Zeolit Sintesis Terfungsionalisasi Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai Adsorben Logam Cu Dan Biru Metilena
ZEOLIT SINTETIS
TERFUNGSIONALISASIMERKAPTOPROPILTRIMETOKSI SILANA
SEBAGAI ADSORBEN LOGAM CuDAN BIRU METILENA
NURUL AFIATI AFLAKHAH
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Zeolit Sintetis
Terfungsionalisasi Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai Adsorben
Logam Cu dan Biru Metilenaadalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian
akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2016
Nurul Afiati Aflakhah
NIM G451114051
RINGKASAN
NURUL AFIATI AFLAKHAH. Zeolit Sintesis Terfungsionalisasi
Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai Adsorben Logam Cu dan Biru
Metilena. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan CHARLENA.
Zeolit sintetis banyak digunakan dibandingkan dengan zeolit alam sebagai
adsorben, penukar kation, maupun katalis. Hal ini disebabkan karena zeolit
sintetis memiliki tingkat kemurnian yang lebih tinggi, serta keseragaman ukuran
pori bila dibandingkan dengan zeolit alam. Kaolin sebagai bahan baku pembuatan
zeolit sintetis telah umum digunakan, karena mengandung silika dan alumina
dengan rasio Si/Al yang mendekati zeolit sintetis tipe A. Metode yang umum
digunakan dalam sintesis zeolit berbahan dasar kaolin adalah metode hidrotermal.
Pada penelitian ini dilakukan sintesis zeolit dengan menggunakan metode
sol-gel.Hasil dari zeolit sintetis yang diperoleh kemudian dianalisis menggunakan
difraktometer sinar-X serta mikroskop pemindai elektron. Zeolit yang diperoleh
dari penelitian ini adalah zeolit Y, zeolit A serta sodalit. Modifikasi menggunakan
Merkapto Propil Trimetoksi Silana terhadap zeolit sintetis hanya berhasil
dilakukan pada sodalit serta serta zeolit A. Penggunaan HCl pada proses
modifikasi zeolit Y menggunakan Merkaptopropil Trimetoksi Silan, dapat
menghambat proses pembentukan kristal zeolit Y. Adanya proses modifikasi
terbukti dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi pada zeolit sintetis yaitu
sodalit dan zeolit A. Nilai adsorpsi terbaik didapatkan pada zeolit A termodifikasi
yaitu 30,11 mg/g. Nilai kuadrat terkecil zeolit sintetis secara keseluruhan
mengikuti pola isoterm Langmuir.
Kata kunci:adsorpsi, kaolin,merkaptopropil trimetoksi silana, sol-gel, zeolit.
SUMMARY
NURUL
AFIATI
AFLAKHAH.
FunctionalizedSyntheticZeolite
byMercaptopropyl Trimethoxy Silane asTheAdsorbenof CuandMethylene Blue.
Supervised by SRI SUGIARTIand CHARLENA.
Synthetic zeolite are more commonly used as adsorbent, ion exchange, and
catalyst than the natural zeolite, because the higher purity and uniform poresize in
synthethiczeolite. Kaolin isa commonly used raw material for synthesis of zeolite,
because their abundant and the low cost. This research employed sol-gel method
to produce synthetic zeolit from kaolin as a substrat. The resulting synthetic
zeolite were then characterized using X-ray Difractometry and Scanning Electron
Microscope.The commonly method in synthesis zeolite base on kaolin is
hodrothermal method.
The types of zeolite produced in this research were zeolite-A, zeolite-Y and
sodalite. The adsorption capacity of synthetic zeolite was tested using Cu(II) and
methylene blue. Functionalization of synthetic zeolite by mercaptopropyl
trimethoxysilane (MPTS)was only successfulfor sodalite and Zeolite- A.The use
of HCl in modification on zeolite-Y was found to be destructive toward the
structure, and prevented the crystallization of that zeolite. Functionalization of the
synthetic zeolite improved their adsorption capacity toward methylene blue, with
the highest value, 30.11 mg/g, exhibited by modified zeolite-A. The adsorption
isotherm of all the synthetic zeolite were consistent with the Langmuir curve.
Keyword:adsorption,kaolin, mercaptopropyl trimethoxysilane,sol-gel, zeolite.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ZEOLIT SINTETIS TERFUNGSIONALISASIMERKAPTOPROPIL
TRIMETOKSI SILANA SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cu
DANBIRU METILENA
NURUL AFIATI AFLAKHAH
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji pada Ujian Tesis : DrEti Rohaeti, MSi
PRAKATA
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT karena
berkat rahmatNya penulis dapat menyelesaikan penulisan Tesis dengan judul
Zeolit Sintesis Terfungsionalisasi Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai
Adsorben Logam Cu dan Biru Metilena.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Sri Sugiarti, Ph.D dan Ibu Dr.
Charlena, MS selaku komisi pembimbing yang telah dengan sabar memberikan
bimbingan, dan motivasi selama penulis melakukan penelitian dan penyusunan
tesis. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada rekan-rekan mahasiswa
pasca sarjana kimia serta seluruh pihak yang telah membantu kelancaran studi dan
terselesaikannya penelitian serta penyusunan tesis ini. Ungkapan terimakasih juga
disampaikan kepada kedua orang tua , suami, serta buah hati atas semua doa dan
kasihsayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Nurul Afiati Aflakhah
DAFTAR ISI
DAFTARTABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Rumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Hipotesis Penelitian
1
1
3
3
3
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Zeolit
Kaolin
Proses sol gel
Adsorpsi
3
3
5
6
6
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan dan Alat
Lingkup Kerja
Prosedur Penelitian
7
7
7
8
8
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil kalsinasi kaolin
Hasil pencirian zeolit AX2 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AX2 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AX2
Isoterm Adsorpsi zeolit AX2
Hasil pencirian zeolit AX4 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AX4 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AX4
Isoterm Adsorpsi zeolit AX4
Hasil pencirian zeolit AZ3 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AZ3 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AZ3
Isoterm Adsorpsi zeolit AZ3
10
10
11
13
14
15
15
17
18
18
19
20
21
22
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
23
23
23
DAFTAR PUSTAKA
24
LAMPIRAN
26
RIWAYAT HIDUP
27
DAFTAR GAMBAR
1 Struktur Zeolit Tiga Dimensi
2 Struktur Kaolin
3 Difraktogram Metakaolin
4 Difraktogram Zeolit AX2
5 Difraktogram Zeolit AX2 termodifikasi
6 Hasil analisis SEM Zeolit AX2
7 Difraktogram Zeolit AX4
8 Difraktogram Zeolit AX4 termodifikasi
9 Hasil analisis SEM Zeolit AX4
10 Hasil analisis SEM zeolit AX4 termodifikasi
11 Difraktogram Zeolit AZ3
12 Difraktogram Zeolit AZ3 termodifikasi
13 Hasil analisis SEM Zeolit AZ3
14 Hasil analisis SEM zeolit AZ3 termodifikasi
4
5
11
12
13
13
16
16
17
17
20
20
21
21
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Rumus Oksida berbagai jenis zeolit sintetik
Perbandingan volume dalam sintesis Zeolit AX
Perbandingan volume sintesis Zeolit AZ
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AX2
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AX4
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit AX4
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AZ3
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit AZ3
5
8
9
14
15
18
18
21
22
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan Alir Penelitian
2 Diagram alir pembuatan natrium aluminat
3 Diagram alir pembuatan zeolit
4 Diagram alir proses fungsionalisasi zeolit dengan MPTS
5 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 pada Cu
6 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 termodifikasi pada Cu
7 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 pada biru metilena
8 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 temodifikasi pada biru metilena
9 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 pada Cu
10 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 termodifikasi pada Cu
11 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 pada biru metilena
12 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 termodifikasi pada biru metilena
13 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 pada Cu
14 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 termodifikasi pada Cu
26
28
28
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
DAFTAR LAMPIRAN (lanjutan)
15 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 pada biru metilena
16 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 termodifikasi pada biru metilena
41
42
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat merupakan bahan pencemar paling berbahaya,meskipun
jumlahnya sedikit namun memiliki tingkat toksisitas yang tinggi. Hal ini
disebabkan logam berat tidak dapat dibiodegradasi dan dapat terakumulasi dalam
jaringan mahluk hidup. Pencemaran logam berat akan cenderung meningkat
sejalan dengan meningkatnya eksploitasi berbagai sumber alam dan berbagai
kegiatan industri yang mengandung logam berat.
Beberapa contoh logam yang dapat mencemari lingkungan adalah tembaga
(Cu). Tembaga biasanya digunakan untuk bahan baku industri dan kegiatan
pertanian. Pada sektor industri tembaga digunakan untuk zat warna, industri
kimia, peleburan logam, dan penambangan. Logam Cu dalam jumlah yang sedikit
di butuhkan oleh tubuh, akan tetapi dalam jumlah yang berlebihan tidak mampu di
metabolisme oleh tubuh. Tembaga dapat memasuki udara terutama melalui proses
pembakaran bahan bakar fosil. Logam ini akan terus berada diudara hingga
mengendap ke tanah melalui hujan. Sebagian besar senyawa tembaga akan
menetap dan terikat di tanah atau terserap dalam sumber air yang dapat
menimbulkan ancaman kesehatan seperti kanker, hemolisis, dan lain-lain
(Surbakti. 2011).
Metode konvensional untuk menghilangkan ion logam berat terlarut
meliputi presipitasi kimia, oksidasi kimia, filtrasi, pertukaran ion dan lain-lain.
Namun proses-proses teknologi tersebut memiliki kelemahan, contohnya pada
proses presipitasi kimia limbah berupa logam berat dapat terpengaruh oleh pH
rendah. Pada proses pertukaran ion biaya relatif mahal,serta operasional yang
sulit. Beberapa kelemahan dari metode teknologi tersebut maka proses adsorpsi
dapat digunakan sebagai metode alternatif dalam menghilangkan ion logam berat.
Adsorpsi merupakan suatu proses yang efisien dan memiliki aplikasi luas dalam
pengurangan ion logam dari air limbah. Proses ini membutuhkan adsorben yang
tepat sebagai faktor penentunya. Salah satu jenis adsorben yang sering digunakan
dalam adsorpsi logam berat adalah zeolit.
Jenis pencemar lain yang merupakan hasil samping dari proses industri
adalah zat warna Biru Metilena. Biru Metilena banyak digunakan dalam proses
industri kertas dan merupakan senyawa non-biodegradable, yang mengandung
senyawa azo dan bersifat karsinogenik. Zat warna Biru metilena merupakan
senyawa organik yang tidak jenuh yang berasal dari senyawa aromatik, didalam
air akan bermuatan positif sehingga umumnya disebut zat warna bersifat basa.
Kontaminasi air yang disebabkan oleh Biru metilena akan menyebabkan
terhambatnya proses masuknya sinar matahari ke lingkungan. Untuk
meminimalisasi efek tersebut maka dapat dilakukan suatu proses adsorpsi dengan
menggunakan adsorben yaitu zeolit.
Zeolit merupakan suatu mineral yang terdiri atas kristal alumina silikat
terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga
dimensi. Ion-ion alkali tersebut dapat diganti oleh kation lain tanpa merusak
struktur zeolit. Pemanfaatan zeolit umumnya berdasar pada porositas
tinggi,muatan di permukaan, keberadaan kation-kation tukar, serta jumlahnya
2
yang melimpah dialam. Zeolit terbagi atas dua yaitu zeolit alam dan zeolit
sintetik.
Untuk kepentingan komersial zeolit sintetis lebih sering digunakan
dibandingkan dengan zeolit alam, hal ini dikarenakan zeolit sintetis memiliki
keseragaman ukuran partikel dan tingkat kemurnian yang tinggi. Keuntungan
lainnya adalah bahwa zeolit sintetis dapat dibuat struktur zeolit yang diinginkan
yang tidak terdapat pada zeolit alam. Saat ini permasalahan yang terjadi pada
penelitian tentang zeolit sintetis adalah tentang ketersediaan sumber silika dan
alumina serta biaya yang diperlukan untuk mencari bahan dasar yang bernilai
ekonomis dan mudah didapatkan.
Kaolin merupakan salah satu tipe lempung yang di dalamnya tersusun atas
mineral kaolinit yang penggunaannya sangat luas untuk aspek industri.
Berdasarkan pada kemurnian serta komposisi mineralnya maka kaolin dapat
digunakan sebagai bahan baku pembuatan zeolit. Beberapa penelitian tentang
zeolit sintetis menggunakan mineral alam serta aplikasinya telah banyak
dilakukan. Atta et al. 2007 mempelajari pembuatan zeolit X dengan bahan dasar
kaolin yang berasal dari Kankara. Georgiev et al. 2009 melakukan ulasan tentang
berbagai cara pembuatan zeolit, struktur serta klasifikasinya. Dalam ulasannya
dikatakan bahwa terdapat perkembangan beberapa cara yang dapat digunakan
untuk membuat zeolit, dan juga cara memodifikasi zeolit. Trivana. 2012 telah
melakukan sintesis zeolit X dan nanokomposit zeolit/TiO2 dari kaolin. Untuk
menambah nilai rasio Si dari zeolit, Trivana menggunakan sekam padi sebagai
sumber silika lainnya. Penggunaaan natrium silika sebagai sumber silika didasari
untuk meningkatkan nilai rasio Si pada zeolit yang akan disintesis.
Proses sintesis zeolit berbahan dasar kaolin dapat dilakukan menggunakan
metode sol gel. Radityo. 2012 telah melakukan sintesis zeolit ZSM-5 melalui
proses sol gel, yang kemudian dimanfaatkan sebagai katalis. Metode ini
digunakan karena kemampuannya dalam mengontrol tekstural dan sifat-sifat dari
campuran oksida. Keuntungan lain dari proses sol gel, adalah materi yang
terbentuk memiliki homogenitas dan kemurnian yang tinggi, serta kondisi sintesis
dapat divariasikan.
Pada struktur permukaan kaolin terdapat beberapa gugus silanol, yang
keberadaannya serta konsentrasinya berperan pada proses penentuan kapasitas
adsorpsi dan dalam mekanisme pelepasan adsorbat. Salah satu cara untuk
meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi zeolit sintetis dari kaolin adalah dengan
melakukan modifikasi pada permukaan. Cara ini dilakukan dengan mereaksikan
gugus silanol pada permukaan menggunakan suatu pereaksi organosilan yaitu
Merkapto Propil Trimetoksi Silana (MPTS). Pereaksi organosilan memiliki
struktur secara umum R-SiX3, dengan R merupakan gugus fungsional organik
yang terikat pada silika dalam keadaan hidrolitik yang stabil. X dapat berupa
gugus alkoksi yang dapat dihidrolisis ( seperti –OCH3 (metoksi), atau –OC2H5
(etoksi). Gugus tersebut kemudian dapat diubah menjadi gugus silanol melalui
reaksi hidrolisis. Dan R merupakan gugus fungsional organik yang bersifat
reaktif, seperti –NH2 (amina), -SH (merkapto) atau dapat terdiri dari beberapa
gugus kimia fungsional.
Marjanovic et al. 2011 telah melakukan modifikasi mineral sepiolit
terfungsionalisasi Merkapto Propil Trimetoksi Silan (MPTS). Struktur mineral
dari sepiolit tersebut hampir sama penyusunnya seperti pada kaolin, terdiri atas
3
silika dan alumina. Dari penelitiannya diperoleh dengan adanya modifikasi pada
permukaan sepiolit dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsinya terhadap
logam Cr(VI), dibandingkan sepiolit tanpa proses modifikasi.Karena
pertimbangan tersebut maka akan dilakukan penelitian sintesis zeolit dengan
menggunakan metode sol gel, dan dilakukan peningkatan nilai Si dengan
penambahan sumber silikat.
Perumusan Masalah
Permasalahan dalam penelitian ini berdasarkan uraian diatas adalah belum
adanya metode sintesis zeolit untuk menghasilkan nilai rasio Si/Al yang
diinginkan. Hal lainnya adalah belum adanya penelitian tentang modifikasi zeolit
melalui metode sol gel, untuk meningkatkan kapasitas adsorpsi zeolit sintetis
sebagai suatu adsorben.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis zeolit dari kaolin serta
memodifikasinya menggunakan MPTS, melakukan pencirian zeolit sintetis dan
zeolit sintetis termodifikasi menggunakan XRD dan SEM, dan uji adsorpsi dari
kedua zeolit tersebut terhadap logam Cu (II) dan Biru Metilena.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan memberikan informasi tentang cara sintesis
zeolit tertentu melalui penambahan sumber silika lain menggunakan metode sol
gel, dan cara meningkatkan kapasitas adsorpsi zeolit sintetis sebagai adsorben
dengan proses fungsionalisasi.
Hipotesis
Sintesis zeolit dari kaolin serta modifikasinya menggunakan MPTS dapat
dilakukan menggunakan metode sol gel, sehingga dapat meningkatkan nilai
kapasitas adsorpsinya terhadap logam Cu (II), dan Biru Metilena.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Zeolit
Zeolit merupakan senyawa alam yang banyak terdapat di wilayah Indonesia,
serta memiliki banyak kegunaan. Zeolit merupakan kristal alumina silika
tetrahidrat berpori yang memiliki struktur kerangka tiga dimensi, yang terdiri atas
gugusan alumina serta silika oksida dan saling dihubungkan oleh atom-atom
oksigen. Kerangka tiga dimensi zeolit yang terbuka mengandung kanal-kanal dan
rongga-rongga didalamnya terisi oleh ion-ion logam, biasanya logam-logam alkali
atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas (Yuanita. 2010).
4
Zeolit terbagi atas dua yaitu zeolit alam dan zeolit sintetik. Bentuk tiga dimensi
dari zeolit dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 1 Struktur Zeolit tiga dimensi
Zeolit alam pada umumnya terbentuk karena ada proses kimia dan fisika
yang kompleks dari batu-batuan yang mengalami berbagai macam perubahan
dialam. Zeolit alam adalah zeolit yang ditambang langsung dari alam. Dengan
demikian harganya jauh lebih murah daripada zeolit sintesis. Zeolit alam
merupakan mineral yang jumlahnya banyak tetapi distribusinya tidak merata.
Zeolit alam ditemukan dalam bentuk mineral dengan komposisi yang
berbeda, terutama dalam nisbah Si/Al dan jenis logam yang menjadi komponen
minor. Beberapa contoh jenis zeolit alam yang ditemukan adalah klinoptilolit
(Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O,
modernit
Na8(Al8Si40O96).24H2O,
analsim
Na16(Al16Si32O96).16H2O dan lain-lain (Auerbach etal. 2012). Zeolit alam
memiliki beberapa kelemahan, diantaranya banyak mengandung pengotor seperti
Na, Ca, Mg, K, dan Fe serta sifat kristalinitasnya yang kurang baik. Keberadaan
pengotor tersebut dapat mengurangi aktivitas dari zeolit. Untuk dapat
memperbaiki karakter zeolit alam sehingga dapat digunakan sebagai adsorben,
katalis, atau aplikasi lainnya biasanya dilakukan aktivasi dan modifikasi terlebih
dahulu. Selain untuk dapat menghilangkan pengotor-pengotor yang terdapat pada
zeolit alam , proses aktivasi zeolit juga bertujuan untuk memodifikasi sifat-sifat
yang dimilikinya,seperti luas permukaan dan keasaman. Salah satu kelebihan
zeolit alam adalah memiliki luas permukaan dan keasaman yang mudah
dimodifikasi. Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan baik secara fisika maupun
kimia. Aktivasi secara fisika dilakukan melalui pengecilan ukuran
butir,pengayakan, dan pemanasan pada suhu tinggi, yang bertujuan untuk
menghilangkan pengotor-pengotor organik, memperbesar pori, dan memperluas
permukaan. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui pengasaman, yang
bertujuan untuk menghilangkan pengotor anorganik (Yuanita. 2010). Rasio Si/Al
yang terdapat pada zeolit alam bergantung kepada jenis mineral alam penghasil
zeolit tersebut. Akan tetapi pada zeolit sintetis nilai rasio Si/Al dapat diatur
berdasarkan proses sintesis yang dilakukan.
Zeolit sintetik adalah zeolit yang dibuat melalui suatu rekayasa sedemikian
rupa sehingga diperoleh karakter yang lebih baik dari zeolit alam. Prinsip dasar
dari zeolit sintetik komponen utamanya adalah alumina dan silika, sehingga dapat
disintesis dari bahan baku yang mengandung kedua komponen tersebut.
Komponen minor dalam zeolit dapat pula ditambahkan dengan mudah
menggunakan senyawa murni,sehingga zeolit sintetik memiliki komposisi yang
tetap dengan tingkat kemurnian yang tinggi (Georgiev et al. 2009). Seiring
5
berkembangnya penelitian maka dikenal berbagai zeolit sintetik dan disajikan
dalam Tabel 1.
Tabel 1 Rumus Oksida berbagai jenis zeolit sintetik (Georgiev et al. 2009)
Zeolit
Rumus Oksida
Zeolit A
Na2O.Al2O3.2SiO2.4,5H2O
Zeolit N-A
(Na,TMA)2O.Al2O3.4,8SiO2.7H2O TMA
(CH3)4N+
Zeolit H
K2O.Al2O3.2SiO2.4 H2O
Zeolit L
(K2Na2)O. Al2O3.6SiO2.5H2O
Zeolit X
Na2O.Al2O3.2,5SiO2.6H2O
Zeolit Y
Na2O.Al2O3.4.8SiO2.8,9H2O
Zeolit P
Na2O.Al2O3.2-5SiO2.5H2O
Zeolit O
(Na2,K2,TMA2)O. Al2O3.7SiO2.3,5H2O;TMA
(CH3)4N+
Zeolit Ω
(Na,TMA)2O. Al2O3.7SiO2.5H2O;TMA
(CH3)4N+
Zeolit ZK-4 0,85Na2O.0,15(TMA)2O. Al2O3.3,3SiO2.6H2O
Zeolit ZK- 5 (R,Na2)O. Al2O3.4-6SiO2.6H2O
Dewasa ini zeolit sintetik terus dikembangkan, dengan dua fokus utama yaitu
bahan baku dan metode.
Kaolin
Kaolinit adalah komponen utama dari kaolin. Proses pembentukan kaolin
disebut kaolinisasi.Kaolin merupakan suatu jenis tanah liat berwarna putih, biasa
digunakan dalam pembuatan kertas,cat,karet dan berbagai macam produk lainnya.
Bentuk alami kaolin adalah serbuk halus yang berwarna putih.Struktur kaolin
terdiri atas lapisan silika tetrahedral yang berseling dengan lapisan alumina
oktahedral, yang membentuk lapisan mineral lempung dengan perbandingan 1:1
seperti ditunjukkan pada gambar 1. Pengulangan lapisan 1:1 dihubungkan satu
dan lainnya dengan adanya ikatan hidrogen. Kaolin bila dilihat dengan
menggunakan mikroskop elektron terlihat
terdiri atas permukaan yang
heksagonal, dengan ukuran kristal tipis berkisar antara 0,1 µm-10 µm atau lebih
besar. Dialam kaolin dapat ditemukan dalam jumlah yang bervariasi dari berbagai
mineral seperti muskovit, quartz dan anatase (Johnson. 2014). Struktur dari kaolin
dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Struktur Kaolin ( Johnson et al. 2014)
6
Kaolin merupakan salah satu zat dengan kandungan silika dan alumina yang
tinggi, sehingga dapat digunakan sebagai dasar pembuatan zeolit. Proses sintesis
zeolit berbahan dasar kaolin pada tahapan awal melibatkan proses kalsinasi pada
rentang suhu 700-1000 °C, sehingga dapat diperoleh suatu metakaolin melalui
proses dehidroksilasi. Reaksi dari proseses metakaolinisasi adalah sebagai berikut
:
Kaolinit
Metakaolin
550 °C
Si2Al2O5(OH)4
Al2O3.2SiO2 + 2H2O
∆
Proses Sol-Gel
Proses sol-gel merupakan suatu teknik kimia basah untuk pembuatan
suatubahan dengan materi awal berupa larutan kimia atau partikel-partikel
koloidyang kemudian dapat menghasilkan suatu kesatuan disebut gel. Proses ini
biasanya memungkinkan sintesis padatan pada temperatur ruang, yang diawali
dengan terbentuknya larutan sol dan diikuti pembentukan gel dengan proses
pemanasan sehingga menghasilkan padatan. Pada proses ini prekursor yang bisa
digunakan adalah alkoksida logam dan klorida logam yang dapat mengalami
reaksi hidrolisis dan polikondensasi membentuk koloid. Secara umum proses solgel dapat dibagi menjadi beberapa tahap meliputi pembentukan larutan,
pembentukan gel, penuaan (aging), pengeringan dan pemadatan (Brinker dan
scherer. 1990).Pada proses sol-gel dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti
konsentrasi dan tipe prekursor yang digunakan, bentuk geometri, ukuran bejana
serta proses pengadukkan. Pembentukkan gel dari sol dapat berlangsung dalam
hitungan detik atau beberapa hari. Proses sol-gel memiliki beberapa keuntungan
diantaranya materi yang terbentuk memiliki homogenitas dan tingkat kemurnian
yang tinggi, dapat dilakukan pengaturan pembentukkan struktur, dan variasi
kondisi sintesis. Proses sol gel meliputi reaksi hidrolisis dan kondensasi yang
berlangsung lebih dominan dibandingkan tahapan yang lain.
Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses yang terjadi ketika fasa gas atau cairan terlarut
terakumulasi pada permukaan adsorbat membentuk suatu lapisan molekul atau
atom-atom. Menurut Oscik (1982) adsorpsi adalah fenomena yang terjadi pada
permukaan akibat adanya gaya-gaya yang tidak seimbang pada batas antar muka,
sehingga menyebabkan perubahan jumlah molekul, atom atau ion. Adsorpsi dapat
dibedakan mejadi dua jenis yaitu adsorpsi kimia (chemisorption) dan adsorpsi
fisika (physisorption).
Proses adsorpsi fisika molekul-molekul teradsorpsi dengan ikatan yang
lemah pada permukaan adsorben, proses adsorpsi ini dapat balik sehingga
memungkinkan terjadinya desorpsi pada temperatur yang sama. Energi yang
menyertai proses adsorpsi fisika 0-20 kJ/mol (Jaycock etal. 1981). Adsorpsi fisika
umumnya terjadi pada temperatur rendah, dan jumlah zat yang teradsorpsi akan
semakin kecil dengan naiknya temperatur.Jumlah zat yang teradsorpsi dapat
mencapai beberapa lapis (multilayer). Waktu kesetimbangan tercapai segera
7
setelah adsorbat bersentuhan dengan adsorben, hal ini disebabkan karena adsorpsi
fisika tidak melibatkan energi aktivasi.
Adsorpsi kimia melibatkan proses kimia pada zat yang teradsorpsi oleh
adsorben, yaitu terjadi penurunan dan pembentukan ikatan sehingga sifat-sifat
yang dimiliki adsorben dan adsorbat akan berubah. Energi yang diperlukan dalam
proses adsorpsi kimia relatif tinggi sekitar 400 kJ/mol (Jaycock etal. 1981).
Jumlah zat yang teradsorpsi hanya mencapai satu lapis (monolayer), dan biasa
terjadi pada temperatur rendah dan tekanan yang tinggi dibandingkan dengan
adsorpsi fisika. Adsorpsi kimia bersifat tidak dapat balik dan memerlukan energi
yang tinggi untuk melepaskan adsorbat dari permukaan adsorben.
Isoterm adsorpsi Langmuir merupakan model adsorpsi yang sering
digunakandalam pengolahan data. Isoterm ini digunakan untuk menunjukkan
hubungan antara aktivitas adsorben dan jumlah zat teradsorpsi pada temperatur
konstan. Langmuirmenyatakan bahwa pada permukaan adsorben terdapat
sejumlah tertentu situsaktif yang sebanding dengan luas permukaannya. Menurut
Shaw. 1983isotermadsorpsi Langmuir hanya dapat diterapkan jika ada asumsi
bahwa adsorpsi hanyaberlangsung satu lapis (monolayer), adsorpsi terlokalisasi,
dan panas adsorpsi tidak tergantung pada lapisan permukaan.Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut :
qe = qmbCe
1 + bCe
Dengan qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per unit bobot adsorben
pada kesetimbangan (mg/g), qm kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g), Ce
konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan(mg/L), b konstanta yang
berhubungan dengan energi bebas adsorpsi(L/mg). Harga energi adsorpsi
dapatditentukan melalui persamaan :
E = -ΔG ° = RT ln K
Dengan R = 8,314 J/mol K, K = konstanta kesetimbangan dan T = 300 K
3 METODE
Tempat dan waktu penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2014 sampai Juni 2015 di
Laboratorium SMK Farmasi dan Laboratorium Akademi Kimia Analisis Bogor.
Bahan dan Alat
Kaolin Bangka Belitung, natrium silikat dengan kandungan Na2O 7.58.5%. SiO2 25.5-28.7% (Merck),HCl 37%,3-merkaptopropil-trimetoksisilana
(Merck),NaOH, Al(OH)3, larutan ion logam Cu(II)CuSO4.2H2O (Merck), biru
metilena (Merck) dan akuades.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah. peralatan gelas.
peralatan plastik. Scanning Electron Microscope (SEM) (Carl-Zeiz Bruker EVO
MA10),X-Ray Difraction(XRD) (d4 Bruker), Spektometer sinar tampak dan
Spektrometer Serapan Atom.
8
Lingkup Kerja
Penelitian ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu preparasi metakaolin,
sintesis natrium aluminat, sintesis zeolit, fungsionalisasi zeolit sintetis dengan
MPTS, dan adsorpsi logam Cu(II) serta biru metilena terhadap zeolit sintetis dan
zeolit sintetis terfungsionalisasi MPTS.
Prosedur Penelitian
Preparasi Metakaolin (Trivana. 2013)
Kaolin dianalisis berasal dari Provinsi Bangka Belitung. Preparasi
metakaolin dimulai dengan memanaskan kaolin Bangka Belitung pada suhu 900
°C selama 6 jam, sehingga akan diperoleh suatu metakaolin. Proses persiapan
selanjutnya adalah melakukan sintesis natrium silikat dengan menggunakan kaolin
yang telah dikalsinasi.
Pembuatan Larutan Natrium Aluminat (Kovo.2009)
Sebanyak 30.50 gram NaOH dilarutkan dalam 100 mL akuades kemudian
dipanaskan hingga larut. Larutan tersebut ditambahkan 21.65 gram Al(OH)3
diaduk dan diencerkan sampai dengan volumenya 250 mL.
Proses sintesis zeolit
Proses sintesis zeolit dilakukan menggunakan metode sol gel. Sintesis zeolit
dilakukan dengan menggunakan bahan baku yang berbeda, yaitu melalui
penambahan sumber silika dan tanpa penambahan sumber silika.
Sintesis sampel AX
Proses sintesis zeolit dilakukan dengan menambahkan sejumlah tertentu
natrium silikat yang dibuat dari metakaolin dengan penambahan sumber natrium
silikat. Setiap campuran tersebut kemudian diaduk selama 2 jam sehingga akan
terbentuk gel berwarna putih. Kemudian dilakukan sintesis pada temperatur 80°C
selama 8 jam. Hasil sintesis dicuci dengan akuades sampai pH netral. kemudian
dikeringkan dioven pada suhu 120°C selama 3 jam (Kovo. 2011). Hasil yang
diperoleh kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD, dan SEM. Nilai
perbandingan volume pencampuran kedua natrium silikat dapat dilihat pada Tabel
2.
Tabel 2 Perbandingan volume dalam sintesis zeolit AX
Sampel
Sampel AX1
Sampel AX2
Sampel AX3
Sampel AX4
Volume larutan (ml)
Kaolin
Na2SiO3 (Merck)
40
50
60
90
60
50
40
10
9
Sintesis sampel AZ
Proses sintesis zeolit AZ dilakukan dengan menambahkan sejumlah
tertentu metakaolin dengan penambahan natrium aluminat. Setiap campuran
tersebut kemudian diaduk selama 2 jam sehingga akan terbentuk gel berwarna
putih. Kemudian dilakukan sintesis pada temperatur 80°C selama 8 jam. Hasil
sintesis dicuci dengan akuades sampai pH netral, kemudian dikeringkan dioven
pada suhu 120°C selama 3 jam (Kovo. 2011). Hasil yang diperoleh kemudian
dikarakterisasi menggunakan XRD, dan SEM. Nilai perbandingan volume
pencampuran kedua larutan dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Perbandingan volume sintesis zeolit AZ
Sampel
Sampel AZ1
Sampel AZ2
Sampel AZ3
Volume larutan (ml)
Kaolin
Na-Aluminat
40
60
50
50
60
40
Fungsionalisasi zeolit dengan MPTS (Nuryono.2011)
Fungsionalisasi zeolit dengan MPTS dilakukan dengan cara menambahkan
2 mL MPTS kedalam proses sintesis zeolit AX serta AZ. Kemudian ditambahkan
HCl 3M tetes demi tetes sambil diaduk dengan pengaduk magnet sehingga
diperoleh gel sampai dengan pH 7. Gel yang diperoleh didiamkan semalam,
kemudian dicuci dengan akuades hingga pH netral, dan dikeringkan didalam oven
selama 2 jam pada suhu 100°C.
Adsorpsi Cu(II)
Sebanyak 100 mg zeolit sintetis ditempatkan dalam wadah plastik. Adsorpsi
dilakukan dengan sistem batch dengan cara menambahkan larutan Cu(II) dengan
variasi konsentrasi 10, 20, 30, 40, 50 mg/L. dengan volume masing-masing
sebanyak 50 ml. Campuran adsorben dan larutan logam diaduk dengan pengaduk
magnet selama 1 jam. Selanjutnya larutan disentrifuse dengan kecepatan 2000
rpm untuk memisahkan supernatan dan adsorben. Masing-masing supernatan
dianalisis menggunakan spektrometer serapan atom (AAS) untuk menentukan
jumlah ion logam yang teradsorpsi. Hal yang sama dilakukan pula zeolit yang
termodifikasi MPTS.
Adsorpsi Biru Metilena (Trivana.2013)
Larutan Biru Metilena dibuat dengan berbagai variasi konsentrasi 10, 20, 25
dan 30 mg/L. Sebanyak 0.05 gram zeolit kemudian ditambahkan larutan biru
metilena sebanyak 15 mL dari setiap konsentrasi dalam tabung reaksi yang
berbeda, kemudian dikocok selama 2 jam. Setelah itu campuran dipisahkan
dengan sentrifugasi selama 20 menit dengan kecepatan 3500 rpm untuk
memisahkan endapan.Filtrat kemudian diukur absorbannya dengan menggunakan
spektrofotometer UV-tampak pada panjang gelombang 664.5 nm. Kapasitas
adsorpsi dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
10
Q = V[Co-Ca]
m
Keterangan :
Q = kapasitas adsorpsi (mg/g)
V= volume larutan (mL)
Co= konsentrasi awal (ppm)
Ca= konsentrasi akhir (ppm)
m = massa adsorben (gram)
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Kalsinasi Kaolin
Kaolin digunakan sebagai bahan baku untuk pembentukan kerangka zeolit.
karena komponen utamanya merupakan silika dan alumina. Kaolin yang akan
digunakan terlebih dahulu dikalsinasi pada suhu 900 ˚C selama 6 jam. Proses
kalsinasi atau pemanasan dapat menguapkan H2O sehingga terjadi pelepasan
ikatan –OH pada kaolinit. Peristiwa ini mengakibatkan kaolin yang berbentuk
kristalin menjadi lebih amorf.
Proses kalsinasi bertujuan untuk menghasilkan fase metakaolin, disertai
dengan adanya transformasi kaolin. Fase metakaolin akan terbentuk alumina
amorf dan silika amorf. Pada proses ini terjadi perubahan dari kaolin menjadi
metakaolin, dengan hilangnya gugus-OH sehingga dapat meningkatkan nilai
reaktivitas dari kaolin pada fasa metastabil sehingga dapat diubah menjadi bentuk
zeolit. Reaksi kaolin menjadi metakaolin adalah sebagai berikut :
550 °C
Kaolinit
Si2Al2O5(OH)4
Metakaolin
Al2O3.2SiO2 + 2H2O
Metakaolin hasil kalsinasi dianalisis dengan menggunakan XRD, seperti
ditunjukkan pada Gambar 3.Hasil XRD kaolin menjadi metakaolin menunjukkan
adanya puncak yang landai. Terbentuknya kaolin dapat didentifikasi pada
perubahan sudut 2θ 15˚-37˚. Hal ini menjelaskan metakaolin yang diperoleh
berbentuk amorf. Proses kalsinasi meruntuhkan struktur lembaran oktahedral
pada kaolin, sehingga pada metakaolin yang terbentuk hanya terdapat struktur
tetrahedral yang dapat digunakan sebagai kerangka pembangun zeolit sintetis.
Metakaolin yang diperoleh kemudian digunakan untuk membuat larutan natrium
silikat.
intensitas
11
Gambar 3 Difraktrogram Metakaolin
Zeolit Sampel AX
Pada sintesis zeolit sampel AX digunakan natrium silikat yang telah dibuat
dari metakaolin dan dicampurkan pada proses sol-gel dengan beberapa variasi
volume. Dari beberapa perbandingan volume yang tertera pada Tabel 2, sintesis
zeolit hanya dapat terjadi pada sampel AX2 dan AX4. Proses sintesis zeolit
dengan menambahkan Na2SiO3 bertujuan untuk menambahkan sumber silika lain
sehingga dapat meningkatkan nilai rasio Si pada zeolit yang akan disintesis. Zeolit
Sampel AX2 dan AX4 yang terbentuk kemudian dimodifikasi dengan
menggunakan MPTS. Fungsionalisasi pada zeolit sintetis ini bertujuan untuk
dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi dari zeolit tersebut.
Hasil Pencirian Zeolit AX2 dan AX2 termodifikasi dengan XRD
Pencirian Zeolit AX2 dengan teknik difraksi sinar-X pada kondisi : atom
target Cu, panjang gelombang 1.540598 Å, dan rentang sudut 8-65˚. Difraksi
sinar-X digunakan untuk mengidentifikasi jenis mineral zeolit. Puncak difraksi
yang didapatkan. selanjutnya dicocokkan dengan puncakstandar difraksi sinar-X.
yaitu JCPDS (PDF 38-0240) (Joint Commited on Powder Difraction Standards)
dan dari beberapa jurnal hasil penelitianliteratur. . Hasil XRD sampel AX2
ditampilkan pada Gambar 4.Hasil XRD sampel AX2 memberikan nilai puncak
serapan pada daerah 2θ 26.7˚, 27.53˚, 30.61˚ dan 31.26˚. Zeolit yang terbentuk
merupakan zeolit Ydengan rumus molekul Na2O.Al2O3.4,8SiO2.8.9H2O
(Georgiev. 2009). Kerangka kerja Zeolit Y memiliki kemiripan seperti faujasit
alam yang kaya silikon (Weitkamp and Puppe. 1999). Jika dibandingkan dengan
zeolit A, rasio Si/Al yang dimiliki zeolit Y antara 1.5-3. Hal ini menunjukan zeolit
yang yangdihasilkan tergolong rendah (
TERFUNGSIONALISASIMERKAPTOPROPILTRIMETOKSI SILANA
SEBAGAI ADSORBEN LOGAM CuDAN BIRU METILENA
NURUL AFIATI AFLAKHAH
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK
CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Zeolit Sintetis
Terfungsionalisasi Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai Adsorben
Logam Cu dan Biru Metilenaadalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada
perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari
karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian
akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2016
Nurul Afiati Aflakhah
NIM G451114051
RINGKASAN
NURUL AFIATI AFLAKHAH. Zeolit Sintesis Terfungsionalisasi
Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai Adsorben Logam Cu dan Biru
Metilena. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan CHARLENA.
Zeolit sintetis banyak digunakan dibandingkan dengan zeolit alam sebagai
adsorben, penukar kation, maupun katalis. Hal ini disebabkan karena zeolit
sintetis memiliki tingkat kemurnian yang lebih tinggi, serta keseragaman ukuran
pori bila dibandingkan dengan zeolit alam. Kaolin sebagai bahan baku pembuatan
zeolit sintetis telah umum digunakan, karena mengandung silika dan alumina
dengan rasio Si/Al yang mendekati zeolit sintetis tipe A. Metode yang umum
digunakan dalam sintesis zeolit berbahan dasar kaolin adalah metode hidrotermal.
Pada penelitian ini dilakukan sintesis zeolit dengan menggunakan metode
sol-gel.Hasil dari zeolit sintetis yang diperoleh kemudian dianalisis menggunakan
difraktometer sinar-X serta mikroskop pemindai elektron. Zeolit yang diperoleh
dari penelitian ini adalah zeolit Y, zeolit A serta sodalit. Modifikasi menggunakan
Merkapto Propil Trimetoksi Silana terhadap zeolit sintetis hanya berhasil
dilakukan pada sodalit serta serta zeolit A. Penggunaan HCl pada proses
modifikasi zeolit Y menggunakan Merkaptopropil Trimetoksi Silan, dapat
menghambat proses pembentukan kristal zeolit Y. Adanya proses modifikasi
terbukti dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi pada zeolit sintetis yaitu
sodalit dan zeolit A. Nilai adsorpsi terbaik didapatkan pada zeolit A termodifikasi
yaitu 30,11 mg/g. Nilai kuadrat terkecil zeolit sintetis secara keseluruhan
mengikuti pola isoterm Langmuir.
Kata kunci:adsorpsi, kaolin,merkaptopropil trimetoksi silana, sol-gel, zeolit.
SUMMARY
NURUL
AFIATI
AFLAKHAH.
FunctionalizedSyntheticZeolite
byMercaptopropyl Trimethoxy Silane asTheAdsorbenof CuandMethylene Blue.
Supervised by SRI SUGIARTIand CHARLENA.
Synthetic zeolite are more commonly used as adsorbent, ion exchange, and
catalyst than the natural zeolite, because the higher purity and uniform poresize in
synthethiczeolite. Kaolin isa commonly used raw material for synthesis of zeolite,
because their abundant and the low cost. This research employed sol-gel method
to produce synthetic zeolit from kaolin as a substrat. The resulting synthetic
zeolite were then characterized using X-ray Difractometry and Scanning Electron
Microscope.The commonly method in synthesis zeolite base on kaolin is
hodrothermal method.
The types of zeolite produced in this research were zeolite-A, zeolite-Y and
sodalite. The adsorption capacity of synthetic zeolite was tested using Cu(II) and
methylene blue. Functionalization of synthetic zeolite by mercaptopropyl
trimethoxysilane (MPTS)was only successfulfor sodalite and Zeolite- A.The use
of HCl in modification on zeolite-Y was found to be destructive toward the
structure, and prevented the crystallization of that zeolite. Functionalization of the
synthetic zeolite improved their adsorption capacity toward methylene blue, with
the highest value, 30.11 mg/g, exhibited by modified zeolite-A. The adsorption
isotherm of all the synthetic zeolite were consistent with the Langmuir curve.
Keyword:adsorption,kaolin, mercaptopropyl trimethoxysilane,sol-gel, zeolite.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
ZEOLIT SINTETIS TERFUNGSIONALISASIMERKAPTOPROPIL
TRIMETOKSI SILANA SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cu
DANBIRU METILENA
NURUL AFIATI AFLAKHAH
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji pada Ujian Tesis : DrEti Rohaeti, MSi
PRAKATA
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat ALLAH SWT karena
berkat rahmatNya penulis dapat menyelesaikan penulisan Tesis dengan judul
Zeolit Sintesis Terfungsionalisasi Merkaptopropil Trimetoksi Silanasebagai
Adsorben Logam Cu dan Biru Metilena.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Sri Sugiarti, Ph.D dan Ibu Dr.
Charlena, MS selaku komisi pembimbing yang telah dengan sabar memberikan
bimbingan, dan motivasi selama penulis melakukan penelitian dan penyusunan
tesis. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada rekan-rekan mahasiswa
pasca sarjana kimia serta seluruh pihak yang telah membantu kelancaran studi dan
terselesaikannya penelitian serta penyusunan tesis ini. Ungkapan terimakasih juga
disampaikan kepada kedua orang tua , suami, serta buah hati atas semua doa dan
kasihsayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Nurul Afiati Aflakhah
DAFTAR ISI
DAFTARTABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Rumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Hipotesis Penelitian
1
1
3
3
3
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Zeolit
Kaolin
Proses sol gel
Adsorpsi
3
3
5
6
6
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan dan Alat
Lingkup Kerja
Prosedur Penelitian
7
7
7
8
8
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil kalsinasi kaolin
Hasil pencirian zeolit AX2 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AX2 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AX2
Isoterm Adsorpsi zeolit AX2
Hasil pencirian zeolit AX4 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AX4 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AX4
Isoterm Adsorpsi zeolit AX4
Hasil pencirian zeolit AZ3 dengan XRD
Hasil pencirian zeolit AZ3 dengan SEM
Uji adsorpsi zeolit AZ3
Isoterm Adsorpsi zeolit AZ3
10
10
11
13
14
15
15
17
18
18
19
20
21
22
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
23
23
23
DAFTAR PUSTAKA
24
LAMPIRAN
26
RIWAYAT HIDUP
27
DAFTAR GAMBAR
1 Struktur Zeolit Tiga Dimensi
2 Struktur Kaolin
3 Difraktogram Metakaolin
4 Difraktogram Zeolit AX2
5 Difraktogram Zeolit AX2 termodifikasi
6 Hasil analisis SEM Zeolit AX2
7 Difraktogram Zeolit AX4
8 Difraktogram Zeolit AX4 termodifikasi
9 Hasil analisis SEM Zeolit AX4
10 Hasil analisis SEM zeolit AX4 termodifikasi
11 Difraktogram Zeolit AZ3
12 Difraktogram Zeolit AZ3 termodifikasi
13 Hasil analisis SEM Zeolit AZ3
14 Hasil analisis SEM zeolit AZ3 termodifikasi
4
5
11
12
13
13
16
16
17
17
20
20
21
21
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Rumus Oksida berbagai jenis zeolit sintetik
Perbandingan volume dalam sintesis Zeolit AX
Perbandingan volume sintesis Zeolit AZ
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AX2
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AX4
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit AX4
Nilai kapasitas adsorpsi zeolit AZ3
Nilai kuadrat terkecil isoterm adsorpsi zeolit AZ3
5
8
9
14
15
18
18
21
22
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan Alir Penelitian
2 Diagram alir pembuatan natrium aluminat
3 Diagram alir pembuatan zeolit
4 Diagram alir proses fungsionalisasi zeolit dengan MPTS
5 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 pada Cu
6 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 termodifikasi pada Cu
7 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 pada biru metilena
8 Kapasitas adsorpsi zeolit AX2 temodifikasi pada biru metilena
9 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 pada Cu
10 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 termodifikasi pada Cu
11 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 pada biru metilena
12 Kapasitas adsorpsi zeolit AX4 termodifikasi pada biru metilena
13 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 pada Cu
14 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 termodifikasi pada Cu
26
28
28
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
DAFTAR LAMPIRAN (lanjutan)
15 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 pada biru metilena
16 Kapasitas adsorpsi zeolit AZ3 termodifikasi pada biru metilena
41
42
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat merupakan bahan pencemar paling berbahaya,meskipun
jumlahnya sedikit namun memiliki tingkat toksisitas yang tinggi. Hal ini
disebabkan logam berat tidak dapat dibiodegradasi dan dapat terakumulasi dalam
jaringan mahluk hidup. Pencemaran logam berat akan cenderung meningkat
sejalan dengan meningkatnya eksploitasi berbagai sumber alam dan berbagai
kegiatan industri yang mengandung logam berat.
Beberapa contoh logam yang dapat mencemari lingkungan adalah tembaga
(Cu). Tembaga biasanya digunakan untuk bahan baku industri dan kegiatan
pertanian. Pada sektor industri tembaga digunakan untuk zat warna, industri
kimia, peleburan logam, dan penambangan. Logam Cu dalam jumlah yang sedikit
di butuhkan oleh tubuh, akan tetapi dalam jumlah yang berlebihan tidak mampu di
metabolisme oleh tubuh. Tembaga dapat memasuki udara terutama melalui proses
pembakaran bahan bakar fosil. Logam ini akan terus berada diudara hingga
mengendap ke tanah melalui hujan. Sebagian besar senyawa tembaga akan
menetap dan terikat di tanah atau terserap dalam sumber air yang dapat
menimbulkan ancaman kesehatan seperti kanker, hemolisis, dan lain-lain
(Surbakti. 2011).
Metode konvensional untuk menghilangkan ion logam berat terlarut
meliputi presipitasi kimia, oksidasi kimia, filtrasi, pertukaran ion dan lain-lain.
Namun proses-proses teknologi tersebut memiliki kelemahan, contohnya pada
proses presipitasi kimia limbah berupa logam berat dapat terpengaruh oleh pH
rendah. Pada proses pertukaran ion biaya relatif mahal,serta operasional yang
sulit. Beberapa kelemahan dari metode teknologi tersebut maka proses adsorpsi
dapat digunakan sebagai metode alternatif dalam menghilangkan ion logam berat.
Adsorpsi merupakan suatu proses yang efisien dan memiliki aplikasi luas dalam
pengurangan ion logam dari air limbah. Proses ini membutuhkan adsorben yang
tepat sebagai faktor penentunya. Salah satu jenis adsorben yang sering digunakan
dalam adsorpsi logam berat adalah zeolit.
Jenis pencemar lain yang merupakan hasil samping dari proses industri
adalah zat warna Biru Metilena. Biru Metilena banyak digunakan dalam proses
industri kertas dan merupakan senyawa non-biodegradable, yang mengandung
senyawa azo dan bersifat karsinogenik. Zat warna Biru metilena merupakan
senyawa organik yang tidak jenuh yang berasal dari senyawa aromatik, didalam
air akan bermuatan positif sehingga umumnya disebut zat warna bersifat basa.
Kontaminasi air yang disebabkan oleh Biru metilena akan menyebabkan
terhambatnya proses masuknya sinar matahari ke lingkungan. Untuk
meminimalisasi efek tersebut maka dapat dilakukan suatu proses adsorpsi dengan
menggunakan adsorben yaitu zeolit.
Zeolit merupakan suatu mineral yang terdiri atas kristal alumina silikat
terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga
dimensi. Ion-ion alkali tersebut dapat diganti oleh kation lain tanpa merusak
struktur zeolit. Pemanfaatan zeolit umumnya berdasar pada porositas
tinggi,muatan di permukaan, keberadaan kation-kation tukar, serta jumlahnya
2
yang melimpah dialam. Zeolit terbagi atas dua yaitu zeolit alam dan zeolit
sintetik.
Untuk kepentingan komersial zeolit sintetis lebih sering digunakan
dibandingkan dengan zeolit alam, hal ini dikarenakan zeolit sintetis memiliki
keseragaman ukuran partikel dan tingkat kemurnian yang tinggi. Keuntungan
lainnya adalah bahwa zeolit sintetis dapat dibuat struktur zeolit yang diinginkan
yang tidak terdapat pada zeolit alam. Saat ini permasalahan yang terjadi pada
penelitian tentang zeolit sintetis adalah tentang ketersediaan sumber silika dan
alumina serta biaya yang diperlukan untuk mencari bahan dasar yang bernilai
ekonomis dan mudah didapatkan.
Kaolin merupakan salah satu tipe lempung yang di dalamnya tersusun atas
mineral kaolinit yang penggunaannya sangat luas untuk aspek industri.
Berdasarkan pada kemurnian serta komposisi mineralnya maka kaolin dapat
digunakan sebagai bahan baku pembuatan zeolit. Beberapa penelitian tentang
zeolit sintetis menggunakan mineral alam serta aplikasinya telah banyak
dilakukan. Atta et al. 2007 mempelajari pembuatan zeolit X dengan bahan dasar
kaolin yang berasal dari Kankara. Georgiev et al. 2009 melakukan ulasan tentang
berbagai cara pembuatan zeolit, struktur serta klasifikasinya. Dalam ulasannya
dikatakan bahwa terdapat perkembangan beberapa cara yang dapat digunakan
untuk membuat zeolit, dan juga cara memodifikasi zeolit. Trivana. 2012 telah
melakukan sintesis zeolit X dan nanokomposit zeolit/TiO2 dari kaolin. Untuk
menambah nilai rasio Si dari zeolit, Trivana menggunakan sekam padi sebagai
sumber silika lainnya. Penggunaaan natrium silika sebagai sumber silika didasari
untuk meningkatkan nilai rasio Si pada zeolit yang akan disintesis.
Proses sintesis zeolit berbahan dasar kaolin dapat dilakukan menggunakan
metode sol gel. Radityo. 2012 telah melakukan sintesis zeolit ZSM-5 melalui
proses sol gel, yang kemudian dimanfaatkan sebagai katalis. Metode ini
digunakan karena kemampuannya dalam mengontrol tekstural dan sifat-sifat dari
campuran oksida. Keuntungan lain dari proses sol gel, adalah materi yang
terbentuk memiliki homogenitas dan kemurnian yang tinggi, serta kondisi sintesis
dapat divariasikan.
Pada struktur permukaan kaolin terdapat beberapa gugus silanol, yang
keberadaannya serta konsentrasinya berperan pada proses penentuan kapasitas
adsorpsi dan dalam mekanisme pelepasan adsorbat. Salah satu cara untuk
meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi zeolit sintetis dari kaolin adalah dengan
melakukan modifikasi pada permukaan. Cara ini dilakukan dengan mereaksikan
gugus silanol pada permukaan menggunakan suatu pereaksi organosilan yaitu
Merkapto Propil Trimetoksi Silana (MPTS). Pereaksi organosilan memiliki
struktur secara umum R-SiX3, dengan R merupakan gugus fungsional organik
yang terikat pada silika dalam keadaan hidrolitik yang stabil. X dapat berupa
gugus alkoksi yang dapat dihidrolisis ( seperti –OCH3 (metoksi), atau –OC2H5
(etoksi). Gugus tersebut kemudian dapat diubah menjadi gugus silanol melalui
reaksi hidrolisis. Dan R merupakan gugus fungsional organik yang bersifat
reaktif, seperti –NH2 (amina), -SH (merkapto) atau dapat terdiri dari beberapa
gugus kimia fungsional.
Marjanovic et al. 2011 telah melakukan modifikasi mineral sepiolit
terfungsionalisasi Merkapto Propil Trimetoksi Silan (MPTS). Struktur mineral
dari sepiolit tersebut hampir sama penyusunnya seperti pada kaolin, terdiri atas
3
silika dan alumina. Dari penelitiannya diperoleh dengan adanya modifikasi pada
permukaan sepiolit dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsinya terhadap
logam Cr(VI), dibandingkan sepiolit tanpa proses modifikasi.Karena
pertimbangan tersebut maka akan dilakukan penelitian sintesis zeolit dengan
menggunakan metode sol gel, dan dilakukan peningkatan nilai Si dengan
penambahan sumber silikat.
Perumusan Masalah
Permasalahan dalam penelitian ini berdasarkan uraian diatas adalah belum
adanya metode sintesis zeolit untuk menghasilkan nilai rasio Si/Al yang
diinginkan. Hal lainnya adalah belum adanya penelitian tentang modifikasi zeolit
melalui metode sol gel, untuk meningkatkan kapasitas adsorpsi zeolit sintetis
sebagai suatu adsorben.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis zeolit dari kaolin serta
memodifikasinya menggunakan MPTS, melakukan pencirian zeolit sintetis dan
zeolit sintetis termodifikasi menggunakan XRD dan SEM, dan uji adsorpsi dari
kedua zeolit tersebut terhadap logam Cu (II) dan Biru Metilena.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan memberikan informasi tentang cara sintesis
zeolit tertentu melalui penambahan sumber silika lain menggunakan metode sol
gel, dan cara meningkatkan kapasitas adsorpsi zeolit sintetis sebagai adsorben
dengan proses fungsionalisasi.
Hipotesis
Sintesis zeolit dari kaolin serta modifikasinya menggunakan MPTS dapat
dilakukan menggunakan metode sol gel, sehingga dapat meningkatkan nilai
kapasitas adsorpsinya terhadap logam Cu (II), dan Biru Metilena.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Zeolit
Zeolit merupakan senyawa alam yang banyak terdapat di wilayah Indonesia,
serta memiliki banyak kegunaan. Zeolit merupakan kristal alumina silika
tetrahidrat berpori yang memiliki struktur kerangka tiga dimensi, yang terdiri atas
gugusan alumina serta silika oksida dan saling dihubungkan oleh atom-atom
oksigen. Kerangka tiga dimensi zeolit yang terbuka mengandung kanal-kanal dan
rongga-rongga didalamnya terisi oleh ion-ion logam, biasanya logam-logam alkali
atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas (Yuanita. 2010).
4
Zeolit terbagi atas dua yaitu zeolit alam dan zeolit sintetik. Bentuk tiga dimensi
dari zeolit dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 1 Struktur Zeolit tiga dimensi
Zeolit alam pada umumnya terbentuk karena ada proses kimia dan fisika
yang kompleks dari batu-batuan yang mengalami berbagai macam perubahan
dialam. Zeolit alam adalah zeolit yang ditambang langsung dari alam. Dengan
demikian harganya jauh lebih murah daripada zeolit sintesis. Zeolit alam
merupakan mineral yang jumlahnya banyak tetapi distribusinya tidak merata.
Zeolit alam ditemukan dalam bentuk mineral dengan komposisi yang
berbeda, terutama dalam nisbah Si/Al dan jenis logam yang menjadi komponen
minor. Beberapa contoh jenis zeolit alam yang ditemukan adalah klinoptilolit
(Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O,
modernit
Na8(Al8Si40O96).24H2O,
analsim
Na16(Al16Si32O96).16H2O dan lain-lain (Auerbach etal. 2012). Zeolit alam
memiliki beberapa kelemahan, diantaranya banyak mengandung pengotor seperti
Na, Ca, Mg, K, dan Fe serta sifat kristalinitasnya yang kurang baik. Keberadaan
pengotor tersebut dapat mengurangi aktivitas dari zeolit. Untuk dapat
memperbaiki karakter zeolit alam sehingga dapat digunakan sebagai adsorben,
katalis, atau aplikasi lainnya biasanya dilakukan aktivasi dan modifikasi terlebih
dahulu. Selain untuk dapat menghilangkan pengotor-pengotor yang terdapat pada
zeolit alam , proses aktivasi zeolit juga bertujuan untuk memodifikasi sifat-sifat
yang dimilikinya,seperti luas permukaan dan keasaman. Salah satu kelebihan
zeolit alam adalah memiliki luas permukaan dan keasaman yang mudah
dimodifikasi. Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan baik secara fisika maupun
kimia. Aktivasi secara fisika dilakukan melalui pengecilan ukuran
butir,pengayakan, dan pemanasan pada suhu tinggi, yang bertujuan untuk
menghilangkan pengotor-pengotor organik, memperbesar pori, dan memperluas
permukaan. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui pengasaman, yang
bertujuan untuk menghilangkan pengotor anorganik (Yuanita. 2010). Rasio Si/Al
yang terdapat pada zeolit alam bergantung kepada jenis mineral alam penghasil
zeolit tersebut. Akan tetapi pada zeolit sintetis nilai rasio Si/Al dapat diatur
berdasarkan proses sintesis yang dilakukan.
Zeolit sintetik adalah zeolit yang dibuat melalui suatu rekayasa sedemikian
rupa sehingga diperoleh karakter yang lebih baik dari zeolit alam. Prinsip dasar
dari zeolit sintetik komponen utamanya adalah alumina dan silika, sehingga dapat
disintesis dari bahan baku yang mengandung kedua komponen tersebut.
Komponen minor dalam zeolit dapat pula ditambahkan dengan mudah
menggunakan senyawa murni,sehingga zeolit sintetik memiliki komposisi yang
tetap dengan tingkat kemurnian yang tinggi (Georgiev et al. 2009). Seiring
5
berkembangnya penelitian maka dikenal berbagai zeolit sintetik dan disajikan
dalam Tabel 1.
Tabel 1 Rumus Oksida berbagai jenis zeolit sintetik (Georgiev et al. 2009)
Zeolit
Rumus Oksida
Zeolit A
Na2O.Al2O3.2SiO2.4,5H2O
Zeolit N-A
(Na,TMA)2O.Al2O3.4,8SiO2.7H2O TMA
(CH3)4N+
Zeolit H
K2O.Al2O3.2SiO2.4 H2O
Zeolit L
(K2Na2)O. Al2O3.6SiO2.5H2O
Zeolit X
Na2O.Al2O3.2,5SiO2.6H2O
Zeolit Y
Na2O.Al2O3.4.8SiO2.8,9H2O
Zeolit P
Na2O.Al2O3.2-5SiO2.5H2O
Zeolit O
(Na2,K2,TMA2)O. Al2O3.7SiO2.3,5H2O;TMA
(CH3)4N+
Zeolit Ω
(Na,TMA)2O. Al2O3.7SiO2.5H2O;TMA
(CH3)4N+
Zeolit ZK-4 0,85Na2O.0,15(TMA)2O. Al2O3.3,3SiO2.6H2O
Zeolit ZK- 5 (R,Na2)O. Al2O3.4-6SiO2.6H2O
Dewasa ini zeolit sintetik terus dikembangkan, dengan dua fokus utama yaitu
bahan baku dan metode.
Kaolin
Kaolinit adalah komponen utama dari kaolin. Proses pembentukan kaolin
disebut kaolinisasi.Kaolin merupakan suatu jenis tanah liat berwarna putih, biasa
digunakan dalam pembuatan kertas,cat,karet dan berbagai macam produk lainnya.
Bentuk alami kaolin adalah serbuk halus yang berwarna putih.Struktur kaolin
terdiri atas lapisan silika tetrahedral yang berseling dengan lapisan alumina
oktahedral, yang membentuk lapisan mineral lempung dengan perbandingan 1:1
seperti ditunjukkan pada gambar 1. Pengulangan lapisan 1:1 dihubungkan satu
dan lainnya dengan adanya ikatan hidrogen. Kaolin bila dilihat dengan
menggunakan mikroskop elektron terlihat
terdiri atas permukaan yang
heksagonal, dengan ukuran kristal tipis berkisar antara 0,1 µm-10 µm atau lebih
besar. Dialam kaolin dapat ditemukan dalam jumlah yang bervariasi dari berbagai
mineral seperti muskovit, quartz dan anatase (Johnson. 2014). Struktur dari kaolin
dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Struktur Kaolin ( Johnson et al. 2014)
6
Kaolin merupakan salah satu zat dengan kandungan silika dan alumina yang
tinggi, sehingga dapat digunakan sebagai dasar pembuatan zeolit. Proses sintesis
zeolit berbahan dasar kaolin pada tahapan awal melibatkan proses kalsinasi pada
rentang suhu 700-1000 °C, sehingga dapat diperoleh suatu metakaolin melalui
proses dehidroksilasi. Reaksi dari proseses metakaolinisasi adalah sebagai berikut
:
Kaolinit
Metakaolin
550 °C
Si2Al2O5(OH)4
Al2O3.2SiO2 + 2H2O
∆
Proses Sol-Gel
Proses sol-gel merupakan suatu teknik kimia basah untuk pembuatan
suatubahan dengan materi awal berupa larutan kimia atau partikel-partikel
koloidyang kemudian dapat menghasilkan suatu kesatuan disebut gel. Proses ini
biasanya memungkinkan sintesis padatan pada temperatur ruang, yang diawali
dengan terbentuknya larutan sol dan diikuti pembentukan gel dengan proses
pemanasan sehingga menghasilkan padatan. Pada proses ini prekursor yang bisa
digunakan adalah alkoksida logam dan klorida logam yang dapat mengalami
reaksi hidrolisis dan polikondensasi membentuk koloid. Secara umum proses solgel dapat dibagi menjadi beberapa tahap meliputi pembentukan larutan,
pembentukan gel, penuaan (aging), pengeringan dan pemadatan (Brinker dan
scherer. 1990).Pada proses sol-gel dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti
konsentrasi dan tipe prekursor yang digunakan, bentuk geometri, ukuran bejana
serta proses pengadukkan. Pembentukkan gel dari sol dapat berlangsung dalam
hitungan detik atau beberapa hari. Proses sol-gel memiliki beberapa keuntungan
diantaranya materi yang terbentuk memiliki homogenitas dan tingkat kemurnian
yang tinggi, dapat dilakukan pengaturan pembentukkan struktur, dan variasi
kondisi sintesis. Proses sol gel meliputi reaksi hidrolisis dan kondensasi yang
berlangsung lebih dominan dibandingkan tahapan yang lain.
Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses yang terjadi ketika fasa gas atau cairan terlarut
terakumulasi pada permukaan adsorbat membentuk suatu lapisan molekul atau
atom-atom. Menurut Oscik (1982) adsorpsi adalah fenomena yang terjadi pada
permukaan akibat adanya gaya-gaya yang tidak seimbang pada batas antar muka,
sehingga menyebabkan perubahan jumlah molekul, atom atau ion. Adsorpsi dapat
dibedakan mejadi dua jenis yaitu adsorpsi kimia (chemisorption) dan adsorpsi
fisika (physisorption).
Proses adsorpsi fisika molekul-molekul teradsorpsi dengan ikatan yang
lemah pada permukaan adsorben, proses adsorpsi ini dapat balik sehingga
memungkinkan terjadinya desorpsi pada temperatur yang sama. Energi yang
menyertai proses adsorpsi fisika 0-20 kJ/mol (Jaycock etal. 1981). Adsorpsi fisika
umumnya terjadi pada temperatur rendah, dan jumlah zat yang teradsorpsi akan
semakin kecil dengan naiknya temperatur.Jumlah zat yang teradsorpsi dapat
mencapai beberapa lapis (multilayer). Waktu kesetimbangan tercapai segera
7
setelah adsorbat bersentuhan dengan adsorben, hal ini disebabkan karena adsorpsi
fisika tidak melibatkan energi aktivasi.
Adsorpsi kimia melibatkan proses kimia pada zat yang teradsorpsi oleh
adsorben, yaitu terjadi penurunan dan pembentukan ikatan sehingga sifat-sifat
yang dimiliki adsorben dan adsorbat akan berubah. Energi yang diperlukan dalam
proses adsorpsi kimia relatif tinggi sekitar 400 kJ/mol (Jaycock etal. 1981).
Jumlah zat yang teradsorpsi hanya mencapai satu lapis (monolayer), dan biasa
terjadi pada temperatur rendah dan tekanan yang tinggi dibandingkan dengan
adsorpsi fisika. Adsorpsi kimia bersifat tidak dapat balik dan memerlukan energi
yang tinggi untuk melepaskan adsorbat dari permukaan adsorben.
Isoterm adsorpsi Langmuir merupakan model adsorpsi yang sering
digunakandalam pengolahan data. Isoterm ini digunakan untuk menunjukkan
hubungan antara aktivitas adsorben dan jumlah zat teradsorpsi pada temperatur
konstan. Langmuirmenyatakan bahwa pada permukaan adsorben terdapat
sejumlah tertentu situsaktif yang sebanding dengan luas permukaannya. Menurut
Shaw. 1983isotermadsorpsi Langmuir hanya dapat diterapkan jika ada asumsi
bahwa adsorpsi hanyaberlangsung satu lapis (monolayer), adsorpsi terlokalisasi,
dan panas adsorpsi tidak tergantung pada lapisan permukaan.Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut :
qe = qmbCe
1 + bCe
Dengan qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per unit bobot adsorben
pada kesetimbangan (mg/g), qm kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g), Ce
konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan(mg/L), b konstanta yang
berhubungan dengan energi bebas adsorpsi(L/mg). Harga energi adsorpsi
dapatditentukan melalui persamaan :
E = -ΔG ° = RT ln K
Dengan R = 8,314 J/mol K, K = konstanta kesetimbangan dan T = 300 K
3 METODE
Tempat dan waktu penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2014 sampai Juni 2015 di
Laboratorium SMK Farmasi dan Laboratorium Akademi Kimia Analisis Bogor.
Bahan dan Alat
Kaolin Bangka Belitung, natrium silikat dengan kandungan Na2O 7.58.5%. SiO2 25.5-28.7% (Merck),HCl 37%,3-merkaptopropil-trimetoksisilana
(Merck),NaOH, Al(OH)3, larutan ion logam Cu(II)CuSO4.2H2O (Merck), biru
metilena (Merck) dan akuades.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah. peralatan gelas.
peralatan plastik. Scanning Electron Microscope (SEM) (Carl-Zeiz Bruker EVO
MA10),X-Ray Difraction(XRD) (d4 Bruker), Spektometer sinar tampak dan
Spektrometer Serapan Atom.
8
Lingkup Kerja
Penelitian ini terdiri dari beberapa tahap, yaitu preparasi metakaolin,
sintesis natrium aluminat, sintesis zeolit, fungsionalisasi zeolit sintetis dengan
MPTS, dan adsorpsi logam Cu(II) serta biru metilena terhadap zeolit sintetis dan
zeolit sintetis terfungsionalisasi MPTS.
Prosedur Penelitian
Preparasi Metakaolin (Trivana. 2013)
Kaolin dianalisis berasal dari Provinsi Bangka Belitung. Preparasi
metakaolin dimulai dengan memanaskan kaolin Bangka Belitung pada suhu 900
°C selama 6 jam, sehingga akan diperoleh suatu metakaolin. Proses persiapan
selanjutnya adalah melakukan sintesis natrium silikat dengan menggunakan kaolin
yang telah dikalsinasi.
Pembuatan Larutan Natrium Aluminat (Kovo.2009)
Sebanyak 30.50 gram NaOH dilarutkan dalam 100 mL akuades kemudian
dipanaskan hingga larut. Larutan tersebut ditambahkan 21.65 gram Al(OH)3
diaduk dan diencerkan sampai dengan volumenya 250 mL.
Proses sintesis zeolit
Proses sintesis zeolit dilakukan menggunakan metode sol gel. Sintesis zeolit
dilakukan dengan menggunakan bahan baku yang berbeda, yaitu melalui
penambahan sumber silika dan tanpa penambahan sumber silika.
Sintesis sampel AX
Proses sintesis zeolit dilakukan dengan menambahkan sejumlah tertentu
natrium silikat yang dibuat dari metakaolin dengan penambahan sumber natrium
silikat. Setiap campuran tersebut kemudian diaduk selama 2 jam sehingga akan
terbentuk gel berwarna putih. Kemudian dilakukan sintesis pada temperatur 80°C
selama 8 jam. Hasil sintesis dicuci dengan akuades sampai pH netral. kemudian
dikeringkan dioven pada suhu 120°C selama 3 jam (Kovo. 2011). Hasil yang
diperoleh kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD, dan SEM. Nilai
perbandingan volume pencampuran kedua natrium silikat dapat dilihat pada Tabel
2.
Tabel 2 Perbandingan volume dalam sintesis zeolit AX
Sampel
Sampel AX1
Sampel AX2
Sampel AX3
Sampel AX4
Volume larutan (ml)
Kaolin
Na2SiO3 (Merck)
40
50
60
90
60
50
40
10
9
Sintesis sampel AZ
Proses sintesis zeolit AZ dilakukan dengan menambahkan sejumlah
tertentu metakaolin dengan penambahan natrium aluminat. Setiap campuran
tersebut kemudian diaduk selama 2 jam sehingga akan terbentuk gel berwarna
putih. Kemudian dilakukan sintesis pada temperatur 80°C selama 8 jam. Hasil
sintesis dicuci dengan akuades sampai pH netral, kemudian dikeringkan dioven
pada suhu 120°C selama 3 jam (Kovo. 2011). Hasil yang diperoleh kemudian
dikarakterisasi menggunakan XRD, dan SEM. Nilai perbandingan volume
pencampuran kedua larutan dapat dilihat pada Tabel 3.
Tabel 3 Perbandingan volume sintesis zeolit AZ
Sampel
Sampel AZ1
Sampel AZ2
Sampel AZ3
Volume larutan (ml)
Kaolin
Na-Aluminat
40
60
50
50
60
40
Fungsionalisasi zeolit dengan MPTS (Nuryono.2011)
Fungsionalisasi zeolit dengan MPTS dilakukan dengan cara menambahkan
2 mL MPTS kedalam proses sintesis zeolit AX serta AZ. Kemudian ditambahkan
HCl 3M tetes demi tetes sambil diaduk dengan pengaduk magnet sehingga
diperoleh gel sampai dengan pH 7. Gel yang diperoleh didiamkan semalam,
kemudian dicuci dengan akuades hingga pH netral, dan dikeringkan didalam oven
selama 2 jam pada suhu 100°C.
Adsorpsi Cu(II)
Sebanyak 100 mg zeolit sintetis ditempatkan dalam wadah plastik. Adsorpsi
dilakukan dengan sistem batch dengan cara menambahkan larutan Cu(II) dengan
variasi konsentrasi 10, 20, 30, 40, 50 mg/L. dengan volume masing-masing
sebanyak 50 ml. Campuran adsorben dan larutan logam diaduk dengan pengaduk
magnet selama 1 jam. Selanjutnya larutan disentrifuse dengan kecepatan 2000
rpm untuk memisahkan supernatan dan adsorben. Masing-masing supernatan
dianalisis menggunakan spektrometer serapan atom (AAS) untuk menentukan
jumlah ion logam yang teradsorpsi. Hal yang sama dilakukan pula zeolit yang
termodifikasi MPTS.
Adsorpsi Biru Metilena (Trivana.2013)
Larutan Biru Metilena dibuat dengan berbagai variasi konsentrasi 10, 20, 25
dan 30 mg/L. Sebanyak 0.05 gram zeolit kemudian ditambahkan larutan biru
metilena sebanyak 15 mL dari setiap konsentrasi dalam tabung reaksi yang
berbeda, kemudian dikocok selama 2 jam. Setelah itu campuran dipisahkan
dengan sentrifugasi selama 20 menit dengan kecepatan 3500 rpm untuk
memisahkan endapan.Filtrat kemudian diukur absorbannya dengan menggunakan
spektrofotometer UV-tampak pada panjang gelombang 664.5 nm. Kapasitas
adsorpsi dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
10
Q = V[Co-Ca]
m
Keterangan :
Q = kapasitas adsorpsi (mg/g)
V= volume larutan (mL)
Co= konsentrasi awal (ppm)
Ca= konsentrasi akhir (ppm)
m = massa adsorben (gram)
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Kalsinasi Kaolin
Kaolin digunakan sebagai bahan baku untuk pembentukan kerangka zeolit.
karena komponen utamanya merupakan silika dan alumina. Kaolin yang akan
digunakan terlebih dahulu dikalsinasi pada suhu 900 ˚C selama 6 jam. Proses
kalsinasi atau pemanasan dapat menguapkan H2O sehingga terjadi pelepasan
ikatan –OH pada kaolinit. Peristiwa ini mengakibatkan kaolin yang berbentuk
kristalin menjadi lebih amorf.
Proses kalsinasi bertujuan untuk menghasilkan fase metakaolin, disertai
dengan adanya transformasi kaolin. Fase metakaolin akan terbentuk alumina
amorf dan silika amorf. Pada proses ini terjadi perubahan dari kaolin menjadi
metakaolin, dengan hilangnya gugus-OH sehingga dapat meningkatkan nilai
reaktivitas dari kaolin pada fasa metastabil sehingga dapat diubah menjadi bentuk
zeolit. Reaksi kaolin menjadi metakaolin adalah sebagai berikut :
550 °C
Kaolinit
Si2Al2O5(OH)4
Metakaolin
Al2O3.2SiO2 + 2H2O
Metakaolin hasil kalsinasi dianalisis dengan menggunakan XRD, seperti
ditunjukkan pada Gambar 3.Hasil XRD kaolin menjadi metakaolin menunjukkan
adanya puncak yang landai. Terbentuknya kaolin dapat didentifikasi pada
perubahan sudut 2θ 15˚-37˚. Hal ini menjelaskan metakaolin yang diperoleh
berbentuk amorf. Proses kalsinasi meruntuhkan struktur lembaran oktahedral
pada kaolin, sehingga pada metakaolin yang terbentuk hanya terdapat struktur
tetrahedral yang dapat digunakan sebagai kerangka pembangun zeolit sintetis.
Metakaolin yang diperoleh kemudian digunakan untuk membuat larutan natrium
silikat.
intensitas
11
Gambar 3 Difraktrogram Metakaolin
Zeolit Sampel AX
Pada sintesis zeolit sampel AX digunakan natrium silikat yang telah dibuat
dari metakaolin dan dicampurkan pada proses sol-gel dengan beberapa variasi
volume. Dari beberapa perbandingan volume yang tertera pada Tabel 2, sintesis
zeolit hanya dapat terjadi pada sampel AX2 dan AX4. Proses sintesis zeolit
dengan menambahkan Na2SiO3 bertujuan untuk menambahkan sumber silika lain
sehingga dapat meningkatkan nilai rasio Si pada zeolit yang akan disintesis. Zeolit
Sampel AX2 dan AX4 yang terbentuk kemudian dimodifikasi dengan
menggunakan MPTS. Fungsionalisasi pada zeolit sintetis ini bertujuan untuk
dapat meningkatkan nilai kapasitas adsorpsi dari zeolit tersebut.
Hasil Pencirian Zeolit AX2 dan AX2 termodifikasi dengan XRD
Pencirian Zeolit AX2 dengan teknik difraksi sinar-X pada kondisi : atom
target Cu, panjang gelombang 1.540598 Å, dan rentang sudut 8-65˚. Difraksi
sinar-X digunakan untuk mengidentifikasi jenis mineral zeolit. Puncak difraksi
yang didapatkan. selanjutnya dicocokkan dengan puncakstandar difraksi sinar-X.
yaitu JCPDS (PDF 38-0240) (Joint Commited on Powder Difraction Standards)
dan dari beberapa jurnal hasil penelitianliteratur. . Hasil XRD sampel AX2
ditampilkan pada Gambar 4.Hasil XRD sampel AX2 memberikan nilai puncak
serapan pada daerah 2θ 26.7˚, 27.53˚, 30.61˚ dan 31.26˚. Zeolit yang terbentuk
merupakan zeolit Ydengan rumus molekul Na2O.Al2O3.4,8SiO2.8.9H2O
(Georgiev. 2009). Kerangka kerja Zeolit Y memiliki kemiripan seperti faujasit
alam yang kaya silikon (Weitkamp and Puppe. 1999). Jika dibandingkan dengan
zeolit A, rasio Si/Al yang dimiliki zeolit Y antara 1.5-3. Hal ini menunjukan zeolit
yang yangdihasilkan tergolong rendah (