Adsorpsi Logam Berat Cu, Pb dan Cd Pada Zeolit Sintetik ZSM 5 yang Disintesis dengan Suhu Rendah

ADSORPSI LOGAM BERAT
Cu, Pb DAN Cd PADA ZEOLIT SINTETIK ZSM-5 YANG
DISINTESIS DENGAN SUHU RENDAH

PRIYADI

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Adsorpsi Logam Berat
Cu, Pb dan Cd Pada Zeolit Sintetik ZSM-5 yang Disintesis dengan Suhu Rendah
adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum
diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. 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, Mei 2015

Priyadi
NRP A152120011

RINGKASAN
PRIYADI. Adsorpsi Logam Berat Cu, Pb dan Cd Pada Zeolit Sintetik ZSM-5
yang Disintesis dengan Suhu Rendah. Dibimbing oleh ISKANDAR, SUWARDI
dan RINO R. MUKTI.

Zeolit alam merupakan mineral yang banyak digunakan sebagai bahan
pengadsorpsi logam-logam berat. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa zeolit
alam memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih rendah dibandingkan zeolit
sintetik. Dalam bidang industri, zeolit sintetik ZSM-5 lebih banyak digunakan
sebagai katalis dan pereaksi de-waxing dalam proses-proses seperti konversi
metanol menjadi gasoline dan olefin, hydrocracking, alkilasi benzene, reduksi
NOx dan oksidasi parsial metana. Penggunaannya sebagai bahan pengadsorpsi
logam berat masih jarang dilakukan, padahal ZSM-5 sangat berpotensi untuk
digunakan sebagai adsorben. Penelitian ini dilakukan untuk mempelajari sintesis

dan karakteristik zeolit ZSM-5 serta mempelajari kapasitas adsorpsi zeolit ZSM-5
terhadap logam berat Cu, Pb dan Cd.
Proses pembuatan zeolit sintetik dilakukan dengan metode hidrotermal
dengan suhu rendah. ZSM-5 disintesis dari empat prekursor utama; silika,
aluminium, NaOH dan template organik. Campuran reaksi disiapkan dengan
komposisi molar: 0.07 Na2O: 1 SiO2: 0.005 Al2O3: 0.086 TPABr: 11.69 H2O.
Campuran diaduk menggunakan pengaduk magnetik dengan kecepatan 600 rpm
selama kurang lebih 1 jam. Setelah larutan tersebut homogen, botol polypropylene
berisi larutan tersebut dimasukkan ke dalam oven pada suhu 90 oC selama kurang
lebih 96 jam. Karakterisasi zeolit ZSM-5 meliputi beberapa variabel yaitu struktur
kristal, morfologi, luas permukaan spesifik, volume total pori, luas permukaan
luar, luas mikropori, volume mikropori dan volume mesopori. Percobaan
kapasitas adsorpsi zeolit ZSM-5 dilakukan menggunakan sistem batch dengan
logam berat Cu2+, Pb2+ dan Cd2+ pada konsentrasi 50, 100, 150, 200, 250 ppm dan
waktu kontak 30, 60, 90, 120 dan 250 menit. Interpretasi data adsorpsi dilakukan
dengan menggunakan model adsorpsi isoterm Langmuir dan Freundlich.
Hasil menunjukkan bahwa zeolit sintetik memiliki struktur kristal dengan
puncak-puncak khas ZSM-5 yaitu pada β θ = 7.9364o, 7.9569o, 23.9541o dan
23.9746o, morfologi bentuk kristal bulat dan berpori, serta memiliki luas
permukaan spesifik sebesar 213.82 m2 g-1, luas permukaan luar 63.53 m2 g-1, luas

mikropori 150.29 m2 g-1, volume total pori sebesar 0.22 cc g-1, volume mikropori
0.07 m2 g-1 dan volume mesopori 0.15 m2 g-1. Hasil analisis kapasitas adsorpsi
ZSM-5 terhadap logam berat masing-masing Pb2+ 76.64 mg g-1, Cu2+ 76.1γ mg g-1
dan Cd2+ 62.74 mg g-1. Hal ini menunjukkan bahwa zeolit sintetik ZSM-5
memiliki potensi untuk mengadsorpsi logam berat. Hasil penelitian juga
menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi dipengaruhi oleh ukuran pori, jumlah
muatan negatif zeolit, diameter hidrasi dan elektronegativitas dari ion logam berat.
Kata kunci: Adsorpsi, Logam Berat, Zeolit Sintetik, ZSM-5.

SUMMARY
PRIYADI. Adsorption of Heavy Metals Cu, Pb and Cd on Synthetic Zeolite ZSM5 Synthesized at Low Temperature. Supervised by ISKANDAR, SUWARDI and
RINO R. MUKTI.
Natural zeolite is widely used as heavy metals absorbent. Some previous
study showed that the natural zeolite has lower adsorption capacity than the
synthetic zeolite. In the field of industry, synthetic zeolite ZSM-5 is used as
catalysts and de-waxing reagent in chemical process such as conversion of
methanol into gasoline and olefins, hydrocracking, alkylation of benzene, NOx
reduction and partial oxidation of methane. The use of ZSM-5 as heavy metal
absorbent is rarely done; whereas, ZSM-5 is potential to be used as absorbent. The
objectives of this study were to synthesize and to characterize zeolite ZSM-5 as

well as it’s adsorption capacity for heavy metals Cu, Pb and Cd.
The synthesis of ZSM-5 using low-temperature hydrothermal method.
ZSM-5 was synthesized from the four main precursors; silica, aluminum, NaOH
and the organic template. The reaction mixture was prepared with the molar
composition: 0.07 Na2O: 1 SiO2: 0.005 Al2O3: 0.086 TPABr: 11.69 H2O. The
mixture were stirred on a magnetic stirrer at 600 rpm for about 1 hours. After
homogeneous solution, the propylene bottles were put into the oven at
temperature 90 oC for about 96 hours. Characterization of zeolite ZSM-5 included
some variables i.e. crystal structure, morphology, specific surface area, total pore
volume, external surface area, micropore area, micropore volume and mesoporous
volume. Experimental adsorption capacity of zeolite ZSM-5 was conducted using
a batch system with heavy metals Cu2+, Pb2+ and Cd2+ at concentrations of 50,
100, 150, 200, 250 ppm and contact times of 30, 60, 90, 120 and 250 minutes.
Interpretation adsorption data was calculated by using the model of Langmuir and
Freundlich isotherm.
The results showed that the synthetic zeolites have a crystalline structure
with distinctive peaks of ZSM-5 at β θ = 7.9γ64o, 7.9569o, 23.9541o and 23.9746o,
crystalline form spherical morphology and porous, and have a specific surface
area of 213.82 m2 g-1, the external surface area of 63.53 m2 g-1, micropore area
150.29 m2 g-1, total pore volume of 0.22 cc g-1, the volume of micropores 0.07 m2

g-1 and the volume of mesoporous 0.15 m2 g-1. The analysis of adsorption capacity
of ZSM-5 against heavy metals was Pb2+ 76.64 mg g-1, Cu2+ 76.1γ mg g-1 and
Cd2+ 62.74 mg g-1respectively. These indicated that synthetic zeolite ZSM-5 had
potential to adsorb heavy metals. The result also suggested that the adsorption
capacity was affected by the pore size, amount of negative charge, diameter of
hydrated and electronegativity of heavy metals ion.
Keywords: adsorption, heavy metals, synthetic zeolite, ZSM-5.

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015
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

ADSORPSI LOGAM BERAT
Cu, Pb DAN Cd PADA ZEOLIT SINTETIK ZSM-5 DISINTESIS

DENGAN SUHU RENDAH

PRIYADI

Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Agroteknologi Tanah

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis

: Dr Ir Untung Sudadi, MSc.

Judul Tesis

Nama
NRP

: Adsorpsi Logam Berat Cu, Pb dan Cd Pada Zeolit
Sintetik ZSM-5 yang Disintesis dengan Suhu Rendah
: Priyadi
: A152120011
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing

Dr Iskandar
Ketua

Dr Ir Suwardi, MAgr
Anggota

Dr rer nat Rino R. Mukti, SSi MSc
Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi
Agroteknologi Tanah

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr Ir Suwardi, MAgr

Dr Ir Dahrul Syah, MSc Agr

Tanggal Ujian: 08 Mei 2015

Tanggal Lulus:

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah
ini. Judul penelitian ini adalah Adsorpsi Logam Berat Cu, Pb dan Cd Pada Zeolit
Sintetik ZSM-5 yang Disintesis dengan Suhu Rendah, dengan tujuan melakukan
sintesis zeolit ZSM-5 dan percobaan kemampuan adsorpsi ZSM-5 terhadap logam

berat.
Dengan selesainya tesis ini, penulis mengucapan terima kasih dan
apresiasi yang tak terhingga kepada bapak Dr Iskandar selaku ketua komisi
pembimbing yang dengan penuh perhatian telah memberikan dorongan, semangat,
bimbingan, dan saran selama penulis mengikuti program magister, khususnya dalam
penyelesaian tesis ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr Ir
Suwardi, M.Sc, selaku komisi pembimbing dan Ketua Program Studi
Agroteknologi Tanah yang telah memberikan dorongan dan semangat dalam
penyelesaian tesis ini. Penulis juga mengucapkan rasa terima kasih dan apresiasi
yang tak terhingga kepada Dr rer nat Rino R. Mukti, SSi, MSc selaku komisi
pembimbing yang telah menyediakan fasilitas pelaksanaan penelitian di
Laboratorium Kimia Fisik Material, Program Studi Kimia, FMIPA Institut
Teknologi Bandung dan kesempatan untuk membagi ilmu mengenai sintesis
zeolite serta saran pada penulisan karya ilmiah ini.
Penulis juga mengucapakan terima kasih kepada seluruh rekan mahasiswa
Program Studi Agroteknologi Tanah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor dan
rekan-rekan penelitian di Laboratorium Kimia Fisik Material, Program Studi Kimia,
FMIPA Institut Teknologi Bandung yang telah banyak membantu dalam
penyelesaian tesis ini.
Teristimewa penulis menghaturkan ucapan terima kasih dan sembah sujud

kepada Ibunda tercinta Karsiti yang selalu memberikan doa, perhatian dan
pengorbanan yang besar serta dukungan semangat untuk penulis dalam menapaki
jenjang pendidikan Program Pascasarjana, dan terkirim doa yang tulus untuk
Ayahanda Saryadi (alm) yang menjadi panutan, dorongan dan inspirasi penulis
untuk terus maju. Akhirnya kepada Allah jualah kami berharap dan memohon
petunjuk, semoga apa yang telah diperoleh bernilai ibadah disisi-Nya, serta
keikhlasan dan kebaikan dapat diberikan imbalan yang setimpal, Amin.
Akhir kata penulis menyadari bahwa tesis ini masih terdapat kekurangan
dan jauh dari sempurna, untuk itu saran masukan sangat penulis harapkan agar
tesis ini menjadi lebih baik dan bermanfaat bagi yang berkepentingan dan
perkembangan ilmu pengetahuan khususnya yang terkait dengan ilmu
pengetahuan dan teknologi di bidang pertanian.

Bogor, Mei 2015
Priyadi

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman
vii
vii
viii

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian

1
1
2

2 TINJAUAN PUSTAKA
Zeolit Alam dan Karakteristiknya
Zeolit Sintetik ZSM-5 dan Karakterisasinya
Zeolite ZSM-5
Metode Karakterisasi ZSM-5
Adsorpsi
Model Adsorpsi Isoterm
Langmuir
Freundlich

3
3
3
4
4
7
8
8
9

3 BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan
Alat
Pelaksanaan Penelitian
Sintesis Zeolit ZSM-5
Karakterisasi Zeolit Sintetik ZSM-5
Analisis Struktur dengan X-ray Diffraction (XRD)
Analisis Morfologi dengan Scanning Electron Microscope
(SEM)
Analisis Luas Permukaan Spesifik, Volume Total Pori, Luas
Permukaan Luar, Luas Mikropori, Volume Mikropori dan
Volume Mesopori dengan Fisisorpsi Nitrogen
Adsorpsi Logam Berat Menggunakan Zeolit Sintetik ZSM-5
Pembuatan Larutan Induk 1000 ppm
Adsorpsi Logam Berat dengan Zeolit ZSM-5

10
10
10
10
10
10
12
12

4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis Zeolit ZSM-5
Analisis Struktur dengan X-ray Diffraction (XRD)
Analisis Morfologi dengan Scanning Electron Microscope (SEM)
Analisis Luas Permukaan Spesifik, Volume Total Pori, Luas
Permukaan Luar, Luas Mikropori, Volume Mikropori dan
Volume Mesopori dengan Fisisorpsi Nitrogen
Adsorpsi Logam Berat Menggunakan Zeolit Sintetik ZSM-5

15
15
15
16

12
12
12
12
13

17
18

5 KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Saran

25
25
25

DAFTAR PUSTAKA

26

LAMPIRAN

29

RIWAYAT HIDUP

40

DAFTAR TABEL
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Data Karakteristik Zeolit ZSM-5
Kebutuhan Zat untuk Pembuatan 1000 ml Larutan Induk Logam Berat
dengan Konsentrasi 1000 ppm
Data Karakteristik Pori Zeolit Sintetik ZSM-5
Ringkasan Parameter Adsorpsi Hasil Fitting dengan Persamaan
Langmuir
Ringkasan Parameter Adsorpsi Hasil Fitting dengan Persamaan
Freundlich
Parameter Linierisasi Langmuir dan Freundlich
Kemampuan Adsorpsi Zeolit Sintetik ZSM-5 dan Zeolit Alam

4
13
18
21
22
23
24

DAFTAR GAMBAR
1.
2.
3.
4.

Struktur ZSM-5 (a) Tampak Samping; (b) Tampak Atas
Mekanisme Alat SEM
Diagram Alir Proses Pembuatan Zeolit Sintetik
Pola Difraktogram XRD Zeolit Sintetik ZSM-5 (a) ZSM-5 Silika
Koloid 40%; (b) ZSM-5 Hasil Simulasi
5. SEM ZSM-5 dengan Perbesaran (a) 1000x (b) 2500x (c) 5000x
6. Adsorpsi Logam Cu2+ oleh ZSM-5 pada Berbagai Konsentrasi dan
Waktu Kontak
7. Adsorpsi Logam Cd2+ oleh ZSM-5 pada Berbagai Konsentrasi dan
Waktu Kontak
8. Adsorpsi Logam Pb2+ oleh ZSM-5 pada Berbagai Konsentrasi dan
Waktu Kontak
9. Fitting Kapasitas Adsorpsi Logam Pb2+, Cu2+ dan Cd2+ dengan
Persamaan Langmuir
10. Fitting Kapasitas Adsorpsi Logam Pb2+, Cu2+ dan Cd2+ dengan
Persamaan Freundlich
11. Linierisasi Isoterm (a) Langmuir dan (b) Freundlich Logam Berat
Pb2+, Cu2+ dan Cd2+ oleh ZSM-5

4
6
11
16
17
18
18
19
20
20
22

DAFTAR LAMPIRAN
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.

Rumus Perhitungan Pembuatan Larutan Stok 1000 ppm
Hasil Pengukuran Absorbansi AAS Logam Cu
Hasil Pengukuran Absorbansi AAS Logam Cd
Hasil Pengukuran Absorbansi AAS Logam Pb
Hasil Perhitungan Konsentrasi Logam Cu (ppm)
Hasil Perhitungan Konsentrasi Logam Cd (ppm)
Hasil Perhitungan Konsentrasi Logam Pb (ppm)
Kapasitas Adsorpsi Logam Cu (mg g-1)
Kapasitas Adsorpsi Logam Cd (mg g-1)
Kapasitas Adsorpsi Logam Pb (mg g-1)
Distribusi Ukuran Pori Zeolit Sintetik ZSM-5
Isoterm Adsorpsi Zeolit Sintetik ZSM-5
BET N2 Fisisorption
BJH N2 Fisisorption
T-plot N2 Fisisorption
Isoterm Adsorpsi Desorpsi
Foto Pembuatan Larutan 1 dan Larutan 2 (a); Proses Pengoven
Larutan Bahan Zeolit Sintetik ZSM-5(b)
Foto Proses Pencucian Zeolit Sintetik ZSM-5 Setelah Pengovenan
dengan Menggunakan Corong Buchner
Foto (a) SEM Zeiss EVO50; (b) N2 Isotermal Quantachrom
Nova 2200e
Foto Pembuatan Larutan Induk Logam Berat dengan Konsentrasi
1000 ppm
Foto (a) Pengocokan Larutan Ion Logam dengan Zeolit Sintetik ZSM-5;
(b) Pemisahan Larutan Ion Logam Berat dari Zeolit Sintetik ZSM-5
Foto Pengukuran Konsentrasi Larutan Setelah Kontak dengan
Zeolit Sintetik ZSM-5 Menggunakan AAS

29
30
30
30
30
31
31
31
31
32
32
32
33
34
35
36
38
38
38
39
39
39

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat adalah logam yang unsurnya mempunyai berat atom antara
63.4-200.5 dan bobot isi lebih besar dari 6 g cm-3 (Ghosh & Singh 2005). Dalam
kadar rendah logam berat pada umumnya sudah beracun bagi tumbuhan dan
hewan, termasuk juga manusia. Beberapa faktor yang menyebabkan logam berat
termasuk dalam kelompok zat pencemar adalah karena sifatnya yang tidak dapat
terurai (non degradable) dan diadsorpsi. Meskipun diketahui bahwa keberadaan
logam berat merupakan hal alamiah yang terbatas dalam jumlah tertentu di alam,
tetapi keberadaan logam berat ini akan meningkat akibat masuknya limbah yang
dihasilkan oleh industri-industri serta limbah yang berasal dari aktivitas lainnya
(Lin et al. 2008).
Pencemaran logam berat merupakan masalah lingkungan yang selalu
menjadi perhatian. Keberadaan logam berat yang sangat beracun dalam air
permukaan, air tanah, air minum dan limbah memiliki dampak yang berbahaya
bagi manusia dan lingkungan. Tingkat pencemaran oleh logam berat seperti
tembaga (Cu), timbal (Pb), kadmium (Cd), raksa (Hg), seng (Zn) dan nikel (Ni)
telah menjadi isu global, hal ini terjadi karena logam berat tersebut dapat
mengganggu sistem ekologi dan kesehatan lingkungan. Oleh karena itu, perlu
dicari cara untuk mengatasi pencemaran logam berat agar tidak menyebabkan
kerugian bagi manusia dan lingkungan.
Beberapa proses yang dapat dilakukan untuk mengurangi konsentrasi
logam berat dalam air antara lain melalui proses adsorpsi, pengendapan,
penyaringan, osmosis dan elektrodialisis (Buasri et al. 2008 & Minceva et al.
2007). Diantara beberapa proses adsorpsi logam berat yang telah ada, proses
adsorpsi dengan menggunakan bahan zeolit merupakan salah satu alternatif yang
dapat dilakukan. Zeolit merupakan kristal alumino silikat dengan struktur
kerangka tiga dimensi yang terbentuk dari tetrahedral silika [SiO4]4- dan alumina
[AlO 4 ] 5 - yang terikat melalui atom oksigen. Atom silikon dikelilingi oleh 4
atom oksigen sehingga membentuk jaringan dengan pola yang teratur. Beberapa
tempat di jaringan ini, atom silikon digantikan dengan atom aluminium, yang
hanya terkoordinasi dengan 3 atom oksigen. Keberadaan atom aluminium ini
secara keseluruhan akan menyebabkan zeolit memiliki muatan negatif yang dapat
dimanfaatkan sebagai penukaran ion dengan logam berat. Selain itu, zeolit juga
memiliki pori-pori yang dapat berperan sebagai adsorpsi logam berat. Beberapa
sifat penting zeolit antara lain adalah sifat selektivitas adsorpsi ion, saringan
molekul, dan juga dapat sebagai katalis aktif.
Penelitian mengenai adsorpsi logam berat menggunakan zeolit telah
banyak dilakukan, namun lebih pada penggunaan zeolit alam, seperti klinoptilolit
(Buasri et al. 2008: Erdem, 2004: Inglezakis et al. 2004; Cincotti et al. 2006;
Sprynskyy et al. 2006, filipsit (Al-Haj-Ali & Al-Hunaidi, 2004) dan skolesit
(Bosso & Enzweiler, 2002). Zeolit alam memang telah banyak digunakan sebagai
adsorbent logam berat, namun hal tersebut dinilai masih memiliki kemampuan
yang rendah. Saat ini telah berkembang teknologi mengenai pembuatan zeolit
sintetik. Zeolit sintetik memiliki sifat dan kemampuan adsorpsi yang lebih baik

2
dibandingkan dengan zeolit alam. Hal ini dikarenakan struktur yang dibuat dalam
zeolit sintetik dapat disesuaikan dengan kebutuhan dan juga dapat diperoleh
keseragaman strukturnya.
Hasil penelitian Said dan Widiastuti (2008) menemukan bahwa zeolit
sintetik mampu menadsorpsi jenis logam berat Cu2+ hingga 14.54 mg g-1 dengan
konsentrasi 50 mg L-1 pada pH 8 dengan waktu kontak selama 360 menit. Gaurav
et al. (2013) menjelaskan bahwa zeolit sintetik yang dibuat dari abu terbang dapat
menjerap Cd sebesar 13.45 mg g-1 menggunakan 2 g zeolit pada konsentrasi logam
Cd 100 mg L-1 dan kondisi pH 6 serta temperatur 40 oC. Alvarez-Ayuso et al.
(2003) mendapatkan adsorpsi logam yang dilakukan dengan zeolit sintetik NaP1
dengan konsentrasi logam 100 mg L-1 mampu menjerap Cr 43.6 mg g-1, Ni 20.1
mg g-1, Zn 32.6 mg g-1 dan Cu 50.5 mg g-1.
Salah satu jenis zeolit sintetik yaitu zeolit ZSM-5 yang merupakan jenis dengan
bentuk framework MFI (Mordenite Framework Inverted). Zeolit ZSM-5 memiliki
channel 3 dimensi dan ukuran mikropori yaitu 5.1-5.5 Å. Saat ini pemanfaatan
zeolit ZSM-5 lebih banyak dibidang katalis dan juga reaksi dewaxing, konversi
metanol menjadi gasoline, metanol menjadi olefin, hydrocraking, alkilasi benzene,
reduksi NOx dan oksidasi parsial metana (Cejka et al. 2005). Penelitian Silva et
al. (2012) mengenai zeolit sintetik ZSM-5 sebagai penukaran ion logam berat Cr6+
menunjukkan efesiensi penghilangan ion logam berat sebesar 78.50% dengan
adsorpsi sebesar 11.90 mg g-1. Zeolit ZSM-5 yang dimodifikasi dengan Na dan
H3PO4- juga mampu menjerap Ni2+ sebesar 28.08 mg g-1 dan 39.96 mg g-1
(Panneerselvam et al. 2009).
Berdasarkan hal tersebut zeolit ZSM-5 sangat berpotensi untuk
dikembangkan dan dijadikan sebagai adsorben logam berat. Selain zeolit ZSM-5
memiliki ukuran mikropori yang dekat dengan ukuran ion logam berat Cu, Pb dan
Cd, masih sedikit informasi yang menjelaskan mengenai pemanfaat zeolit ZSM-5
sebagai absorbent logam berat.

Tujuan Penelitian
Berdasarkan latar belakang di atas, maka penelitian ini dilakukan dengan
tujuan sebagai berikut:
1. Mempelajari sintesis zeolit ZSM-5 dengan metode hidrotermal suhu rendah.
2. Mempelajari karakteristik zeolit sintetik ZSM-5.
3. Mempelajari adsorpsi dan keselektifan zeolit sintetik ZSM-5 terhadap logam
berat Cu, Pb dan Cd.

3

2

TINJAUAN PUSTAKA

Zeolit Alam dan Karakteristiknya
Secara umum zeolit merupakan kristal alumino silikat dengan struktur tiga
dimensi, yang memiliki rongga berisi ion-ion logam alkali ataupun alkali tanah.
Zeolit biasanya terbentuk dari tufa yang berasal bahan piroklastik halus (abu)
yang disemburkan oleh aktifitas gunung api yang kemudian terendapkan pada
lingkungan yang bersifat basa. Zeolit termasuk kristal mineral yang mempunyai
struktur rongga terbuka dari rantai tetrahedral [AlO]5- dan [SiO4]4- yang
bergabung bersama-sama membentuk rantai rangka yang disebut unit bangunan
utama (primary building unit). Selanjutnya mata rantai tetrahedral ini membentuk
suatu cincin atau rongga disebut secondary building unit, yang kemudian tersusun
teratur dan berulang dalam ruang tiga dimensi membentuk material berstruktur
sangkar atau berongga-rongga.
Zeolit memiliki sifat kimia dan fisika yang khas, antara lain seperti
hidrofilik dan memiliki kapasitas tukar kation (KTK) yang tinggi. Karena
beberapa sifat yang ada tersebut zeolit menjadi banyak sekali digunakan dalam
berbagai bidang, seperti bahan pembenah tanah, campuran media tanam, slow
realeaseing fertilizer (SRF) dimana zeolit digunakan sebagai carrier pada asam
humat dengan tujuan dapat meningkatkan hasil produksi tanaman padi dan jagung
melalui mekanisme perbaikan pertumbuhan pada akar tanaman tersebut (Suwardi
et al. 2009), sebagai adsorben desulfurisasi minyak solar (Lusia 2009), dan masih
banyak lagi pemanfaatan yang lain dari zeolit.

Zeolit Sintetik ZSM-5 dan Karakterisasinya
Perkembangan dalam pemanfaatan zeolit sintetik dewasa ini semakin
banyak dilakukan. Salah satu tujuan pembuatan zeolit sintetik yang dilakukan
yaitu untuk meningkatkan KTK dan memodifikasi volume serta ruang dari pori
menjadi lebih seragam, sehingga dapat digunakan dan memiliki kemampuan yang
lebih baik. Beberapa sifat penting yang dimanfaatkan yaitu kemampuan berupa
absorpsi selektif, penukar ion, katalis aktif, ataupun sebagai carrier pada pupuk.
Diantara pemanfaatan tersebut yang sering dilakukan adalah sebagai bahan untuk
mengadsorpsi logam berat.
Hasil penelitian Said dan Widiastuti (2008) menemukan bahwa zeolit
sintetik mampu menjerap jenis logam berat Cu2+ hingga 14.54 mg g-1 dengan
konsentrasi 50 mg L-1 pada pH 8 dengan waktu kontak selama 360 menit. Wang et
al. (2009) menjelaskan mengenai efisiensi adsorpsi logam berat Cu dan Zn
dengan zeolit sintetik, dimana masing-masing dilakukan pada zeolit murni dari
abu terbang, zeolit hidroksil solidate (HS), dan zeolit komersial. Hasil dari
adsorpsi logam tersebut antara lain Cu2+ 99.73%, 89.56% dan 99.12%, sedangkan
untuk Zn2+ memiliki efisiensi lebih rendah yaitu 93.16%, 81.45% dan 96.09%.

4
Zeolit ZSM-5
Zeolit ZSM-5 merupakan zeolit dengan bentuk framework MFI. Jenis
zeolit ini mempunyai rasio Si/Al yang tinggi yaitu sampai dengan 100 dan
memiliki rumus umum Na+n(H2O)16.AlnSi96-n.O192. Adapun data mengenai zeolit
ZSM-5 ditampilkan pada Tabel. 1.
Tabel 1 Data Karakteristik Zeolit ZSM-5
Bama Bahan
Rumus Kimia
Sel Satuan

ZSM-5
|Na n (H2O)16| [AlnSi96-n O192]-MFI , n < 27
Orthorhombic
Pnma (# 62)
a = 20.07Å
b = 19.92Å
c = 13.42Å
α = 90.0 °
= 90.0 °
= 90.0 °
3
17.9 T/1000 Å
{[100] 10 5.1 x 5.5 [010] 10 5.3 x 5.6}***
(3-dimensional)
+

Kerapatan Kerangka
Saluran

(sumber: http://izasc.ethz.ch/fmi/xsl/IZA-SC)

Zeolit ZSM-5 memiliki unit pembangun sekunder 5-1 atau disebut juga
unit pentasil. Unit tersebut kemudian saling berhubungan membentuk rantai
pentasil. Pada tahap selanjutnya rantai tersebut akan mebentuk kerangka zeolit
ZSM-5. Adapun penampilan dari struktur kerangka ZSM-5 ditunjukkan pada
Gambar 1. Zeolit ZSM-5 memiliki ukuran pori yang termasuk sedang yaitu, 5.15.5 Å dan channel 3 dimensi. Selain itu zeolit ini memiliki selektivititas yang
unik, sifat asam, serta kestabilan termal yang tinggi. Sifat-sifat ini membuat ZSM5 sering digunakan sebagai katalis di bidang petrolium dan petrokimia.
Pemanfaatan lain zeolit ZSM-5 sebagai katalis juga dilakukan seperti pada reaksi
dewaxing, konversi metanol menjadi gasoline, metanol menjadi olefin,
hydrocraking, alkilasi benzene, reduksi NOx dan oksidasi parsial metana (Cejka et
al. 2005).

(a)

(b)

Gambar 1 Struktur ZSM-5 (a) Tampak Samping; (b) Tampak Atas.
Metode Karakterisasi ZSM-5
Dalam penentuan terbentuknya zeolite sintetik, terdapat beberapa
parameter yang harus diketahui. Parameter-parameter tersebut biasa juga disebut

5
dengan karakteristik zeolit. Untuk mengetahui karakteristik dari zeolit tersebut
terdapat beberapa metode yang dapat dilakukan antara lain:
1.

Fourier Transform Inframerah

Fourier Transform Inframerah merupakan variasi instrumental dari
spektroskopi Inframerah (IR). Fourier Transform Inframerah menggunakan
prinsip interferometri. Fourier Transform Inframerah (FT-IR) memiliki
kemampuan melakukan pembacaan spektrum-spektrum, menyimpan dan
mentransformasikan dalam hitungan detik. FT-IR memudahkan proses
karakterisasi suatu senyawa. Persyaratan-persyaratan ukuran sampel yang sangat
kecil mempermudah kopling instrumen FT-IR dengan suatu mikroskop untuk
analisis bagian-bagian sampel yang terlokalisasi.
Kemampuan untuk substraksi digital memungkinkan seseorang untuk
mendapatkan spektrum-spektrum yang tersembunyi. FT-IR digunakan juga pada
karakterisasi zeolit dengan tujuan untuk mengetahui jenis ikatan dari zeolit
tersebut dan karakterisasi zeolit dengan FT-IR memiliki keunggulan yaitu dapat
membaca spektra dengan jelas.
2.

Spektroskopi difraksi sinar-X (X-Ray Difraction/XRD)

Spektroskopi difraksi sinar-X merupakan salah satu metoda karakterisasi
material yang paling tua dan paling sering digunakan hingga sekarang. Teknik ini
digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin dalam material dengan cara
menentukan parameter struktur kisi serta untuk mendapatkan ukuran partikel.
Difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh
atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa
tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan difraksi
sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg:

Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah
jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang
normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.
Cara kerja alat ini adalah dengan meletakkan material uji pada sampel
holder difraktometer sinar X. Proses difraksi sinar X dimulai dengan menyalakan
difraktometer sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang
menyatakan hubungan antara sudut difraksi βθ dengan intensitas sinar X yang
dipantulkan. Jika seberkas sinar-X dijatuhkan pada sampel kristal, maka bidang
kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama
dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan
ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi.
Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas
pembiasan yang dihasilkannya.
Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal
yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang
didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi
sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS. Dalam

6
sintesis zeolit perlu dilakukan karakterisasi dengan XRD dengan tujuan untuk
mengetahui struktur kristal. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk
menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang
memiliki orde yang sama.
3.

Scanning Elektron Microscopy (SEM)

Scanning Elektron Microscopy digunakan untuk analisis mikrostruktur dan
untuk melakukan investigasi yang berhubungan dengan proses, sifat, dan
karakteristik material yang berhubungan dengan struktur mikronya. SEM
menyediakan informasi yang berhubungan dengan topografi, morfologi, distribusi
fasa, perbedaan komposisi, struktur kristal, orientasi kristal, adanya cacat pada
struktur mikro dan lokasi cacat pada struktur mikro. Kelebihan SEM terletak pada
fleksibilitas dari pengujian dengan metode ini karena pembangkit menggunakan
sinyal ganda, proses pembentukan gambar yang mudah, rentang pembesaran yang
lebar, dan bidang kedalaman yang sangat besar.

Gambar 2 Mekanisme Alat SEM (http://www.microscopy.ethz.ch/sem.htm)
Dalam sistematika SEM seperti pada Gambar 2.12, sumber elektron
difokuskan ke dalam fine probe yang bergaris pada permukaan spesimen. Elektron
menembus permukaan, sejumlah interaksi yang terjadi dapat menghasilkan emisi
elektron atau foton dari permukaan. Sebuah fraksi yang wajar dari emisi elektron
dapat dikumpulkan oleh detektor yang tepat dan hasilnya dapat digunakan untuk
modulasi kecerahan pada CRT (cathode ray tube) yang memiliki input x dan y
dikendalikan dalam sinkronisasi dengan tegangan x-y. Dalam hal ini gambar
diproduksi pada CRT, tiap titik yang sinar menabrak sampel dipetakan secara
langsung dalam titik yang sesuai pada layar.

7
4.

Analisis Struktur Pori

Reaksi pada material padatan seperti zeolit banyak melibatkan pori-pori
sebagai tempat terjadinya reaksi. Sebagian reaksi tersebut tergantung pada luas
permukaan dan sebagian tergantung pada sisi aktif yang ada dalam pori-pori. Oleh
karena itu, analisia struktur pori dan permukaan suatu mineral zeolit sangat
penting dilakukan dalam karakterisasi padatan.
Berbagai metode, teori dan persamaan telah dikembangkatan antara lain adalah
metode Langmuir dan Breunauer-Emmett-Teller (BET). Keduanya digunakan
untuk menentukan luas permukaan spesifik suatu padatan dari data adsorpsi
isotherm gas. Luas permukaan merupakan salah satu parameter penting
menentukan material padatan berpori. Luas permukaan spesifik merupakan
parameter yang menggambarkan kapasitas adsorpsi suatu adsorben. Pada bidang
katalis, luas permukaan spesifik merupakan gambaran banyaknya situs aktif yang
ada pada permukaan yang dapat menentukan sifatnya. Pada eletroda sel
elektrokimia, luas permukaan spesifik berhubungan dengan banyaknya transfer
elektron yang terjadi pada daerah antar muka.

Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses dimana satu atau lebih unsur-unsur pokok dari
suatu larutan fluida akan lebih terkonsentrasi pada permukaan suatu padatan
tertentu (adsorben). Dengan cara ini, komponen-komponen dari suatu larutan,
baik dari larutan gas ataupun cairan, bisa dipisahkan satu sama lain (Treybal,
1980). Adsorpsi melibatkan proses perpindahan massa dan menghasilkan
kesetimbangan distribusi dari satu atau lebih larutan antara fasa cair dan partikel.
Pemisahan dari suatu larutan tunggal antara cairan dan fasa yang diserap membuat
pemisahan larutan dari fasa curah cair dapat dilangsungkan. Berdasarkan interaksi
molekular antara permukaan adsorben dengan adsorbat, adsorpsi dibagi menjadi 2
(dua) jenis:
1.

2.

Adsorpsi fisik adalah adsorpsi yang terjadi akibat gaya interaksi tarik-menarik
antara molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Adsorpsi ini melibatkan
gaya-gaya Van der Wals (sebagai kondensasi uap). Jenis ini cocok untuk
proses adsorpsi yang membutuhkan proses regenerasi karena zat yang
teradsorpsi tidak larut dalam adsorben tapi hanya sampai permukaan saja.
Pada adsorpsi fisik, adosorbat tidak terikat kuat pada permukaan adsorben
sehingga adsorbat dapat bergerak dari satu bagian permukaan ke bagian
permukaan lainnya. Permukaan yang ditinggalkan oleh adsorbat dapat
digantikan oleh adsorbat lainnya (multilayer).
Adsorpsi kimia adalah adsorpsi yang terjadi akibat interaksi kimia antara
molekul adsorben dengan molekul adsorbat. Proses ini pada umumnya
menurunkan kapasitas dari adsorben karena gaya adhesinya yang kuat
sehingga proses ini tidak reversibel. Ikatan yang terbentuk merupakan ikatan
yang kuat sehingga lapisan yang terbentuk adalah lapisan monolayer.

Beberapa penelitian menyebutkan model adsorpsi yang terjadi pada material
berpori seperti zeolit memang masih terdapat perbedaan. Hal tersebut banyak

8
dipengaruhi oleh bahan zeolit yang digunakan itu sendiri. Zakaria et al. (2012)
menyebutkan bahwa model adsorpsi zeolit yang disintesis dari abu terbang untuk
adsorpsi logam Cu yaitu mengikuti model Langmuir dan Freundlich. Namun,
dalam kemampuan adsorpsi terhadap logam Cu tersebut memiliki perbedaan
jumlah ion yang di adsorpsi. Nilai kapasitas adsorpsi optimum zeolit terhadap
logam Cu menurut model Langmuir yaitu sebesar 60.97 mg.g-1, sedangkan
kapasitas adsorpsi optimum menurut model Freundlich 40.36 mg.g-1.
Peningkatan kapasitas adsorpsi menurut model Freundlich relatif sama jika
dibandingkan dengan persamaan Langmuir, tetapi nilai kapasitas adsorpsi model
Freundlich memiliki bias yang lebih besar terhadap kapasitas adsorpsi percobaan
dibandingkan dengan model Langmuir. Hal yang sama juga dijelaskan (Mekkari
2014), dimana adsorpsi yang terjadi pada logam berat Pb terhadap zeolit Na-Y
yang di sintesis dari bahan kaolin adalah model Langmuir. Model adsorpsi
Langmuir tersebut dianggap lebih tepat dalam menggambarkan model serapan
yang terjadi pada zeolit Na-Y dan logam Pb dibandingkan model Freundlich.
Tingkat ketepatan tersebut dilihat dari parameter nilai R2 pada persamaan
Langmuir yang lebih mendekati nilai 1. Oleh karena itu, model adsorpsi yang
terjadi pada logam berat terhadap zeolit dapat disimpulkan mengikuti model
adsorpsi Langmuir.
Model Adsorpsi Isoterm
Langmuir
Isoterm adsorpsi Langmuir didefinisikan sebagai berikut :

dimana (q) jumlah adsorbat yang terserap per unit massa adsorban, (a,b) konstanta
empiris dan (Ce) konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan setelah
adsorpsi.
Isoterm adsorpsi Langmuir dikembangkan dengan mengasumsikan bahwa
(1) sejumlah bagian adsorbat tetap tersedia pada permukaan adsorban, dimana
bagian permukaan tersebut memiliki energi yang sama, (2) adsorpsi yang terjadi
reversible (dua arah). Kesetimbangan terjadi apabila kecepatan adsorpsi molekul
ke dalam permukaan sama dengan kecepatan desorpsi dari permukaan. Konstanta
isoterm Langmuir dapat ditentukan dengan membuat grafik antara Ce/q versus C
dan mengubah persamaan diatas menjadi :

Dari persamaan linear diatas dapat dibuat kurva linear adsorpsi isoterm Langmuir
dan dapat diketahui nilai konstanta Langmuir dengan pendekatan plot nilai Ce/q
dan nilai Ce sehingga akan didapatkan slope (m) = 1/ab dan intercept (b) = 1/a.

9
Freundlich
Menurut Metcalf and Eddy (2003), secara empiris penurunan rumus
isoterm Freundlich adalah sebagai berikut:

dimana: (x/m) jumlah adsorbat yang terserap per unit berat adsorben, (Ce)
konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan setelah proses adsorpsi dan
(K,n) konstanta empiris.
Model isoterm Freundlich menggunakan asumsi bahwa adsorpsi berjalan
secara fisika. Konstanta dalam isoterm Freundlich dapat ditentukan dengan
membuat grafik antara q versus C, dan menggunakan kembali persamaan di atas
yang sudah dilogkan menjadi:

Dari persamaan linier dapat dibuat kurva linear adsorpsi isoterm Freundlich yang
dapat diketahui nilai konstanta Freundlich dengan pendekatan dan plot nilai log
dengan nilai log Ce sehingga akan didapatkan kemiringan = 1/n dan intercept =
log K.

10

3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini terbagi menjadi dua tahap. Tahap pertama merupakan
pembuatan zeolit sintetik ZSM-5 yang dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik
Material, Program Studi Kimia, FMIPA Institut Teknologi Bandung. Tahap kedua
adalah uji adsorpsi logam berat dengan menggunakan ZSM-5 yang dilaksanakan
di Laboratorium Kimia Analitik Program Studi Kimia, FMIPA Institut Teknologi
Bandung. Penelitian dilaksanakan dari bulan Juni sampai dengan September 2014.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari: 1) bahan baku
pembuatan zeolit sintetik ZSM-5: silika koloid (Ludox HS-40) sebagai sumber
silika, natrium hidroksida (NaOH 50%), natrium alumina (NaAlO2) sebagai
sumber alumina, tetrapropylamonium bromida (TPABr) sebagai pengarah struktur
dan H2O (akuades), 2) logam berat Cu, Pb dan Cd yang masing-masing diambil
dari: CuSO4.5H2O (Merck), Pb(NO3)2 (Merck), dan CdSO4 (Merck).
Alat
Peralatan yang digunakan antara lain peralatan gelas, timbangan, botol
propilen, oven, shaker Ovan OM10E, corong Buchner, X-ray diffraction (XRD)
Philips PW1830, Spectroscopy Electron Microscopy (SEM) Zeiss EVO50, Bran
Luebbe Auto Analyzer 3 Digital Calorimeter, N2 isotermal adsorpsi-desorpsi
Quantachrome Nova 2200e dan Atomic Absorption Spectrometer (AAS) GBC
Avanta.
Pelaksanaan Penelitian
Sintesis Zeolit ZSM-5
Sintesis zeolit sintetik dapat dilakukan dengan metode hidrotermal suhu
tinggi dan suhu rendah. Metode hidrotermal merupakan metode umum yang
digunakan untuk mensintesis zeolit dan dilakukan pada suhu antara 150–500 °C
dengan menggunakan perangkat autoclave. Metode hidrotermal suhu rendah
merupakan sebuah metode baru dalam proses sintesis pada zeolitdimana
perangkat yang digunakan adalah hanya botol plastik. Metode ini memiliki
beberapa keunggulan, diantaranya tidak menggunakan autoclave pada suhu dan
tekanan tinggi, tetapi menggunakan botol berbahan polypropylene sebagai tempat
campuran reaksi, sehingga aman dan mudah digunakan. Suhu yang digunakan
juga relatif lebih rendah, yaitu 90 oC dan kristalinitas yang dihasilkan menyerupai
hasil sintesis dengan metode hidrotermal. Oleh karena itu, dalam penelitian ini
digunakan metode hidrotermal suhu rendah.

11
Zeolit ZSM-5 disintesis dari empat prekursor utama yaitu silika,
aluminium, NaOH dan template organik dan air. Sumber silika berupa silika
koloid 40%, natrium aluminat sebagai sumber alumina, dan tetrapropilamonium
bromida sebagai template organik. Rasio molar yang digunakan rasio Si/Al =100,
H2O/Si = 11.69, NaOH/Si = 0.14 dan TPABr/Si = 0.086. Sintesis zeolit ZSM-5
diawali dengan pembuatan larutan yang terdiri dari TPABr sebanyak 2.289 gram
yang dilarutkan dengan H2O (akuades) sebanyak 6.405 gram sebagai larutan 1.
Kemudian dilanjutkan dengan pembuatan larutan 2 yang terdiri dari 1.697 gram
NaOH 50% dan 0.082 gram NaAlO2. Selanjutnya kedua larutan tersebut
dicampurkan menjadi satu dalam botol polypropylene dan dilakukan pengocokan
hingga homogen selama ± 2 jam sambil dilakukan penambahan 19.50 g silika
koloid 40%. Larutan homogen didiamkan selama satu malam sebagai proses
aging, kemudian dioven dengan suhu 90o C selama 96 jam (Lampiran 17). Setelah
dioven larutan disaring untuk memisahkan fase padatan dan cairan. Endapan
kemudian dicuci dengan akuades dan disaring menggunakan corong Buchner
(Lampiran 18). Setelah dicuci dan disaring, kemudian endapan dikeringkan dalam
oven pada temperatur 105 o C selama ±24 jam. Diagram alir proses pembuatan
zeolit sintetik ZSM-5 dapat dilihat pada Gambar 2 di bawah ini.
Larutan 1
TPABr + H2O (akuades)

Larutan 2
NaOH 50% + NaAlO2

Dicampurkan Lar. 1 + Lar. 2
Dalam botol polipropilen
±2 jam suhu ruang

Ditambahkan
silika koloid 40%

Didiamkan dalam suhu
ruangan ±24 jam
sebagai proses aging

Dioven 90 oC
96 jam
Endapan dicuci dalam
corong Buchner

Dikeringkan
suhu 105 oC 24 jam
Zeolit ZSM-5

Gambar 3 Diagram Alir Proses Pembuatan Zeolit Sintetik ZSM-5.

12
Karakterisasi Zeolit Sintetik ZSM-5
Analisis Struktur dengan X-ray Diffraction (XRD)
Karakterisasi zeolit sintetik meliputi pengujian kristalinitas zeolit yang
dilakukan dengan XRD untuk mengetahui sudut difraksi zeolit sintetik. XRD
merupakan metode analisis kualitatif yang berfungsi untuk menganalisis struktur
kristal suatu padatan. Semua material yang berbentuk kristal akan menunjukkan
puncak-puncak tertentu jika dianalisis dengan menggunakan XRD. Dalam
penelitian ini digunakan XRD dari Philips PW1830. Difraksi sinar-x
menggunakan sumber radiasi Cu Kα, dengan nilai k = 1.5406 Å.

1.

Analisis Morfologi dengan Scanning Electron Microscope (SEM)
Analisis SEM digunakan untuk mengetahui bentuk atau morfologi zeolit
sintetik, SEM yang digunakan berasal dari Zeiss EVO50 (Lampiran 19a). Prinsip
kerja dari alat ini adalah sumber elektron dari filamen yang terbuat dari tungsten
memancarkan berkas elektron. Jika elektron tersebut berinteraksi dengan bahan
maka akan menghasilkan elektron sekunder dan karakteristik sinar-X. Scanning
pada permukaan bahan yang dikehendaki dapat dilakukan dengan mengatur
scanning generator dan scanning coils. Elektron sekunder hasil interaksi antara
elektron dengan permukaan bahan ditangkap oleh detektor SE (Secondary
Electron) yang kemudian diolah dan diperkuat oleh amplifier dan kemudian
divisualisasikan dalam monitor.

2.

3.

Analisis Luas Permukaan Spesifik, Volume Total Pori, Luas Permukaan
Luar, Luas Mikropori, Volume Mikropori dan Volume Mesopori dengan
Fisisorpsi Nitrogen

Analisis luas permukaan dan distribusi ukuran pori dilakukan dengan
menggunakan fisisorpsi nitrogen. Analisis Brunauer Emmet Teller (BET) dan
Bruenne Joyner Haenda (BJH) dilakukan dengan N2 isotermal adsorpsi-desorpsi
Quantachrome Nova 2200e (Lampiran 19b). Isoterm adsorpsi menggunakan gas
nitrogen dengan outgas temperature 300 oC dan bath temperatur 77.3 K. Luas
permukaan dihitung dengan menggunakan metode BET berdasarkan pada data
adsorpsi tekanan parsial (P/P0) direntang 0.02-0.99. BET dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan:
(

)[

(

)]

dimana W adalah berat gas tersadsorpsi pada tekanan relatif P/P0, Wm adalah berat
gas yang merupakan monolayer cakupan permukaan, dan C adalah konstanta BET
yang berkaitan dengan energi adsorpsi dilapisan teradsorpsi pertama sehingga
nilai merupakan indikasi besarnya interaksi adsorben/adsorbat.
Adsorpsi Logam Berat Menggunakan Zeolit Sintetik ZSM-5
1.

Pembuatan Larutan Induk 1000 ppm
Larutan induk untuk standar dibuat dari masing-masing garam Cu, Pb dan
Cd yang dihitung berdasarkan rumus bobot molekul atom masing-masing logam

13
(Lampiran 1). Kemudian ditimbang sesuai dengan kebutuhan agar larutan induk
memiliki konsentrasi 1000 ppm (Tabel 2).
Tabel 2 Kebutuhan zat untuk pembuatan 1000 ml larutan induk logam berat
dengan konsentrasi 1000 ppm.
Berat (gram)
3.850
1.598
1.858

Garam
CuSO4.5H2O
Pb(NO3)2
CdSO4

Larutan induk 1000 ppm kemudian digunakan untuk pembuatan larutan
yang konsentrasinya lebih rendah, yaitu 50, 100, 150, 200 dan 250 ppm. Untuk
mendapatkan larutan dengan konsentrasi yang lebih rendah tersebut, tiap larutan
induk 1000 ppm diambil 25; 50; 75; 100 dan 125 ml berturut-turut menggunakan
pipet dan diencerkan dalam labu takar 500 ml hingga tanda tera (Lampiran 20).
2.

Adsorpsi Logam Berat dengan Zeolit ZSM-5
Adsorpsi ion logam dilakukan dengan sistem batch menggunakan 0.015
gram zeolit sintetik dalam 20 ml larutan yang mengandung ion logam berat
dengan variasi konsentrasi 50, 100, 150, 200 dan 250 ppm. Pengocokan dilakukan
dengan waktu kontak 30, 60, 90, 120 dan 150 menit pada kecepatan pengocokan
150 rpm. Selanjutnya larutan yang mengandung ion logam berat disaring
menggunakan kertas saring Whatman No. 42 (Lampiran 21).
Pengukuran konsentrasi logam berat dalam larutan ditentukan sebelum dan
sesudah kontak dengan zeolit dan diukur dengan menggunakan AAS GBC Avanta
(Lampiran 22). Kapasitas adsorpsi (Ce) dalam miligram ion logam per gram
adsorben dihitung dengan rumus sebagai berikut:
[ ]

[

]

dimana Ci adalah konsentrasi ion logam awal (ppm), Cf konsentrasi ion logam
setelah adsorpsi (ppm), V volume larutan (L), dan w jumlah zeolit (g).
Data hasil adsorpsi logam kemudian dianalisis dengan persamaan model
yang paling sering digunakan yaitu teori keseimbangan isoterm Langmuir dan
Freundlich.
Persamaan Langmuir

:

Bentuk linier Langmuir :
dimana (q) jumlah adsorbat yang terserap per unit massa adsorban, qsat jumlah
adsorbat maksimum teoritis dan K konstanta.

14
Persamaan Freundlich :
Bentuk linier

:

dimana: (q) jumlah adsorbat yang terserap per unit berat adsorben, (Ce)
konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan setelah proses adsorpsi dan
(Kf,n) konstanta empiris.

15

4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis Zeolit ZSM-5
Sintesis ZSM-5 telah dilakukan dengan metode hidrotermal suhu rendah
dengan nisbah rasio molar yang digunakan rasio Si/Al =100, H2O/Si = 11.69,
NaOH/Si = 0.14 dan TPABr/Si = 0.086. Nisbah molar Si/Al merupakan faktor
yang sangat berperan pada laju kristalisasi ZSM-5. Semakin tinggi nilai nisbah
Si/Al maka akan menyebabkan semakin banyak kristal yang terbentuk sebagai
ZSM-5. Selain itu, nisbah molar Si/Al juga akan mempengaruhi kekuatan asam
pada ZSM-5, kekuatan asam akan bertambah dengan naiknya nisbah molar Si/Al
(Jacobs & Marten 1987).
Selain nisbah Si/Al, suhu pada saat sintesis juga sangat mempengaruhi
proses pembentukan dari zeolit ZSM-5. Meskipun dalam teknologi sintesis zeolit
lebih banyak digunakan metode hidrotermal, dalam penelitian ini ZSM-5 telah
berhasil dibuat dengan menggunakan suhu rendah yaitu 90 oC. Hasil sintesis
menunjukkan karakteristik yang telah memenuhi syarat terbentuknya ZSM-5.
Penggunaan suhu rendah dalam metode sintesis zeolit ini merupakan
alternatif untuk mengatasi kekurangan pada metode konvensional dengan
hidrotermal. Metode ini berhasil disintesis pertama kali oleh Darton dan Fyfe pada
tahun 2010 dan menunjukkan hasil difraktogram sinar-X yang sama dengan
metode hidrotermal sebelumnya (Darton & Fyfe 2011). Dibandingkan dengan
metode hidrotermal, metode ini memiliki banyak keunggulan diantaranya yaitu
tidak menggunakan parr autoclave pada temperatur dan tekanan tinggi tetapi
menggunakan botol polypropylene sebagai tempat untuk campuran reaksi
sehingga aman dan mudah digunakan, kondisi reaksi pada temperatur rendah dan
kristalinitas hasil sintesis yang dihasilkan menyerupai hasil sintesis dengan
metode konvensional.
Zeolit yang telah berhasil disintesis dengan metode hidrotermal suhu
rendah kemudian dilakukan karakterisasi antara lain struktur zeolit dengan
menggunakan XRD, morfologi dengan menggunakan SEM, luas permukaan
spesifik volume total pori, luas permukaan luar, luas mikropori, volume
mikropori dan volume mesopori.
1.

Analisis Struktur dengan X-ray diffraction (XRD)

XRD merupakan teknik analisis kualitatif yang digunakan dalam
menganalisis karakteristik material untuk mendapatkan informasi tentang ukuran
atom dari material kristal. Interaksi sinar dating dengan Kristal akan menghasilkan
interferensi konstruktif jika memenuhi hukum Bragg. Hukum tersebut
berhubungan dengan panjang gelombang radiasi elektromagnetik pada sudut
difraksi dan kisi pada material kristalin.
θ merupakan sudut difraksi (o), d adalah jarak antar bidang hkl yang sama (nm), λ
adalah panjang gelombang sinar-X (nm), dan n adalah lintasan dari berkas sinarX. Berdasarkan persamaan di atas, sinar-X yang dipancarkan pada suatu material
kristalin maka material tersebut akan membiaskan panjang gelombang sinar-X

16
yang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal. Semakin banyak bidang kristal
atau semakin tinggi kristalinitas di dalam suatu material maka intensitas dari
puncaknya pun semakin besar.
18000
16000

a

intensity (a.u)

14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000

b

0
0

5

10

15

20

25
2θ

30

35

40

45

50

Gambar 4 Pola Difraktogram XRD Zeolit Sintetik ZSM-5 (a) ZSM-5 Silika
Koloid 40%; (b) ZSM-5 Hasil Simulasi.
Hasil difraktogram zeolit ZSM-5 yang telah disintetis disajikan pada
Gambar 4. Pola difraksi yang dihasilkan ZSM-5 menunjukkan kemiripan dengan
pola standard difraktogram simulated XRD ZSM-5. Standard difraktogram
simulated merupakan acuan dalam pembentukan pola difraksi XRD zeolit yang
dapat diperoleh secara online dari data base persatuan zeolit dunia. Zeolit hasil
sintesis memiliki puncak pada β θ = 7.9364o, 7.9569o, 23.9541o dan 23.9746o
yang mendekati puncak-puncak khas pada zeolit ZSM-5. Hal ini menunjukkan
bahwa kristalinitas hasil sintesis masih terjaga untuk memenuhi syarat
terbentuknya ZSM-5. Selain itu, intensitas yang terbentuk pada ZSM-5 hasil
sintesis menujukkan nilai yang tinggi. Nilai intensitas yang tinggi ini
mencerminkan bahwa kristalinitas yang terbentuk pada sintesis ZSM-5 sangat
baik.

2.

Analisis Morfologi dengan Scanning Electron Microscope (SEM)

SEM merupakan metode karakterisasi untuk mengetahui morfologi zeolit,
baik permukaan, bentuk serta ukuran kristal. Berkas elektron ditembakkan
terhadap suatu sampel material, proses penembakan berkas elektron pada suatu
sampel akan menimbulkan energi yang sebanding dengan intensitas. Intensitas
tersebut kemudian akan ditangkap oleh detektor kemudian dikonversi menjadi
suatu gambar permukaan atau morfologi dari sampel yang ditembak dengan
berkas elektron tersebut.
Hasil analisis SEM memperlihatkan bahwa kristal ZSM-5 yang terbentuk
memiliki morfologi berbentuk berupa kristal yang agak bulat (Gambar 5).

17

10 mm

3 mm

2 mm

Gambar 5 SEM ZSM-5 dengan Perbesaran (a) 1000x (b) 2500x (c) 5000x.
Morfologi seperti ditunjukkan pada Gambar 5 merupakan bentuk asli dari
zeolit sintetik ZSM-5. Dari gambar tersebut nampak permukaan kristal yang
terbentuk adalah cenderung membulat dengan permukaan kristal berongga.
Penampakan yang ditunjukkan hasil SEM berupa rongga-rongga pada
permukaan ZSM-5 tersebut merupakan pengaruh dari adanya pori yang terbntuk
pada kristal zeolit. Hal ini juga ditunjukkan pada sintetis ZSM-5 yang dilakukan
oleh Wang et al. (2010), dimana adanya pori pada zeolit menyebabkan permukaan
zeolit yang disintesis memiliki bentuk berongga.

3.

Analisis Luas Permukaan Spesifik, Volume Total Pori, Luas Permukaan
Luar, Luas Mikropori, Volume Mikropori dan Volume Mesopori dengan
Fisisorpsi Nitrogen

Karakterisasi luas permukaan spesifik volume total pori, luas permukaan
luar, luas mikropori, volume mikropori dan volume mesopori zeolit sintetik
dilakukan dengan metode fisisorpsi nitrogen. Metode ini digunakan untuk
menentukan distribusi ukuran pori, luas permukaan dan ukuran pori. Luas
permukaan spesifik adalah luas permukaan per satuan volume (Sv) atau per satuan
berat (Sw). Luas permukaan spesifik merupakan parameter yang menggambarkan
kapasitas suatu adsorben dan menunjukkan banyaknya situs aktif pada suatu
permukaan benda. Sedangkan volume por total merupakan jumlah ruang pori
yang dapat terisi oleh air dan udara.
Metode Bruenne Emmett Teller (BET) digunakan untuk menentukan