Suatu material cerdas adalah
material yang mempunyai fungsi signifikan secara kimia terhadap katalis,
sensor, absorpsi, dll. Material tersebut bisa dimodifikasi dengan material
lainnya yang mempunyai gugus fungsi yang khas untuk menjalankan fungsinya secara
sensitive dan selektif. Dalam beberapa
perspektif, material cerdas merupakan jawaban atas masalah-masalah kontemporer.
Akibat keterbatasan sumber daya (resources), material cerdas dapat meningkatkan
keberlanjutan (sustainability) dari suatu barang melalui perbaikan efisiensi
kinerja dan performanya.
Zeolit
sebagai suatu bahan yang mampu menempatkan dirinya sebagai absorben,
pengkatalisis, dehidrasi (melepaskan molekul O2), dan penukar ion
telah membuat studi tentang zeolit sebagai salah satu meterial cerdas dan mampu
di aplikasikan pada berbagai bidang.
Telah bertahun-tahun zeolit
digunakan sebagai penukar kation (cation exchangers), pelunak air (water
softening), penyaring molekul (molecular sieves) serta sebagai bahan
pengering (drying agents). Selain itu zeolit juga telah digunakan
sebagai katalis atau pengemban katalis pada berbagai reaksi kimia.
I.2
Batasan Masalah
Penulisan
makalah ini dibatasi pada,
1. Mengapa
zeolit disebut sebagai material
fungsional?
2. Bagaimana
cara mensintesis zeolit?
3. Apa
saja intrumentasi pendukung karakterisasi zeolit?
4. Apa
saja bidang aplikasi zeolit?
5. Bagaimana
zeolit diregenerasi?
6. Bagaimana
mekanisme pengolahan zeolit?
I.3
Tujuan Penulisan
Tujuan
penulisan makalah ini antara lain,
1.
Sebagai syarat
mengikuti final tingkat provinsi OSN-Pertamina 2011
2.
Mengetahui mineral
zeolit sebagai suatu material funsional
3.
Mengetahui cara-cara
mensintesis zeolit
4.
Mengetahui macam-macam
karakterisasi zeolit
5.
Mengetahui aplikasi
zeolit pada berbagai bidang kehidupan
6.
Mengetahui proses
regenerasi zeolit
7.
Memahami mekanisme
pengolahan zeolit
BAB II
PEMBAHASAN
II.1 Zeolit sebagai material fungsional
Zeolit (Zeinlithos)
atau berarti juga batuan mendidih, Zeolit umumnya didefinisikan sebagai kristal
alumina silika yang berstruktur tiga dimensi, yang terbentuk dari tetrahedral
alumina dan silika dengan rongga-rongga di dalam yang berisi ion-ion logam,
biasanya alkali atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas.
Zeolit mengandung pori-pori dan
rongga-rongga berskala molekular dengan rentang ukuran dari 3 Å sampai 15 Å.
Contohnya zeolit A merupakan zeolit sintetik mempunyai ukuran rongga dengan
diameter 11,4 Å. Faujasite dan modernite yang mempunyai ukuran pori dengan
diameter masing-masing 7,4 Å dan 6,7Å.
Zeolit tersusun dari
kerangka aluminosilikat berstruktur tetrahedral TO4. T adalah Si
atau Al. Penggabungan satuan tetrahedron satu dengan lainnya terjadi karena ada
pemakaian bersama satu atom oksigen oleh dua tetrahedral. Karena ada
penggabungan [SiO4] dan [AlO4] sehingga bermuatan
bermuatan negatif, maka zeolit alam dan zeolit sintetik memerlukan kation
sebagai pusat penyeimbang muatan untuk menjaga kenetralan muatan zeolit. Kation
yang biasanya digunakan adalah logam alkali (Na+, K+)dan/atau
alkali tanah (Ca2+, Ba2+) (Smart, 1993). Secara empiris,
rumus molekul zeolit adalah Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O.
Dimana M adalah kation bervalensi n(AlO2)x(SiO2)y
adalah kerangka zeolit yang bermuatan negative dan H2O adalah
molekul air yang terhidrat dalam kerangka zeolit.
Struktur zeolit sejauh
ini diketahui bermacam-macam, tetapi secara garis besar strukturnya terbentuk
dari unit bangun primer, berupa tetrahedral yang kemudian menjadi unit bangun
sekunder polihedral dan membentuk polihendra dan akhirnya unit struktur
zeolit. Zeolit pada dasarnya memiliki
tiga variasi struktur yang berbeda yaitu:
a. Struktur
seperti rantai (chain-like structure), dengan bentuk kristal acicular dan
prismatic, contoh: natrolit
b. Struktur
seperti lembaran (sheet-like structure), dengan bentuk kristal platy atau
tabular biasanya dengan basal cleavage baik, contoh: heulandit,
c.
Struktur rangka, dimana
kristal yang ada memiliki dimensi yang hampir sama, contoh: kabasit
Zeolit mempunyai
kerangka terbuka, sehingga memungkinkan untuk melakukan adsorpsi Ca bertukar
dengan 2(Na,K) atau CaAl dengan (Na,K)Si. Morfologi dan struktur kristal yang
terdiri dari rongga-rongga yang berhubungan ke segala arah menyebabkan
permukaan zeolit menjadi luas. Morfologi ini terbentuk dari unit dasar
pembangunan dasar primer yang membentuk unit dasar pembangunan sekunder dan
begitu seterusnya.
Berikut adalah beberapa contoh jenis mineral zeolit beserta
rumus kimianya:
Nama Mineral
|
Rumus
Kimia Unit Sel
|
Analsim
|
Na16(Al16Si32O96).
16H2O
|
Kabasit
|
(Na2,Ca)6
(Al12Si24O72). 40H2O
|
Klipnoptolotit
|
(Na4K4)(Al8Si40O96).
24H2O
|
Erionit
|
(Na,Ca5K)
(Al9Si27O72). 27H2O
|
Ferrierit
|
(Na2Mg2)(Al6Si30O72).
18H2O
|
Heulandit
|
Ca4(Al8Si28O72).
24H2O
|
Laumonit
|
Ca(Al8Si16O48).
16H2O
|
Mordenit
|
Na8(Al8Si40O96).
24H2O
|
Filipsit
|
(Na,K)10(Al10Si22O64).
20H2O
|
Natrolit
|
Na4(Al4Si6O20).
4H2O
|
Wairakit
|
Ca(Al2Si4O12).
12H2O
|
Zeolit dalam
keadaan murni tidak berwarna, kristal beberapa mineral zeolit sangat transparan
sehingga sulit melihatnya dalam batuan. Sejumlah pengotor menyebabkan zeolit
berwarna. Warna tersebut akan bervariasi tergantung pada banyaknya kejadian
yang terjadi pada proses pembentukannya (Breck, 1974: 308).
Zeolit dapat
dimanfaatkan sebagai penyaring molekuler, penukar ion, penyerap bahan dan
katalisator dengan sifat-sifat meliputi
1. Sifat
dehidrasi
(melepaskan molekul H20)
Apabila dipanaskan. Pada umumnya
struktur kerangka zeolit akan menyusut. Tetapi kerangka dasarnya tidak
mengalami perubahan secara nyata.. Kristal zeolit normal mengandung molekul air
yang berkoordinasi dengan kation penyeimbang.
Pada keadaan ini kation akan berpindah posisi, sering kali menuju tempat
dengan bilangan koordinasi lebih rendah. Zeolit terdehidrasi merupakan bahan
pengering (drying agents) yang sangat baik. Penyerapan air akan membuat
kation kembali menuju keadaan koordinasi tinggi. Disini molekul H2O
seolah-olah mempunyai posisi yang spesifik dan dapat dikeluarkan secara
reversibel
2.
Zeolit sebagai adsorben dan penyaring molekul
Adsorpsi terjadi pada permukaan pori membran. Partikel zeolit memiliki tiga
tipe pori, yaitu macropore dan micropore (masing-masing dengan
ukuran >50nm dan <2nm). Di antara keduanya terdapat mesopore. Macropore
merupakan jalan masuk ke dalam partikel menuju micropore. Macropore
tidak berkontribusi terhadap besarnya luas permukaan membran zeolit.
Sebaliknya, micropore adalah penyebab besarnya luas permukaan membran
zeolit. Micropore tersebut sebagian besar terbentuk selama proses
aktifasi. Pada micropore inilah sebagian besar peristiwa adsorpsi
terjadi.
Proses adsorpsi terjadi
melalui tiga tahap, yaitu:
1. Macro transport:
pergerakan material organik melalui sistem macropore membran zeolit.
2. Micro transport: pergerakan material organik
melalui sistem mesopore dan micropore dari membran zeolit.
3. Sorption:
melekatnya material organik pada permukaan membran zeolit, yaitu di permukaan macropore,
mesopore dan micropore.
Ini karena struktur zeolit yang
berongga, sehingga zeolit mampu menyerap sejumlah besar molekul yang berukuran
lebih kecil atau sesuai dengan ukuran rongganya. Selain itu kristal zeolit yang
telah terdehidrasi merupakan adsorben yang selektif dan mempunyai efektivitas
adsorpsi yang tinggi. Zeolit yang terdehidrasi akan mempunyai struktur pori
terbuka dengan internal surface area besar sehingga kemampuan mengadsorb
molekul selain air semakin tinggi. Ukuran cincin dari jendela yang menuju
rongga menentukan ukuran molekul yang dapat teradsorb. Sifat ini yang
menjadikan zeolit mempunyai kemampuan penyaringan yang sangat spesifik yang
dapat digunakan untuk pemurnian dan pemisahan. Chabazite (CHA) merupakan zeolit
pertama yang diketahui dapat mengadsorb dan menahan molekul kecil seperti asam
formiat dan metanol tetapi tidak dapat menyerap benzena dan molekul yang lebih
besar. Selain itu zeolit juga dapat digunakan sebagai adsorben zat warna brom
dan untuk pemucatan minyak sawit mentah.
Zeolit
yang digunakan sebagai penyaring molekular tidak menunjukkan perubahan cukup
besar pada struktur kerangka dasar pada dehidrasi walaupun kation berpindah
menuju posisi dengan koordinasi lebih rendah. Setelah dehidrasi, zeolit-A dan
zeolit lainnya sangat stabil terhadap pemanasan dan tidak terdekomposisi
dibawah 7000C. Volume rongga pada zeolit-A terdehidrasi adalah
sekitar 50% dari volume zeolit.
3. Zeolit
sebagai
katalis
Berkaitan dengan tersedianya
pusat-pusat aktif dalam saluran antar zeolit. Pusat-pusat aktif tersebut
terbentuk karena adanya gugus fungsi asam tipe Bronsted maupun Lewis.
Perbandingan kedua jenis asam ini tergantung pada proses aktivasi zeolit dan
kondisi reaksi. Pusat-pusat aktif yang bersifat asam ini selanjutnya dapat
mengikat molekul-molekul basa secara kimiawi. Tidak semua katalis zeolit
menggunakan prinsip deionisasi atau bentuk asam. Sifat katalisis juga dapat
diperoleh dengan mengganti ion Na+ dengan ion lantanida seperti La3+
atau Ce3+. Ion-ion ini kemudian memposisikan dirinya sehingga dapat
mencapai kondisi paling baik yang dapat menetralkan muatan negatif yang
terpisah dari tetrahedral Al pada kerangka. Pemisahan muatan menghasilkan
gradien medan elektrostatik yang tinggi di dalam rongga yang cukup besar untuk
mempolarisasi ikatan C-H atau mengionisasi ikatan tersebut sehingga reaksi
selanjutnya dapat terjadi. Efek ini dapat diperkuat dengan mereduksi Al pada
zeolit sehingga unit [AlO4] terpisah lebih jauh. Tanah jarang
sebagai bentuk tersubtitusi dari zeolit-X menjadi katalis zeolit komersial
pertama untuk proses cracking petroleum pada tahun 1960an. Akan tetapi
katalis ini telah digantikan oleh Zeolit-Y yang lebih stabil pada suhu tinggi.
Katalis ini menghasilkan 20% lebih banyak petrol (gasolin) daripada zeolit-X.
Cara
ketiga penggunaan zeolit sebagai katalis adalah
dengan menggantikan ion Na+ dengan ion logam lain seperti Ni2+,
Pd2+ atau Pt2+ dan kemudian mereduksinya secara in
situ sehingga atom logam terdeposit di dalam kerangka zeolit. Material yang
dihasilkan menunjukkan sifat gabungan antara sifat katalisis logam dengan
pendukung katalis logam (zeolit) dan penyebaran logam ke dalam pori dapat
dicapai dengan baik.
Teknik
lain untuk preparasi katalis dengan pengemban zeolit
melibatkan adsorsi fisika dari senyawa anorganik volatil diikuti dengan
dekomposisi termal. Ni(CO)4 dapat teradsorb pada zeolit-X dan dengan
pemanasan hati-hati akan terdekomposisi meninggalkan atom nikel pada rongga.
Katalis ini merupakan katalis yang baik untuk konversi karbon monoksida menjadi
metana.
Zeolit mempunyai tiga tipe katalis
selektif bentuk
1. Katalis selektif reaktan
Dimana hanya molekul (reaktan) dengan ukuran tertentu yang
dapat masuk ke dalam pori dan akan bereksi di dalam pori
2. Katalis selektif produk
Hanya produk yang berukuran tertentu yang dapat meninggalkan
situs aktif dan berdifusi melewati saluran (channel) dan keluar sebagai
produk
3. Katalis selektif keadaan transisi
Reaksi yang terjadi melibatkan keadaan transisi dengan
dimensi yang terbatasi oleh ukuran pori.
4. Zeolit sebagai penukar ion
Ini disebabkan
karena adanya kation logam alkali dan alkali tanah. Kation tersebut dapat
bergerak bebas didalam rongga dan dapat dipertukarkan dengan kation logam lain
dengan jumlah yang sama. Akibat struktur zeolit berongga, anion atau molekul
berukuran lebih kecil atau sama dengan rongga dapat masuk dan terjebak. Beberapa zeolit mempunyai affinitas besar
terhadap kation tertentu.
Seperti
halnya mineral kwarsa dan felspar, maka mineral zeolit mempunyai struktur
kristal 3 dimensi tetrahedra silikat (Si4-4-) yang biasa disebut
tectosilicate. Dalam struktur ini sebagian silikon (tidak bermuatan atau
netral) kadang-kadang diganti oleh aluminium bermuatan listrik, sehingga muatan
listrik kristal zeolit tersebut bertambah. Kelebihan muatan ini biasanya
diimbangi oleh kation-kation logam K, Na, dan Ca yang menduduki tempat tersebar
dalam struktur zeolit alam yang bersangkutan.
Dalam susunan kristal zeolit terdapat dua jenis molekul air, yaitu molekul air yang terikat kuat dan
molekul air yang bebas. Berbeda dengan struktur kisi kristal kwarsa yang kuat
dan pejal, maka struktur kisi kristal zeolit terbuka dan mudah terlepas. Volume
ruang hampa dalam struktur zeolit cukup besar kadang-kadang mencapai 50
Angstrom, sedangkan garis tengah ruang hampa tersebut bermacam-macam, berkisar
antara 2A hingga lebih dari 8A, tergantung dari jenis mineral zeolit yang bersangkutan. Dibawah ini struktur stereotip
clinoptilolite yang menjadi precursor dalam penelitian ini.
Volume
dan ukuran garis tengah ruang hampa dalam kisi-kisi kristal inilah yang menjadi
dasar penggunaan mineral zeolit sebagai bahan penyaring (molecular sieving).
Molekul zat yang disaring yang ukurannya lebih kecil dari ukuran garis tengah
ruang hampa mineral zeolit dapat melintas, sedangkan yang berukuran lebih besar
akan tertahan atau ditolak. Kapasitas atau daya saring mineral zeolit
tergantung dari volume dan jumlah ruang hampanya. Makin besar jumlah ruang
hampa, maka makin besar pula daya saring zeolit alam yang bersangkutan.
Struktur Bangun Zeolit
Bentuk dari kerangka zeolit digambarkan sebagai “ Secondary Building Unit” (SBU),
sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 1. Dalam SBU ini keberadaan Si atau Al
pada masing-masing sudut ditunjukkan dalam bentuk lingkaran, sedangkan atom
oksigen yang berada dekat titik tengah garis tidak diperlihatkan (Hamdan, 1992:
5).
Gambar 1. Secondary Building Unit (SBU) dalam Kerangka Zeolit
(Breck, 1974: 46).
Unit sodalit (β
cage) terdiri dari cincin 6 atau
cincin 4 yang bergabung bersama membentuk kuboktahedron ( oktahedra terpancung)
dan diilustrasikan dalam Gambar 2.
 |
Gambar
2. Beberapa Struktur Zeolit. (a) Sodalit; (b) Zeolit A;
(c)
Zeolit Faujasit (Hamdan, 1992).
 |
Gambar 3.
Struktur Zeolit Y (Hamdan, 1992).
Dua tipe yang lebih umum dari zeolit P adalah zeolit
B atau Pc dengan sistem kristal kubik dan zeolit Pt dengan sistem kristal
tetragonal, sistem SBU adalah S4R (Gambar 4). Tidak ada perbedaan yang mendasar
dalam struktur P kubik dan P tetragonal (Breck, 1974: 72).
Gambar 4. Struktur Zeolit P
Gambar
5. Struktur Chabazite (Dyer, 1988: 1).
Struktur dari zeolit ZK-14 (Chabazite) berisi
lembaran-lembaran cincin ganda beranggota 6 (D6R) dari tetrahedra yang
dihubungkan oleh atom oksigen memberikan susunan kubik (Breck, 1974: 107).
Struktur Chabazite dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 6. Struktur Ferrierite (Kaszkur, Jones, Bell, and Catlow; 1996: 2)
Zeolit Ferririte-Na, syn memiliki sistem kristal
kubik. Nama lain zeolit ini adalah Upsilon. Namun ada juga zeolit Ferrierite
yang memiliki sistem kristal ortorombik, seperti terlihat pada Gambar 6
II.2 Sintesis
Zeolit
Zeolit merupakan suatu bahan kekayaan alam yang sangat
bermanfaat bagi industry. Zeolit ada dua macam, yaitu zeolit alam dan sintetik.
Zeolit alam sudah banyak dimanfaatkan sehingga ketersediaaannya. Untuk itu
diperlukan zeolit sintetik yang mempunyai kemurnian tinggi dan berkualitas
baik. Bahan baku pembuatan zeolit ialah bahan-bahan yang mengandung silica dan
aluminium. semakin berkurang. Zeolit
sintetis adalah suatu senyawa kimia yang mempunyai sifat fisik dan kimia yang
sama dengan zeolit alam. Zeolit ini dibuat dari bahan lain dengan proses
sintetis. Karena secara umum zeolit mampu menyerap, menukar ion dan menjadi
katalis, membuat zeolit sintetis ini dapat dikembangkan untuk keperluan
alternatif pengolah limbah. Zeolit secara umum dibedakan dalam tipe yang calcic
dan alkali arich, dengan komposisi yang berbeda.
Selain jenis
zeolit alam, ada zeolit jenis lain yaitu zeolit sintetis. Zeolit sintetis
dibuat dengan rekayasa yang sedemikian rupa sehingga mendapatkan karakter yang
sama dengan zeolit alam. Zeolit sintetis sangat bergantung pada jumlah Al dan
Si, sehingga ada 3 kelompok zeolit sintetis:
(1)
Zeolit sintetis dengan kadar Si rendah Zeolit jenis ini banyak mengandung
Al, berpori, mempunyai nilai ekonomi
tinggi karena efektif untuk pemisahan dengan kapasitas besar. Volume porinya
dapat mencapai 0,5 cm3 tiap cm3 volume zeolit.
(2)
Zeolit sintetis dengan kadar Si sedang Jenis zeolit modernit mempunyai
perbandingan Si/Al = 5 sangat stabil, maka diusahakan membuat zeolit Y dengan
perbandingan Si/Al = 1-3. Contoh zeolit sintetis jenis ini adalah zeolit omega
(3)
Zeolit sintetis dengan kadar Si tinggi Zeolit jenis ini sangat higroskopis dan
menyerap molekul non polar sehingga baik untuk digunakan sebagai katalisator
asam untuk hidrokarbon. Zeolit jenis ini misalnya zeolit ZSM-5, ZSM-11, ZSM-21,
ZSM-24.
(4) Zeolit Si, Zeolit ini memiliki kerangka tanpa A1 sama sekali atau tidak mempunyai sisi
kation sama sekali. Zeolit ini memiliki sifat sangat hidrofilik–hidrofobik
sehingga dapat mengeluarkan atau memisahkan suatu molekul organik dari suatu
campuran air. Contoh: zeolit silikat (Sutarti dan
Rahmawati, 1994: 13).
Zeolit dapat disintesis dengan cara hidrotermal dan kebanyakan diproduksi dibawah
kondisi tidak seimbang, oleh karena itu zeolit yang dihasilkan merupakan bahan metastabil (mudah berubah).
Tahap pertama dalam pembuatan zeolit adalah reaksi bahan dasar seperti : gel
atau zat padat amorf, hidroksida alkali metal dengan pH tinggi dan basa kuat.
Kondisi operasi pada suhu hidrotermal rendah, dan arus reaktan yang berlawanan.
Dalam melakukan sintesis zeolit ada beberapa hal yang harus diperhatikan,
diantaranya yaitu:
1)
Sistem sintesis
Dalam sintesis
zeolit, sistem sintesis meliputi tiga unsur pokok, yaitu :
a.
Sumber
unsur T ( dengan T : Si dan Al)
Sumber unsur T meliputi sumber unsur Si dan Al. Sumber
unsur Si yang biasa digunakan yaitu silika amorf, sodium silikat, glass silika,
dan sol-sol silika dari berbagai konsentrasi. Sedangkan sumber unsur Al bisa
berupa alumunium hidroksida, sodium aluminat, dan sol-sol alumina dari berbagai
konsentrasi.
b.
Templat,
umumnya dalam fase cairan
Spesies templat anorganik dan organik antara lain:
Kerangka–kation pengganti muatan, contoh Na+, Ca2+,
alkilamonium; molekul, contoh H2O, amina dan alkohol; Pasangan
ion, contoh NaCl
c.
Mineraliser
Mineraliser yang lebih umum digunakan adalah OH
. OH
menaikkan
kelarutan silika dengan ionisasi group silanol dan memutuskan ikatan siloksan.
2)
Prosedur Preparasi Campuran Reaksi
Kondisi preparasi akan betul-betul mempengaruhi laju
disolusi gel, sumber dan konsentrasi spesies dalam fase cair oleh karena itu
diperoleh hasil sintesis. Kondisi ini meliputi
keadaan fisik reaktan dan homogenasi campuran.
3)
Temperatur Kristalisasi
Temperatur kristalisasi berkisar antara temperatur ruang sampai sekitar 3000C.
Sebagian besar zeolit diperoleh pada temperatur yang lebih rendah terutama jika
air sebagai templat.
4)
Waktu Pemanasan
Waktu kristalisasi berkisar dari beberapa menit sampai
beberapa bulan ( Weitkamp and
Puppe, 1999: 17-27).
5)
Proses
sintesis
Beberapa proses untuk menghasilkan zeolit yang mempunyai
nilai ekonomi dapat
dibagi menjadi 3 kelompok di
bawah ini
a)
Proses Hidrogel
Bahan dasar awal
terdiri dari larutan Na silikat, Na aluminat, dan Na hidroksida. Karena sifat zeolit yang dihasilkan sangat tidak
stabil maka akan muncul kesulitan bila diperlukan produksi dengan kapasitas
besar.
Gel dikristalkan
dalam sistem hidrotermal tertutup pada suhu yang bervariasi antara suhu kamar
sampai 200
C. Waktu yang diperlukan untuk kristalisasi adalah
antara beberapa jam sampai beberapa hari. Bahan lain yang diperlukan adalah
metal alkali dari hidroksida yang larut, aluminat, dan silikat.
Biasanya suhu
kristalisasi yang dipakai mendekati titik didih air, tetapi untuk hal–hal
tertentu seperti pembuatan zeolit jenis mordenit, diperlukan suhu kristalisasi
yang tinggi. Larutan yang mengandung kristal disaring memakai penyaring putar
bentuk drum, untuk memisahkan kristal zeolit dari larutannya.
b)
Konversi dari Mineral
Kapur
Bahan dasar awal untuk proses ini adalah kaolin,
yang bisanya harus didehidroksiliasi menjadi meta-kaolin dengan jalan
kalsinasi. Pada suhu antara
5000C–6000C terbentuk meta-kaolin diikuti terbentuknya
mulit pada suhu 10000C–10500C.
c)
Bahan
Dasar yang ada di Alam
Bahan yang ada di
alam antara lain kerak geotermal, abu terbang dan limbah cair dari
industri alumunium. Abu terbang hasil pembakaran pada pembangkit listrik tenaga
uap rata-rata mengandung 50 % berat SiO2 dan 31 % berat A12O3
dapat direaksikan dengan beberapa pereaksi kimia. Abu terbang yang direaksikan
dengan campuran NaOH dan KOH akan terbentuk zeolit pada suhu antara 50oC–150oC,
bila direaksikan dengan NaOH atau KOH saja akan terbentuk zeolit pada suhu 50
oC dan antara 75oC–150oC .
Proses yang
menggunakan 50 gr abu terbang dan 500 ml larutan NaOH 3N telah
dipatenkan Jepang. Campuran dipanaskan pada suhu 90oC–100oC
selama 20 jam kemudian disaring dan kristal zeolit yang terbentuk ( zeolit P)
dikeringkan pada suhu 110oC selama 24 jam.
Sintesis dari bahan
berupa kerak geotermal pada kondisi basa hidrotermal dibawah tekanan uap jenuh,
pada temperatur sintesis 90oC selama 2 hari dan rasio Si/ A1 reaktan
antara 5–9 akan dihasilkan produk berupa zeolit Y (Sutarti dan Rahmawati, 1994:
15-19).
Dan berikut ini diberikan
contoh skema pembuatan zeolit-A
Tabel 1. Proses dan
Bahan Dasar Sintesis Zeolit .
Proses
|
Bahan Dasar
|
1. Hidrogel
2. Konversi
3. Lain
– lain
|
-
Oksida reaktif
-
Silikat yang larut
-
Aluminat yang dapat
larut
-
Soda api
-
Lempung / lempung
kasar
-
Meta kaolin
-
Kaolin yang telah
dikalsinasi
-
Lempung yang telah
diasamkan
-
Silikat yang dapat
larut
-
Soda api
-
Garam dapur
-
Silikat alam
-
Mineral amorf
-
Gelas vulkanik
-
Soda api
|
Kondisi umum yang digunakan
untuk sintesis, yaitu :
a)
Material
reaktan yang reaktif seperti gel yang baru mengendap atau padatan amorf.
b)
Adanya
pH yang tinggi dalam bentuk alkali hidroksida atau basa kuat yang lain.
c)
Temperatur
rendah dalam kondisi hidrotermal.
d)
Komponen
gel dengan derajat kecepatan tinggi yang berperan penting untuk nukleisasi
kristal dalam jumlah besar.
Preparasi gel dan
kristalisasi secara skematik dapat dapat
digambarkan menggunakan sistem Na2O-A12O2- H2O
sebagai berikut :
NaOH(aq) + NaAl(OH)4(aq)
+ Na2SiO3
T1
=25 0C
[ Naa(AlO2)b(SiO2).
NaOH. H2O]gel
T2=25-175
0C
Nax[(AlO2)x(SiO2)y].
mH2O + larutan
Kristal zeolit
(Breck, 1974:
249-250).
Pemeraman
merupakan suatu proses dimana gel yang telah dipersiapkan disimpan pada
temperatur dibawah temperatur kristalisasi selama beberapa waktu (Weitkamp and
Pupple, 1999: 26). Proses ini diperkirakan memegang peranan penting dalam
proses pembentukan zeolit. Pada proses ini terjadi pelarutan dari spesies Si
dan A1 sehingga siap untuk mengalami proses pembentukan zeolit
II.3 Karakterisasi Zeolit
Zeolit mempunyai struktur dan karakterisasi yang
berbeda-beda. Oleh sebab itu diperlukan karakterisasi zeolit., meliputi :
1) Difraksi
Sinar X
Difraksi sinar X
merupakan metode yang penting untuk karakterisasi zeolit, baik secara
kualitatif maupun kuantitatif. Metode ini memberikan informasi tentang
kemurnian ataupun perubahan parameter kisi dari suatu kristal ( Atkins, 1999).
Metode ini bersifat tidak merusak, yang berarti contoh tidak dapat dipengaruhi
oleh analisis dan masih dapat digunakan untuk analisis lain (Tan, 1991: 133).
Pola difraksi
merupakan plot intensitas sinar terdifraksi sebagai fungsi 2θ. Sebagai hukum
Bragg:
nλ = 2d sinθ
dimana θ merupakan sudut difraksi, d yaitu jarak antar
bidang, dan λ merupakan panjang gelombang sinar. Ketika sampel diuji, teknik
difraksi hanya memberikan tampilan data-data dari struktur. Perubahan panjang
kerangka mempengaruhi posisi puncak difraktogram. Misalnya penggantian ikatan
Al-O (1,69 A
) dengan ikatan yang lebih pendek Si-O (1,61 A
) menyebabkan unit-unit sel mengkerut. Hal ini akan
menurunkan jarak d dan menggeser puncak difraksi kearah 2θ yang lebih tinggi
(Hamdan, 1992: 32-33).
Setiap senyawa
kristalin memiliki pola difraksi sinar X yang dapat digunakan sebagai sidik
jari atau identifikasi. Dua variabel yang mempengaruhi pola difraksi adalah
jarak d dan intensitas. Pada prakteknya, dalam menggunakan pola difraksi untuk
tujuan identifikasi, utamanya memperhatikan jarak d dan kadang-kadang
kesesuaian intensitasnya (West, 1984: 50).
Analisis kualitatif
dan kuantitatif jenis mineral zeolit dengan menggunakan difraktogram standar
dari JCPDS (Join Committee on Powder
Diffraction Standarts) dalam bentuk JCPDS
Powder Diffraction File. Setiap senyawa dengan struktur kristal yang sama
akan menghasilkan difraktogram yang identik, oleh karena itu pola difraksi
dapat digunakan sebagai sidik jari suatu senyawa. Jadi dengan membandingkan
difraktogram suatu mineral yang tidak diketahui dengan difraktogram dalam Powder Diffraction File dapat ditentukan
mineral yang tidak diketahui tersebut (Nelson, 2003 : 6). Analisis kuantitatif
dari campuran memerlukan perbandingan intensitas puncak difraksi dengan
material lain, intensitas yang dinyatakan sebagai I/I
(Wong-ng et.al,
2001: 1020).
Dalam zeolit,
intensitas dari puncak pada sudut kecil tergantung pada kandungan air antar
kristal, sehingga intensitasnya akan menurun dengan adanya dehidrasi. Zeolit
murni dengan derajat kristalinitas tinggi akan menghasilkan puncak sempit yang
sangat jelas dengan garis dasar yang rendah dan datar (Atkins, 1999).
2) Spektroskopi
Infra Merah
Spektrofotometer
Infra Merah telah lama digunakan untuk menjawab permasalahan struktur Zeolit.
Spektrum Infra Merah tengah yang terletak pada daerah 300 – 1300 cm-1
merupakan alat yang sensitif untuk menunjukkan sifat struktur dari kerangka
zeolit ( Flanigen, 1971).
Frekuensi vibrasi
kerangka- kerangka tertentu pada daerah IR-tengah ( 300–1300 cm-1) menyediakan
informasi mengenai komposisi dan cara setiap tetrahedral SiO4 dan
A1O4 terikat satu sama lain. Informasi struktrual lain yang didapat
dari spektra IR ialah komposisi Si/A1 kerangka, perubahan struktural selama
dekomposisi termal serta pergerakan kation selama dehidrasi dan dehidroksilasi
( Flanigen, 1971).
Secara umum,
spektra daerah IR tengah untuk zeolit terdiri dari dua jenis vibrasi, yaitu:
a)
Vibrasi
internal dari tetrahedral SiO
dan AlO
atau unit pembangun primer dalam kerangka zeolit.
Vibrasi ini sensitif terhadap komposisi dan kerangka.
b)
Vibrasi
yang terkait pada ikatan-ikatan eksternal antar tetrahedral, sensitif terhadap
topologi kerangka.
Spektra IR daerah
tengah dari zeolit dibagi menjadi lima daerah utama, yang masing-masing terkait
pada jenis yang spesifik dari model vibrasi:
1)
Rentangan
Asimetrik (900 - 1250 cm-1).
Daerah ini berhubungan dengan rentangan
O-Si-O dan O-Al-O. Suatu rentangan asimetrik internal dari unit bangun primer
memberikan pita serapan kuat pada 1020 cm-1. Punuk yang lebar pada
1100 cm-1 disebabkan rentangan asimetrik eksternal yang disebabkan
ikatan antar tetrahedral.
2)
Rentangan
simetrik (680 - 850 cm-1).
Daerah
ini berhubungan dengan rentangan simetrik ikatan O-Si-O atau O-Al-O. Vibrasi
eksternal ada pada 700-780 cm-1. Pita ini sangat lemah. Mode
rentangan simetrik ini sensitif terhadap perubahan komposisi Si-Al kerangka
zeolit. Frekuensi akan bergeser ke arah yang lebih rendah dengan meningkatnya
jumlah atom tetrahedral alumunium.
3)
Cincin
ganda (580 - 610 cm-1).
Wilayah ini berkaitan dengan vibrasi eksternal dari
cincin ganda beranggota 4 atau 6 dalam struktur kerangka zeolit. Zeolit ysng
memiliki cincin ganda 4 atau cincin ganda 6 adalah zeolit X, Y, A, ZK-5, Ω, L
dan grup Chabazite. Sedangkan zeolit yang tidak memiliki cincin ganda adalah β
cage, zeolit W dan Zeolon.
4)
Tipe
tekukan Si-O atau Al-O (420 - 500 cm-1).
Wilayah ini tidak sensitif terhadap komposisi Si-Al.
5)
Penumbukan
pori (300 - 400 cm-1).
Pita ini berhubungan dengan pergerakan dari cincin
tetrahedra yang menyebabkan terjadinya pembukaan pori dalam zeolit. Ini akan
tampak jelas atau lebih jelas tergantung tipe struktur zeolit. Pita serapan
akan tampak jelas dalam struktur kubik dan menurun dengan menurunnya simetri.
Selain lima daerah
utama pada spektra IR daerah tengah, juga terdapat pita serapan dari gugus
hidroksil OH. Pita serapan dari ikatan hidrogen OH pada daerah 3400 cm-1,
tipe ikatan dari OH terisolasi ada pada daeah 3700 cm-1, dan vibrasi tekukan dari
molekul air pada daerah 1645 cm-1 (Breck, 1974: 425).
II.4 Penggunaan
Zeolit
Zeolit mempunyai sifat dehidrasi
(melepaskan molekul H20) apabila dipanaskan. Pada umumnya struktur
kerangka zeolit akan menyusut. Tetapi kerangka dasarnya tidak mengalami perubahan
secara nyata. Disini molekul H2O seolah-olah mempunyai posisi yang
spesifik dan dapat dikeluarkan secara reversibel. Sifat zeolit sebagai adsorben
dan penyaring molekul, dimungkinkan karena struktur zeolit yang berongga,
sehingga zeolit mampu menyerap sejumlah besar molekul yang berukuran lebih
kecil atau sesuai dengan ukuran rongganya. Selain itu kristal zeolit yang telah
terdehidrasi merupakan adsorben yang selektif dan mempunyai efektivitas
adsorpsi yang tinggi. Zeolit juga
bersifat sebagai padatan asam Bronsted melalui pengaturan perbandingan Si/Al
dalam kerangka kristal. Tetapi cara ini hanya diterapkan pada zeolit yang kaya
silika, karena tahan oleh asam.
Sifat-sifat tersebut menjadikan zeolit banyak digunakan dalam proses-proses
dasar seperti dalam proses adsorpsi, pertukaran kation, katalis yang selektif
dengan memanfaatkan pusat asam dan sebagai ayakan molekul
Penggunaan zeolit telah diterapkan secara luas pada berbagai
bidang, seperti;
1.
Bahan bangunan
fisik
Zeolit yang dibentuk sebagai
balok/blok dengan ukuran tertentu (tanpa diawali dengan pengolahan yang lebih
lanjut) dapat digunakan sebagai dinding rumah. Pekerjaan tambahan dalam bentuk
pemolesan akan memperjelas struktur dan tekstur sedimen sehingga lebih menarik.
2.
Bidang pertanian
Pemanfaatan tepung zeolit
(sebelum aktivasi) dari jenis klinoptiolit pada tanah pertanian dapat
meningkatkan pertumbuhan dan hasil tanaman. Hal ini dikarenakan kemampuan
zeolit terhadap kapasitas (retensi) amonium dan kalium. Biasanya pemberian zeolit di daerah tanah
kapur dantanah poldosik kuning. Zeolit disisni berpengaruh nyata pada
peningkatan kalsium (Ca), kalium (K), pH tanah, dan pengurangan aluminium (Al).
3.
Bidang perikanan
Zeolit dalam bentuk serbuk
(sebelum aktivasi) dipakai sebagai penyerap/pengontrol amonium yang biasa
dikeluarkan oleh ikan atau akibat pembusukan sisa makanan. Apabila tidak
dikontrol, amonium akan meracuni ikan, tetapi dengan penambahan zeolit pada
luasan ruang yang sama jumlah ikan yang dapat dipelihara lebih banyak.
4.
Bidang peternakan
Pada bidang ini, zeolit dapat
dimanfaatkan sebagai bahan penambah makanan ternak seperti unggas, domba, sapi,
dan binatng pemamah biak lainnya. Zeolit akan mempercepat kenaikan berat badan
ternak.
5.
Bidang lingkungan
Dalam bidang lingkungan, zeolit
dimanfaatkan untuk, bahan penghilang bau, sebagai penangkap ion Ca (dalam air),
penyerap gas N2 dan CO2, dan setelah diaktifkan dengan pemanasan dapat
dimanfaatkan sebai pengolahan limbah radioaktif (Sr) yakni digunakan sebagai bahan
penukar untuk menangkap atau mengisolasi logam besi dan mangan dalam air yang
sangat merugikan. Sementara itu, setelah di aktipasi dengan NaOH zeolit dapat
dimanfaatkan untuk menyerap NH4, NO4, dan COD. Dengan demikian sangat bagus
untuk pengolahan air buangan. Jika diaktifkan dengan NaOH dan H2SO4 dapat
digunakan untuk proses pengolahan air sungai guna mendapatkan air bersih.
6.
Bidang industri
Sebelum diaktipasi dengan NaOH,
zeolit dapat digunakan sebagai bahan penjernih minyak kelapa sawit.penambahan berat
3% menunjukkan kejernihan dengan transmitan sebesar 51% . Zeolit sebelum
diaktipasi dengan NaOH/H2SO4 dapat dipakai sebagai penyerap zat warna yang
terdapat dalam minyak hati ikan hiu. Zeolit juga dipakai dalam proses
penyerapan dan pemisahan air.
Pada tabel berikut disajikan penggunaan zeolit secara
umum pada berbagai bidang.
Bidang/Sektor
|
Aplikasi
|
Pertanian
|
Penetral
keasaman tanah, meningkatkan aerasi tanah, sumber mineral pendukung pada
pupuk dan tanah, serta sebagai pengontrol yang efektif dalam pembebasan ion
amonium, nitrogen, dan kalium pupuk.
|
Peternakan
|
Meningkatkan
nilai efisiensi nitrogen, dapat mereduksi penyakit lembuhg pada hewan
ruminensia, pengontrol kelembaban kotoran hewan dan kandungan amonia kotoran
hewan.
|
Perikanan
|
Membersihkan
air kolam ikan yang mempunyai sistem resikurlasi air, dapat mengurangi kadar
nirogen pada kolam ikan.
|
Energi
|
Sebagai
katalis pada proses pemecahan hidrokarbon minyak bumi, sebagai panel-panel
pada pengembangan energi matahari, dan penyerap gas freon.
|
Industri
|
Pengisi
(filler) pada industri kertas, semen, beton, kayu lapis, besi baja,
dan besi tuang, adsorben dalam industri tekstil dan minyak sawit, bahan baku
pembuatan keramik.
|
II.5 Proses
Regenarisasi
Seperti diterangkan
sebelumnya bahwa zeolit merupakan bahan anorganik berupa kristal dengan struktur kerangka
tiga dimensi yang tersusun dari unit–unit tetrahedral silika dan alumina.
zeolit terdiri dari 3 komponen yaitu : kation yang dapat dipertukarkan;
kerangka aluminosilikat; dan fase air. Ikatan ion A1-O-Si-O membentuk struktur
kristal aluminosilikat, sedangkan logam alkali merupakan sumber kation yang
mudah dipertukarkan, dan fase air merupakan air hidrat yang mengisi rongga
kristal.
Unit tetrahedral silika dan alumina terbentuk dari 4 atom oksigen yang
mengelilingi satu atom Si atau A1. Tiap atom oksigen bermuatan negatif 2 dan
tiap atom silikon bermuatan positif 4. Adanya atom A1 yang bervalensi 3
menyebabkan tetrahedron alumina menjadi bermuatan negatif, sehingga memerlukan kation untuk memenuhi sistem
kenetralan. Oleh karena itu dalam struktur kerangkanya, zeolit memiliki Na+,
K+, atau Ca2+ ( Davis, 1991: 1675- 1683). Kation–kation
ini bersifat dapat dipertukarkan (Schweitzer, 1979). Dalam struktur kristalnya
Si yang bervalensi 4 dapat digantikan dengan A1 yang bervalensi 3 sampai 50 %,
sehingga dengan mengatur bahan dasar maka rasio Si/ A1 dapat dibuat bervariasi
( Schweitzer, 1979).
Zeolit
mempunyai struktur berongga dan biasanya rongga ini diisi oleh air dan
kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki
ukuran pori yang tertentu. Oleh sebab itu zeolit dapat dimanfaatkan
sebagai : penyaring molekuler, penukar ion, penyerap bahan ( adsorben), dan
katalisator (Sutarti dan Rahmawati, 1994: 3).
Karena Zeolit memiliki rongga-rongga yang berisi air hidrat. Air ini dapat
diusir dengan melakukan pemanasan. Untuk aplikasi
sederhana, sebenarnya bisa memakai pompa vakum manual dan digabung dengan
kolektor sinar matahari untuk keperluan regenerasi zeolit yang dimasukkan
kedalam kontainer logam. Posisi
air hidrat dapat digantikan oleh molekul-molekul gas atau cairan pada saat
proses adsorpsi. Air yang menempati rongga ini dapat mencapai 28,3% berat
zeolit anhidrat (Schweitzer, 1979).
II.6 Mekanisme
Reaksi Pengolahan Zeolit
Pengolahan zeolit
sangat bergantung dari tujuan pemanfaatannya. Pengolahan zeolit bertujuan guna
meningkatkan nilai tambah. Pada prinsipnya pengolahannya dilakukan dalam 2
tahap, yaitu
1.
Tahap preparasi
Tahapan preparasi
zeolit diperlakukan sedemikian rupa agar mendapatkan zeolit yang siap olah.
Tahap ini berupa pengecilan ukuran dan pengayakan. Tahapan ini dapat
menggunakan mesin secara keseluruhan atau dengan cara sedikit konvensional.
2.
Tahap aktifasi
Proses ini
dilakukan dengan pemanasan dan atau dengan pereaksi zat yang sebagai pereaksi
digunakan NaOH dan H2SO4. Bagan alir pengolahan zeolit secara skematis
ditunjukkan gambar berikut. Aktivasi zeolit dapat
dilakukan dengan cara pemanasan atau penambahan pereaksi kimia baik
asam maupun basa:
asam maupun basa:
(1)
Aktivasi pemanasan, dilakukan zeolit dalam pengering putar menggunakan bahan
umpan yang mempunyai kadar air sekitar 40%, dengan suhu tetap 230 C dan waktu
pemanasan selama tiga jam.
(2)
Penambahan pereaksi kimia, dilakukan di dalam bak pengaktifan dengan NaOH dan
H2SO4, dimaksudkan untuk memperoleh temperatur yang dibutuhkan dalam aktivasi.
Zeolit yang telah diaktivasi perlu dikeringkan terlebih dahulu, pengeringan ini
dapat dilakukan dengan cara menjemurnya di bawah sinar matahari.
Bagan
alir pengolahan mineral zeolit
BAB III
PENUTUP
III.1
Kesimpulan
Dari hasil
pemaparan pada Bab II kesimpulan yang dapat ditarik antara lain; bahwa zeolit
termasuk dalam kristal aluma silika yang mempunyai rumus struktur Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O. zeolit merupakan suatu mineral berongga hingga mencapai
skala nano sehingga biasa digunakan sebagai absorben. Zeolit
memiliki sifat-sifat unik yaitu meliputi dehidrasi, adsorben dan penyaring
molekul, katalisator dan penukar ion. Karenanya zeolit dapat dimanfaatkan
sebagai penyaring molekuler, penukar ion, penyerap bahan dan katalisator. Sintesis zeolit bisa dilakukan secara hirotermal, konversi
dari Mineral kapur, dan sintesis
dari bahan dasar yang ada di alam.
Karakterisasi zeolit meliputi difraksi
sinar-X dan spektroskopi infra merah. Penggunaan zeolit yang telah meluas
antara lain di bidang pertanian, peternakan,
perikanan, energy, dan industry. Zeolit
bisa diregenerasi dengan pemanasan, ini dikarenakan strukturnya yang berongga
hingga pada keadaan jenuhnya (terbentuk hidrat) dengan proses pemasan zeolit
akan menyusut dan siap digunakan kembali. Proses pengolahan zeolit terbagi atas
dua tahap yaitu, tahap preparasi dan jika diperlukan dilakukan tahapan
aktivasi.
III.2 Saran-saran
Diharapakn penulisan makalah ini berguna bagi para pembaca pada khususnya dan
masyarakat pada umumnya.
DAFTAR
PUSTAKA
__________. Tanpa tahun. Encyclopedia of
Polymer Science and Technology. Copyright John Wiley & Sons, Inc
R.M. Barrer. 1982. Hydrothermal Chemistry of Zeolites.
London: Academic Press
(yang lain belum sempat diketik)
