glass samples that can stabilize the glass samples. The Urbach energy was calculated by slope of graph ln α versus ħω. The Urbach energy of glass samples was decreased as mole percentages of Bi2O3 increased. The decreasing in the Urbach energy was from 6.21eV to 3.50eV. Besides that, the optical energy of glass samples also calculated by extrapolation of graph (αħω) 1/2 versus ħω. The indirect energy also decreased as mole percentages of Bi2O3 increased. The decreasing in the indirect was from 3.15eV to 2.51eV. The decreasing in the Urbach energy and optical energy were due to the increasing the non-bridging oxygen bonding in the glass samples. The attenuation parameterization was measured by using Am-241 as source for gamma ray interactions at energy 59.54 keV. The mass attenuation coefficient was increased from 0.53cm2g-1 to 5.12cm2g-1 as mole percentages of Bi2O3 increased. But, the half value layer (HVL) was decreased from 0.301cm to 0.021cm. This is due to the increasing in photoelectric absorption effect and decreasing in the Compton scattering due to high atomic number of Bi3+ in the glass samples. The refractive index of glass samples is not stable as increasing in the Bi2O3. The X-ray Diffraction (XRD) result showed that the glass samples in amorphous states. So, the structure in the glass was not stable due to the amorphous properties. The refractive index of glass samples decreased at 1.97 to 1.73. As a conclusion, the quaternary glass of 30SiO2: 20B2O3: xZnO : (50-x) Bi2O3 ; x= 5,10,20,30,and 40 was suitable to make a glass shielding material for x-ray.

ABSTRAK

Objektif utama kajian ini adalah untuk menyiasat kesan pelbagai parameter pirolisis seperti suhu, kadar pemanasan, masa kediaman dan kandungan abu bahan suapan terhadap hasil bioarang dan ciri-cirinya. Bioarang telah dihasilkan dengan menggunakan bahan suapan batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu melalui proses pirolisis perlahan berskala makmal. Ciri-ciri bioarang ditentukan dengan menggunakan analisis proksimat, analisis unsur, analisis Mikroskop Imbasan Elektron (SEM) dan analisis luas permukaan Brunauer, Emmett dan Teller (BET). Sebelum kajian, ciri-ciri bahan suapan telah ditentukan dan didapati bahawa kedua-dua batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu mengandungi peratusan bahan meruap dan nilai kalori yang agak tinggi. Ini menunjukkan bahawa kedua-dua bahan suapan adalah sesuai untuk melalui proses termokimia seperti pirolisis perlahan. Kedua-dua bahan suapan juga didapati menjadi bahan suapan mesra alam kerana ia mengandungi kandungan nitrogen dan sulfur yang rendah. Kandungan lignin dan selulosa yang tinggi dalam kedua-dua batang ubi kayu dan rhizome ubi kayu menunjukkan bahawa bahan suapan ini adalah sesuai bagi penghasilan bioarang. Peningkatan suhu pirolisis mengurangkan hasil bioarang batang ubi kayu (TSB) dan bioarang rhizome ubi kayu (TRB). Apabila suhu meningkat dari 400 °C hingga 650 °C, hasil TSB berkurangan dari 35.86 mf wt. % kepada 25.79 mf wt. % manakala hasil TRB menurun dari 36.98 mf wt. % kepada 28.82 mf wt. %. Bioarang yang dihasilkan pada suhu yang lebih tinggi meningkatkan kandungan karbon tetapnya. Apabila suhu pirolisis meningkat dari 400 °C hingga 650 °C, kandungan karbon tetap TSB yang dihasilkan meningkat dari 78.39 mf wt. % kepada 87.88 mf wt. % manakala kandungan karbon tetap TRB meningkat dari 79.20 mf wt. % kepada 84.46 mf wt. %. Peningkatan suhu dari 400 °C hingga 600 °C meningkatkan luas permukaan TSB dari 0.83 m2/g hingga 36.12 m2/g dan luas permukaan TRB juga meningkat dari 0.24 m2/g kepada 12.29 m2/g. Parameter kadar pemanasan tidak memberi kesan yang ketara ke atas hasil bioarang dan komposisinya. Walau bagaimanapun, kadar pemanasan yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak liang-liang pada permukaan TSB dan TRB sekaligus meningkatkan luas permukaannya. TSB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 25 °C/min mempunyai luas permukaan 10.58 m2/g iaitu 12 kali lebih besar daripada luas permukaan TSB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 5 °C/min. Luas permukaan TRB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 25 °C/min didapati adalah 10.98 m2/g iaitu 45 kali lebih besar daripada luas permukaan TRB yang dihasilkan pada kadar pemanasan 5 °C/min. Hasil TSB dan TRB menurun apabila masa kediaman pirolisis meningkat. Apabila masa kediaman dilanjutkan dari 1.0 jam kepada 3.5 jam, hasil TSB berkurang dari 35.86 mf wt. % kepada 33.27 mf wt. % manakala hasil TRB juga menurun dari 36.98 mf wt. % kepada 32.23 mf wt. %. Peningkatan masa kediaman dari 1.0 jam kepada 3.5 jam meningkatkan kandungan karbon tetap TSB dari 78.39 mf wt. % kepada 81.88 mf wt. % dan meningkatkan kandungan karbon tetap TRB dari 79.20 mf wt. % kepada 83.29 mf wt. %. Kesan masa kediaman terhadap morfologi permukaan bioarang adalah lebih ketara pada TRB berbanding TSB. Peningkatan masa kediaman dari 1.0 jam kepada 3.0 jam meningkatkan kawasan permukaan TSB dan TRB masing-masing sebanyak 5 kali dan 29 kali ganda. Pra-rawatan basuhan air mengurangkan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu dari 7.28 mf wt. % kepada 2.24 mf wt. %. Kesan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu adalah tidak jelas pada ciri-ciri bioarang yang dihasilkan, tetapi bahan suapan dengan kandungan abu yang rendah telah didapati menurunkan hasil bioarang. Pengurangan kandungan abu bahan suapan rhizome ubi kayu dari 7.28 mf wt. % kepada 2.24 mf wt. % menurunkan hasil bioarang dari 36.98 mf wt. % kepada 31.83 mf wt. %.