Karakterisasi Dan Transformasi Zeolit Alam Ende-Ntt Dengan Metode Hidrotermal Serta Aplikasinya Sebagai Adsorben Pewarna Kation
KARAKTERISASI DAN TRANSFORMASI ZEOLIT ALAM
ENDE-NTT DENGAN METODE HIDROTERMAL SERTA
APLIKASINYA SEBAGAI ADSORBEN PEWARNA KATION
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Karakterisasi dan
Transformasi Zeolit Alam Ende-NTT dengan Metode Hidrotermal serta
Aplikasinya sebagai Adsorben Pewarna Kation 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, Februari 2016
Yulius Saprianus Dala Ngapa
NIM G451130311
RINGKASAN
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA. Karakterisasi dan Transformasi Zeolit
Alam Ende-NTT dengan Metode Hidrotermal serta Aplikasinya sebagai Adsorben
Pewarna Kation. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan ZAENAL ABIDIN.
Zeolit merupakan mineral dengan gugusan alumina dan silika yang saling
bertaut silang melalui pengikatan atom oksigen dengan struktur (Al,Si)O 4
tetrahedral. Pembentukan mineral zeolit berasal dari abu gunung berapi dan garam
laut selama jutaan tahun dan terbentuk dalam jumlah yang cukup besar di alam.
Kelimpahan zeolit di Indonesia dapat ditemukan di daerah yang dilalui jalur
pegunungan vulkanik yang merupakan sumber utama tufa yang mengalami
transformasi menjadi zeolit. Pemanfaatan zeolit yang paling besar di bidang
lingkungan adalah untuk proses penjerapan, yaitu sebagai adsorben disebabkan
sifat zeolit yang selektif dan kemampuan penukar ion cukup tinggi.
Penggunaan zat pewarna sebagai bahan baku utama dalam proses industri
tekstil memicu terjadinya pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh limbah
pewarna. Pada umumnya, interaksi zat warna dengan air akan menghasilkan ion
pewarna yang bermuatan positif. Permasalahan limbah yang disebabkan oleh
pewarna kation (biru metilena) memerlukan metode penanganan yang tepat.
Proses adsorpsi yang digunakan dalam mengatasi pencemaran limbah pewarna
merupakan proses yang sederhana dan efektif. Tahapan penghilangan limbah
pewarna haruslah didahului dengan pemilihan adsorben yang tepat. Kriteria
adsorben ditemukan pada zeolit alam.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan data karakterisasi zeolit
alam Ende-Nusa Tenggara Timur (NTT) dan zeolit hasil transformasi dengan
metode hidrotermal serta kapasitas adsorpsi zeolit terhadap biru metilena. Sampel
zeolit alam Ende yang digunakan berasal dari gunung (ZG), laut (ZL) dan zeolit
tipe coklat (ZC). Zeolit alam gunung, laut, dan tipe coklat merupakan tipe zeolit
campuran mordenit dan klinoptilolit, sedangkan zeolit hasil transformasi
hidrotermal dari zeolit alam Ende merupakan tipe zeolit campuran NaP1 dan
faujasit.
Perlakuan aktivasi fisika (kalsinasi) maupun kimia menggunakan larutan
HCl dan NaOH tidak banyak mengubah struktur zeolit alam, disebabkan sifat
termal zeolit alam yang cukup besar dan oksida-oksida logam yang terdapat dalam
zeolit ikut berperan dalam mempertahankan struktur dasar zeolit.
Hasil penentuan kapasitas adsorpsi maksimum zeolit alam Ende
menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi zeolit jenis ZG sebesar 19.938 mg/g, ZL
19.103 mg/g, dan ZC sebesar 18.673 mg/g, sedangkan nilai Kapasitas Tukar
Kation (KTK) untuk tipe zeolit ZG sebesar 205.026 cmol/kg, ZL sebesar 168.906
cmol/kg, dan ZC sebesar 165.286 cmol/kg. Perlakuan transformasi dengan metode
hidrotermal dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi dan KTK maksimum berturutturut sebesar 37.398 mg/g dan 244.063 cmol/kg, disebabkan transformasi zeolit
alam menjadi jenis zeolit sintetis tipe NaP1 dan faujasit memiliki kristalinitas
yang besar sehingga aktivitas zeolit tersebut meningkat.
Kata kunci: zeolit, hidrotermal, adsorpsi, kapasitas adsorpsi, KTK
SUMMARY
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA. Characterization and Hydrothermal
Transformation of Natural Zeolit from Ende-NTT and Its Application as
Adsorbent of Cationic Dye. Supervised by SRI SUGIARTI and ZAENAL
ABIDIN.
Zeolite is a mineral with a cluster of alumina and silica cross-linked to each
other through oxygen atom tetrahedral bonding structure (Al,Si)O4. The
formations of zeolite minerals derived from volcanic ash and sea salt for millions
of years and are formed in considerable quantities in nature. The abundance of
zeolites in Indonesia can be found in the area which traversed by mountain path
volcanic tuff which is the main source that is being transformed into the zeolite.
Zeolite greatest utilization in the field of the environment is for the adsorption
process;due to the nature of zeolite as selective ion-exchange adsorbent is quite
high.
The use of a dye as the main raw material in the textile industry triggered
the environmental pollution caused by waste dyes. In general, the interaction of
the dye with water will produce dyes that are positively charged ions. Waste
problems caused by the cationic dye (methylene blue) require appropriate
handling methods. The adsorption process used in addressing the dye waste
pollution is a process that is simple and effective. Stages removal of waste dye
must be preceded by the selection of the proper adsorbent. Criteria found in
natural zeolite adsorbent.
The purpose of this study was to obtain data characterizing natural zeolite
Ende-NTT and zeolite transformation by hydrothermal method and zeolite
adsorption capacity of the methylene blue. Natural zeolite samples Ende used
comes from the mountain (ZG), marine (ZL) and brown colored zeolite (ZC).
Natural zeolite from the mountains, the sea, and the type of brown is a type of
zeolite mixture of mordenite and clinoptilolite, whereas zeolite hydrothermal
transformation of natural zeolite Ende is a type of zeolite NaP1 and faujasite
mixture.
Physical activation treatment (calcination) and chemically treatment using
HCl and NaOH solution were not change the structure of natural zeolite that much,
due to the thermal properties of natural zeolite quite sizeable and metal oxides
contained in zeolite played a role in maintaining the basic structure of the zeolite.
Results of the determination of maximum adsorption capacity of natural
zeolite Ende showed that the adsorption capacity of zeolite types ZG is 19.938
mg/g, ZL is 19.103 mg/g, and ZC is 18.673 mg/g, while the value of Cation
Exchange Capacity (CEC) for the type of zeolite ZG is 205.026 cmol/kg, ZL is
168.906 cmol/kg, and ZC amount is 165.286 cmol/kg. Transformation treatment
using hydrothermal method can enhance the adsorption capacity and the CEC row
are 37.398 mg/g and 244.063 cmol/kg, due to the transformation of natural zeolite
into a kind of synthetic zeolite NaP1 and faujasite has large crystallinity so the
zeolite activity can increased.
Keywords: zeolite, hydrothermal, adsorption, adsorption capacity, CEC
© 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
KARAKTERISASI DAN TRANSFORMASI ZEOLIT ALAM
ENDE-NTT DENGAN METODE HIDROTERMAL SERTA
APLIKASINYA SEBAGAI ADSORBEN PEWARNA KATION
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr Eti Rohaeti, MS
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Tritunggal atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah karakterisasi
zeolit, dengan judul Karakterisasi dan Transformasi Zeolit Alam Ende dengan
Metode Hidrotermal serta Aplikasinya sebagai Adsorben Pewarna Kation.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Sri Sugiarti, SSi PhD dan Bapak
Dr Zaenal Abidin selaku komisi pembimbing yang telah banyak memberikan
bantuan dan arahan, Ibu Dr Eti Rohaeti, MS selaku dosen penguji luar komisi,
serta seluruh dosen Pascasarjana Kimia atas segala bimbingan dan ilmu yang
diberikan. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Tanoto Foundation
atas beasiswa National Champion Scholarship yang telah diberikan selama
pendidikan S2 di IPB. Di samping itu, terima kasih penulis sampaikam kepada
seluruh staf pegawai Departemen Kimia IPB, staf Laboratorium Kimia Anorganik
IPB, staf Laboratorium Bersama Kimia IPB, staf Laboratorium Kimia Analitik
IPB, staf Laboratorium Kimia Organik IPB, staf Laboratorium Kimia Fisik IPB,
staf Laboratorium Farmasi Universitas Pancasila, staf Laboratorium Forensik
Mabes Polri, dan staf Laboratorium PT. Indocement yang telah membantu selama
penelitian. Tak lupa pula, ungkapan terima kasih penulis sampaikan kepada
teman-teman Pascasarjana Kimia dan S-1 group riset Anorganik atas
kebersamaan, saran, masukan, dan motivasi yang diberikan dalam penyelesaian
karya ilmiah ini. Untuk ayah, ibu, dan seluruh keluarga terima kasih atas segala
doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Yulius Saprianus Dala Ngapa
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
2
3
2 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan
Alat
Prosedur Penelitian
Preparasi Sampel Zeolit Alam
Aktivasi Zeolit Alam
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan metode Hidrotermal
Adsorpsi Biru Metilena
Penentuan Kapasitas Tukar Kation (KTK)
Isoterm Adsorpsi
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Preparasi Sampel Zeolit Alam
Aktivasi Zeolit Alam
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Kapasitas Adsorpsi dan Kapasitas Tukar Kation
Isoterm Adsorpsi
5
5
6
8
10
12
4 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
15
15
15
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
19
RIWAYAT HIDUP
27
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
Konsentrasi Fe terlarut dalam proses aktivasi kimia
Perbandingan Ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis
Kapasitas adsorpsi zeolit alam
Kapasitas adsorpsi zeolit alam beberapa negara dan hasil transformasi
Kapasitas Tukar Kation (KTK) zeolit alam Ende dan hasil transformasi
Parameter isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich biru metilena oleh
adsorben zeolit alam Ende
7
9
11
11
12
14
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal gunung (ZG)
Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal laut (ZL)
Difraktogram XRD zeolit alam Ende tipe coklat (ZC)
Difraktogram XRD zeolit alam hasil aktivasi HCl 3 M dan NaOH 3 M
Difraktogram XRD transformasi zeolit alam gunung (ZG)
Difraktogram XRD transformasi zeolit alam laut (ZL)
Difraktogram XRD transformasi zeolit lam tipe coklat (ZC)
Morfologi permukaan zeolit alam Ende dan hasil transformasi
Hasil uji adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende
Isoterm adsorpsi biru metilena zeolit alam Ende pada suhu kamar
Isoterm Langmuir biru metilena oleh zeolit alam Ende
Isoterm Freundlich biru metilena oleh zeolit alam Ende
5
6
6
7
8
8
9
10
10
13
13
14
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Diagram Alir Penelitian
Struktur senyawa biru metilena
Penentuan kapasitas adsorpsi zeolit terhadap biru metilena
Data hasil percobaan kapasitas adsorpsi zeolit alam Ende terhadap biru
metilena
5 Data hasil percobaan isoterm adsorpsi zeolit alam Ende terhadap biru
metilena
6 Data hasil analisis isoterm adsorpsi dan perhitungan paramter adsorpsi
19
20
20
21
25
25
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Inovasi penelitian yang dilakukan di Indonesia adalah memanfaatkan
sumber daya alam yang ketersediaannya melimpah sehingga dapat memberikan
kontribusi terhadap pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Salah satu
sumber daya mineral yang ketersediaannya di alam dalam jumlah yang besar
adalah zeolit (Razzak et al. 2013). Zeolit merupakan mineral dari kelompok
alumino silikat (Al,Si)O4 tetrahedral yang terhidrasi logam alkali dan alkali tanah
dengan rumus umum M2/nO.Al2O3.y(SiO2).wH2O (Gougazeh & Buhl 2014).
Lokasi zeolit alam terdapat di daerah yang secara geografis terletak pada
jalur pegunungan vulkanik seperti pulau Sumatera, Jawa, Maluku, dan Nusa
Tenggara Timur (Wustoni et al. 2011). Data Badan Geologi, Departemen Energi
dan Sumber Daya Mineral mencantumkan bahwa Kabupaten Ende provinsi Nusa
Tenggara Timur (NTT) memiliki cadangan zeolit alam sekitar 20 juta ton
(Arryanto et al. 2012). Masyarakat di kabupaten Ende mengenal zeolit alam
sebagai batu hijau karena sebagian besar mineral zeolit berwarna hijau. Meskipun
cadangan zeolit alam di daerah tersebut cukup besar namun pemanfaatannya
belum maksimal. Sejauh ini zeolit alam hanya digunakan sebagai bahan untuk
lantai rumah dan batu hias di taman. Oleh karena itu, upaya peningkatan potensi
zeolit alam perlu dikembangkan dengan tujuan daya gunanya lebih bervariasi dan
menguntungkan sehingga dapat digunakan untuk keperluan dalam bidang
lingkungan, industri dan pertanian.
Pemanfataan zeolit di bidang lingkungan telah banyak dikembangkan
khususnya dalam mengatasi masalah pencemaran lingkungan yang disebabkan
oleh logam berat. Adanya logam-logam berat seperti Cu, Pb dan Cd tersebut
mempunyai tendensi terakumulasi dalam organisme sehingga menyebabkan
beberapa penyakit dalam tubuh mahkluk hidup dan dapat bertindak sebagai
penyebab mutagen (Musharafi et al. 2013). Inglezakis et al. (2006) memanfaatkan
zeolit alam sebagai adsorben untuk mengatasi pencemaran lingkungan yang
disebabkan oleh logam Pb. Di bidang industri, zeolit dimanfaatkan sebagai katalis
dalam proses dehidrasi seperti dalam proses dehidrasi pembuatan metanol dan
etanol (Takahashi et al. 2013). Dalam bidang pertanian, zeolit digunakan sebagai
bahan pembenah tanah khususnya pada jenis tanah yang kadar bahan organik dan
nilai kemampuan penukar ion rendah (Suwardi 2009).
Pada kenyataannya pemanfataan zeolit terus berkembang namun
kemampuan penukar ion zeolit telah menarik perhatian yang signifikan di antara
ilmuwan (Saryati et al. 2010). Berdasarkan Standar International, kualitas zeolit
alam yang baik jika memiliki nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) setelah
diaktivasi di atas 150 cmol/kg (Lins 2015), sedangkan Standar Nasional Indonesia
(SNI) 13-7168-2006 menetapkan nilai KTK zeolit alam setelah diaktivasi di atas
100 cmol/kg (Al Jabri 2008). Nilai KTK terhadap mineral zeolit yang tersebar di
Indonesia khususnya di kabupaten Ende perlu dilakukan karena zeolit yang
berbeda asalnya memerlukan penelitian tersendiri.
Saat ini telah dikenal jenis zeolit sintetis. Zeolit sintetis memiliki
kristalinitas tinggi, oksida logam dalam jumlah yang minimum serta aktivitas
2
katalitiknya tinggi akan tetapi ketersediaan zeolit sintetis tidaklah melimpah
sehingga membutuhkan biaya dalam memproduksinya serta tidak tahan pada
temperatur yang tinggi (Syafii et al. 2010). Menurut Wang et al. (2009) zeolit
alam memiliki sifat kestabilan termal yang baik namun kristalinitas dan aktivitas
katalitiknya rendah. Selain itu, zeolit alam banyak mengandung oksida logam dan
ukuran porinya sangat tidak seragam (Chaikittisilp 2014). Berdasarkan fakta ini,
salah satu peluang penelitian yang dapat dilakukan adalah mengarah pada
peningkatan kristalinitas zeolit melalui transformasi zeolit alam Ende sebagai
sumber Si dan Al dengan metode hidrotermal.
Perkembangan industri tekstil yang banyak menggunakan zat pewarna akan
menghasilkan polutan pewarna yang menjadi sumber utama pencemaran
lingkungan salah satunya pencemaran air. Dalam industri tekstil, zat warna
merupakan salah satu bahan baku utama. Zat warna tekstil umumnya berasal dari
turunan benzena seperti metil merah, metil jingga dan biru metilena (Widjajanti et
al. 2011). Permasalahan limbah yang berwarna memerlukan penanganan yang
tepat. Metode adsorpsi terlihat lebih menarik karena merupakan proses yang
sederhana dan efektif (Stankovic et al. 2009). Interaksi biru metilena dalam air
akan menghasilkan ion biru metilena yang bermuatan positif. Proses adsorpsi
melibatkan adanya adsorben yang efektif sehingga dapat mengimobilisasi zat
warna dari limbah. Adsorben yang digunakan harus memenuhi kriteria yang
dibutuhkan, diantaranya memiliki muatan yang berbeda dengan solut, mempunyai
daya serap yang besar terhadap solut, luas permukaan yang besar, tidak larut
dalam zat cair yang diadsorpsi, mudah didapat dan relatif murah. Kriteria
adsorben tersebut ditemukan pada zeolit alam (Wang & Peng 2010).
Karakterisasi dan pemanfaatan zeolit alam Ende sebagai sumber Si dan Al
untuk sintesis zeolit dengan metode hidrotermal belum pernah dikaji. Oleh karena
itu, dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis zeolit alam dengan metode
hidrotermal dan diaplikasikan sebagai adsorben terhadap pewarna kation (biru
metilena).
Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas, yang menjadi masalah dalam penelitian ini
adalah belum adanya data dan publikasi ilmiah tentang karakterisasi zeolit alam
Ende-NTT serta kemampuannya sebagai adsorben.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh data karakterisasi zeolit alam
Ende-NTT dan kemampuan adsorpsi terhadap pewarna kation (biru metilena).
Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah tentang
karakterisasi zeolit alam Ende-NTT dan potensinya sebagai adsorben.
3
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dibagi atas 5 tahapan, yaitu pengambilan sampel dan
preparasi zeolit alam yang berasal Ende, Bayah, dan Cikalong. Sintesis zeolit dari
zeolit alam Ende menggunakan metode hidrotermal, karakterisasi zeolit
menggunakan XRD (untuk mengetahui jenis zeolit alam dan zeolit hasil
transformasi), SEM (untuk mengetahui morfologi kristal hasil sintesis). Tahapan
selanjutnya adalah penentuan kapasitas adsorpsi menggunakan Spektrofotometer
UV-Vis (untuk mengetahui konsentrasi biru metilena yang teradsorpsi oleh zeolit
dan nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) menggunakan AAS (untuk mengetahui
jumlah ion yang dipertukarkan). Penentuan isoterm adsorpsi menggunakan dua
model isoterm: isoterm Langmuir dan isoterm Freundlich (Lampiran 1).
2 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan mulai dari bulan Maret sampai Oktober 2015 di
Laboratorium Kimia Anorganik IPB, Laboratorium Kimia Analitik IPB,
Laboratorium Bersama IPB, Laboratorium Farmasi Universitas Pancasila,
Laboratorium Forensik Bareskrim Polri, Laboratorium PT. Indocement.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit alam Ende, HCl
(p.a), NaOH (merck), NH4Cl (merck), etanol (p.a), CaCl2 (merck), larutan baku
Ca 1000 mg/L, AgNO3 (merck), dan biru metilena (merck).
Alat
Alat yang digunakan adalah peralatan gelas, tanur, oven, sentrifuse Kokusan
H-107, shaker Titramax 101, SSA (Spektrofotometer Serapan Atom) Shimadzu
AA-7000, spektrofotometer UV-Vis Shimadzu 1700, Scanning Electron
Microscope (SEM) Carl-Zeiss Bruker EVO MA10, X-Ray Diffraction (XRD) D4
Bruker.
Prosedur Penelitian
Preparasi Sampel Zeolit Alam
Sampel zeolit alam diubah ukurannya menjadi serbuk halus dengan ukuran
butir lolos ayakan 200 mesh, dicuci dengan akuades, kemudian dikeringkan dalam
oven pada suhu 110 oC selama 4 jam, dan disimpan dalam desikator untuk
pemakaian selanjutnya.
4
Aktivasi Zeolit Alam
Sampel zeolit alam diaktivasi secara fisika dan kimia. Aktivasi fisika
dilakukan dengan cara zeolit dikalsinasi pada suhu 600 oC selama 4 jam. Aktivasi
kimia dilakukan dengan mencampurkan 50 gram zeolit dalam larutan HCl atau
NaOH pada konsentrasi 0, 0.5; 1.5; dan 3 M. Campuran diaduk dengan pengaduk
magnet selama 3 jam, kemudian dibilas dengan akuades sampai pH netral dan
dikeringkan dalam tanur pada suhu 300 oC selama 3 jam.
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Sampel zeolit alam dengan bobot total 5.0 gram ditambahkan 25 mL
larutan NaOH 3 M. Campuran dipanaskan pada suhu 60 oC selama 12 jam, yang
dikenal sebagai proses ageing, yaitu proses awal pembentukan inti kristal,
dilanjutkan pada suhu 100 oC selama 24 jam. Kristal yang dihasilkan selanjutnya
dibilas dengan akuades sampai pH netral dan dikeringkan dalam tanur pada suhu
300 oC selama 3 jam.
Adsorpsi Biru Metilena
0.3 gram sampel zeolit alam dicampurkan dengan 15 mL larutan biru
metilena 400 mg/L, kemudian dikocok dengan menggunakan shaker selama 1 jam,
dan disentrifus pada kecepatan 3500 rpm selama 15 menit. Filtrat diukur dengan
spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum.
Penentuan Kapasitas Tukar Kation (KTK)
0.1 gram zeolit ditambahkan larutan CaCl2 0.5 M sebanyak 10 ml dan
dijenuhkan selama 24 jam. Larutan dipisahkan dengan cara disentrifus pada
kecepatan 3500 rpm selama 15 menit. Supernatan dibuang dan pelet selanjutnya
dicuci dengan menggunakan etanol 80% hingga bebas klorida.
Pelet yang sudah bebas klorida selanjutnya diekstraksi untuk mengambil
kalsium yang terjerap di contoh zeolit. Ekstraksi dilakukan dengan menggunakan
NH4Cl 1 M sebanyak 10 ml selama 1 jam. Proses ekstraksi diulang sebanyak 5
kali. Ekstrak yang telah terkumpul selanjutnya ditera dengan NH 4Cl 1 M sampai
volume 100 ml. Pengukuran kalsium dilakukan dengan spektrometer serapan
atom.
Isoterm Adsorpsi
Sampel zeolit sebanyak 0.2 gram ditambahkan ke dalam 15 mL larutan biru
metilena dengan konsentrasi 250, 500, 750, 1000, 1250 mg/L kemudian
dijenuhkan sambil dishaker selama 24 jam, selanjutnya disentrifus pada kecepatan
3500 rpm selama 15 menit. Filtrat diukur dengan spektrofotometer UV-Vis.
5
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Preparasi Sampel Zeolit Alam
Penelitian ini diawali dengan preparasi sampel zeolit alam yang berasal dari
kabupaten Ende provinsi Nusa Tenggara Timur (NTT). Pemilihan sampel
dilakukan dengan menentukan asal dan jenis zeolit yang akan digunakan. Zeolit
alam berasal dari beberapa lokasi yang ada di kabupaten Ende dan juga beberapa
daerah yang ada di Indonesia. Sampel zeolit alam Ende diambil dari lokasi
gunung (ZG), laut (ZL), dan zeolit bertipe coklat (ZC). Zeolit alam yang berasal
dari Bayah (BYH) dan Cikalong (CKL) digunakan sebagai pembanding karena
zeolit dari kedua daerah tersebut mewakili jenis zeolit yang paling umum
ditemukan di Indonesia yaitu mordenit Na8(Al8Si40O96).24H2O dan klinoptilolit
(Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O.
Preparasi awal dilakukan dengan menggiling zeolit hingga dihasilkan
serbuk halus lolos ayakan 200 mesh. Pengubahan ukuran dimaksudkan untuk
menghomogenkan ukuran dan memperbesar permukaan kontak sehingga
kemampuan adsorpsi dapat lebih maksimal (Kim & Ahn 2011). Proses pencucian
dengan akuades dan pemanasan yang dilakukan di tahap preparasi adalah untuk
menghilangkan pengotor dan menguapkan air yang terkandung dalam kristal
zeolit sehingga dapat memperbesar keaktifan zeolit, yang disebabkan terbukanya
pori-pori zeolit.
Hasil analisis XRD yang dilakukan terhadap zeolit alam Ende yang berasal
dari gunung (ZG), laut (ZL), dan zeolit tipe coklat (ZC) sebelum diaktivasi dan
ditransformasi diperoleh hasil bahwa zeolit alam tersebut merupakan campuran
jenis mordenit dan klinoptilolit karena mempunyai puncak-puncak yang
karakteristik pada sudut 2θ sesuai dengan database JCPDS (Joint Committee on
Powder Diffraction Standards). Intensitas puncak tertinggi yang muncul untuk
zeolit jenis mordenit terdapat pada sudut 2θ = 25.63, 26.25, dan 27.67 sedangkan
untuk zeolit jenis klinoptilolit puncak yang muncul terdapat pada sudut 2θ =
22.36, 22.49, dan 29.07. Gambar 1, Gambar 2, dan Gambar 3 berturut-turut
menunjukkan difraktogram zeolit alam Ende jenis ZG, ZL, dan ZC.
14000
Intensitas (a.u)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Gambar 1 Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal gunung (ZG)
70
6
16000
Intensitas (a.u)
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Intensitas (a.u)
Gambar 2 Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal laut (ZL)
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Gambar 3 Difraktogram zeolit alam Ende tipe coklat (ZC)
Aktivasi Zeolit Alam
Zeolit alam umumnya masih mengandung uap air dan oksida logam dalam
jumlah yang cukup besar sehingga menyebabkan kemampuan adsorpsi dan
penukar ionnya rendah. Untuk meningkatkan kualitas zeolit alam diperlukan
proses aktivasi. Perlakuan aktivasi pada penelitian ini dilakukan secara fisika dan
kimia. Proses aktivasi fisika dilakukan dengan kalsinasi sampel zeolit pada suhu
600 oC. Perlakuan ini bertujuan untuk menghilangkan uap air dan oksida-oksida
logam yang terjerap di dalam zeolit. Terlepasnya uap air dan oksida-oksida logam
dari rongga zeolit akan menyebabkan terbentuknya rongga kosong sehingga
kemampuan adsorpsi zeolit meningkat (Djaeni et al. 2010).
Aktivasi kimia dilakukan dengan senyawa asam (HCl) dan basa (NaOH).
Perlakuan asam bertujuan untuk menghilangkan oksida-oksida logam yang
7
terjerap dan menutupi permukaan zeolit sehingga lebih porous dan bidang kontak
menjadi lebih besar, sedangkan perlakuan basa akan menghasilkan pembentukan
senyawa silikat sehingga permukaan zeolit akan berubah menjadi semakin negatif.
Penambahan luas bidang kontak dan permukaan zeolit yang semakin negatif dapat
meningkatkan kemampuan zeolit sebagai adsorben (Wang et al. 2012).
Variasi konsentrasi HCl dan NaOH 0.5 M; 1.5 M; dan 3 M bertujuan untuk
mendapatkan hasil aktivasi terbaik serta mengetahui ketahanan struktur zeolit
terhadap asam dan basa. Aktivasi dengan HCl dan NaOH hingga konsentrasi 3 M
tidak mengubah puncak-puncak difraktogram secara signifikan. Zeolit alam relatif
stabil disebabkan struktur yang banyak mengandung oksida logam berperan dalam
memberikan ketahanan terhadap struktur dasar zeolit. Gambar 4 menunjukkan
difraktogram zeolit alam Ende yang berasal dari gunung (a) tanpa perlakuan; (b)
aktivasi HCl 3 M; (c) aktivasi NaOH 3 M.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4 Difraktogram XRD zeolit alam gunung (a) tanpa perlakuan;
(b) aktivasi HCl 3 M; (c) aktivasi NaOH 3 M
Salah satu oksida logam yang keberadaannya cukup besar dalam struktur
zeolit alam Ende adalah besi (Fe). Hal ini dibuktikan dengan hasil pengukuran
kandungan besi yang larut dalam HCl dan NaOH setelah proses aktivasi. Tabel 1
menunjukkan kandungan Fe yang larut dalam proses aktivasi zeolit alam Ende
menggunakan larutan HCl dan NaOH pada konsentrasi 3 M.
Tabel 1 Konsentrasi Fe terlarut dalam proses aktivasi kimia
Asal Zeolit
ZG
ZL
ZC
Konsentrasi Fe terlarut dalam zeolit (mg/L)
Aktivasi HCl 3 M
Aktivasi NaOH 3 M
3100.221
7.724
4676.224
9.743
6065.363
12.635
8
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Hasil analisis XRD terhadap zeolit hasil transformasi dengan metode
hidrotermal dari zeolit alam Ende jenis ZG, ZL, dan ZC menunjukkan bahwa
zeolit yang terbentuk adalah campuran zeolit NaP1 dan faujasit. Setiap sampel
mempunyai puncak yang karakteristik dengan membandingkan sudut 2θ pada
database JCPDS. Intensitas puncak yang muncul untuk zeolit NaP1 pada sudut 2θ
= 17.66, 21.67, 28.10, dan 33.38, sedangkan untuk faujasite muncul pada sudut 2θ
= 23.58, 26.97, dan 27.70. Transformasi zeolit alam menjadi tipe NaP1 dan
faujasit menghasilkan substitusi Si (IV) dan Al (III) dalam struktur zeolit menjadi
lebih negatif. Sifat zeolit yang demikian akan bersinergi dalam menghilangkan
limbah yang disebabkan oleh pewarna kation (biru metilena) melalui proses
adsorpsi. Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 berturut-turut menunjukkan
difraktogram zeolit sintetis hasil transformasi.
Intensitas (a.u)
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= NaP1,
= Faujasit
Intensitas (a.u)
Gambar 5 Difraktogram XRD transformasi zeolit gunung (ZG)
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
2θ (o)
Keterangan: = NaP1,
= Faujasit
Gambar 6 Difraktogram XRD transformasi zeolit laut (ZL)
70
9
Intensitas (a.u)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= NaP1,
= Faujasit
Gambar 7 Difraktogram XRD transformasi zeolit tipe coklat (ZC)
NaOH yang direaksikan dengan zeolit alam bertindak sebagai aktivator
yang dapat melarutkan Si dan Al yang terkandung dalam sampel zeolit dan
selanjutnya mengalami proses aging, yaitu proses pembentukan inti kristal zeolit
selama pemanasan berlangsung (Jozefaciuk & Bowanko 2002). Kation Na+ juga
berperan penting dalam zeolitisasi dimana produksi natrium silikat yang larut
dalam air makin tinggi sehingga proses pengkristalan dalam pembentukan zeolit
sintetis menjadi lebih cepat (Johnson & Arshad 2014). Bertambahnya
pembentukan natrium silikat akan meningkatkan produk zeolit yang dihasilkan.
Metode hidrotermal bertujuan menghasilkan zeolit dengan tingkat kemurnian
tinggi dan sifat termal yang baik sehingga lebih tahan terhadap panas. Zeolit
sintesis yang dihasilkan memiliki ratio Si/Al yang berbeda-beda. Perbandingan
ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Perbandingan ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis
Tipe zeolit
NaP1
Faujasit
Zeolit A
Zeolit X
Ratio Si/Al
Literatur
2.7
Cardoso et al.
(2015)
2.5
Ltaief et al.
(2015)
≈1
Benaliouche et al.
(2014)
1.3
Abda et al.
(2015)
Morfologi partikel kristal hasil transformasi zeolit alam Ende dengan
metode hidrotermal diamati dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Secara
umum, foto SEM menunjukkan bahwa semua partikel zeolit sintetis tampak
kristal dan memiliki bentuk partikel yang berbeda dengan zeolit alam sebelum
ditransformasi. Kristal berbentuk ortorombik tampak lebih dominan dari bentuk
partikel yang lain, ini diindikasikan sebagai partikel zeolit NaP1 sesuai yang
dipaparkan pada hasil XRD (Cardoso et al. 2015). Pembentukan faujasit melalui
proses hidrotermal terlihat pada puncak XRD, tetapi karena jumlahnya sedikit
sehingga tidak terdeteksi jelas dengan SEM. Gambar 8 menunjukkan morfologi
permukaan zeolit alam Ende sebelum ditransformasi dan zeolit hasil transformasi.
10
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 8 Morfologi permukaan zeolit alam Ende: (a) tanpa perlakuan; (b)
transformasi ZG; (c) transformasi ZL; (d) transformasi ZC
Kapasitas Adsorpsi dan Kapasitas Tukar Kation
Zeolit alam Ende dan zeolit hasil sintetis yang merupakan transformasi
zeolit alam dengan metode hidrotermal berperan sebagai adsorben, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 9. Hal ini dibuktikan dengan memudarnya warna biru
metilena yang teradsorpsi pada sampel zeolit setelah dilakukan proses adsorpsi.
(a)
(b)
Gambar 9 Hasil uji adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende (a) sebelum
diadsorpsi; (b) setelah proses adsorpsi
Penentuan kapasitas adsorpsi dilakukan untuk mengetahui daya adsorpsi
zeolit alam Ende terhadap pewarna kation dengan model yang digunakan adalah
11
biru metilena (Lampiran 2). Nilai kapasitas adsorpsi meningkat setelah dilakukan
aktivasi secara fisika dan kimia serta ditransformasi dengan metode hidrotermal
(Tabel 3). Peningkatan nilai kapasitas adsorpsi zeolit yang telah diaktivasi secara
fisika melalui proses kalsinasi dan diaktivasi kimia menggunakan larutan HCl dan
NaOH pada variasi konsentrasi tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan
dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi setelah ditransformasi dengan metode
hidrotermal (Lampiran 3). Kapasitas adsorpsi dihitung dengan cara:
qe =
V (Co − Ce)
m
Keterangan : qe = kapasitas adsorpsi/ion biru metilena yang teradsorpsi (mg/g)
pada kesetimbangan; V = volume larutan; Co = konsentrasi awal ion biru metilena
(mg/L); Ce = konsentrasi ion biru metilena dalam larutan pada saat
kesetimbangan (mg/L); m = masssa zeolit (gram).
Asal
Zeolit
ZG
ZL
ZC
BYH
CKL
Tabel 3 Kapasitas Adsorpsi zeolit alam
Kapasitas Adsorpsi (mg/g)
Tanpa Perlakuan
Aktivasi NaOH 3 M
17.289
17.276
16.483
18.657
18.251
19.938
19.103
18.676
19.854
19.093
Transformasi
Hidrotermal
37.398
37.369
37.362
Tidak dilakukan
Tidak dilakukan
Perbandingan nilai kapasitas adsorpsi zeolit alam Ende terhadap zat warna
biru metilena dengan zeolit dari beberapa negara yang telah dilaporkan
sebelumnya ditunjukkan pada Tabel 4.
Tabel 4 Kapasitas adsorpsi zeolit alam beberapa negara dan hasil transformasi
Asal zeolit
Tipe zeolit
Ende
Australia
Cina
Iran
Hidrotermal
Mordenit + Klinoptilolit
Mordenit + Klinoptilolit
Klinoptilolit
Klinoptilolit
NaP1 + Faujasit
Kapasitas
adsorpsi (mg/g)
19.585
20.152
19.943
20.214
37.398
Literatur
Penelitian
Wang & Zhu (2006)
Han et al. (2009)
Jafari-zare et al. (2010)
Penelitian
Menurut Syafii et al. (2010), salah satu indikator umum untuk mengetahui
kualitas dari zeolit sebelum dan sesudah diaktivasi adalah dengan mengukur
kemampuan pertukaran ion. Kemampuan ini dinyatakan sebagai Kapasitas Tukar
Kation (KTK). KTK adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan maksimum
oleh 100 g zeolit. Penentuan nilai KTK diawali dengan menentukan kapasitas
adsorpsi dari sampel zeolit. Kapasitas adsorpsi terbesar dihasilkan oleh sampel
zeolit yang diaktivasi HCl dan NaOH masing-masing pada konsentrasi 3 M
selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai KTK. Hasil pengukuran KTK
diperoleh bahwa proses aktivasi zeolit secara fisika dan kimia dapat meningkatkan
nilai KTK. Proses transformasi hidrotermal terhadap zeolit alam juga mampu
12
meningkatkan nilai KTK baik untuk zeolit yang berasal dari gunung, laut dan
jenis zeolit coklat (Lampiran 4). Hasil pengukuran nilai kapasitas tukar kation
terhadap zeolit mulai tahap preparasi, aktivasi secara fisika dan kimia serta
transformasi melalui proses hidrotermal menunjukkan kenaikan secara teratur
(Tabel 5).
Tabel 5 Kapasitas Tukar Kation (KTK) zeolit alam dan hasil transformasi
Kapasitas Tukar Kation (cmol/kg)
Asal
Zeolit
Tanpa Perlakuan Aktivasi NaOH 3 M
Transformasi
ZG
84.154
205.026
244.063
ZL
81.042
168.906
216.354
ZC
77.474
165.286
211.432
Kenaikan nilai kapasitas adsorpsi dan kapasitas tukar kation (KTK) melalui
proses aktivasi dan hidrotermal disebabkan perlakuan ini telah membersihkan
rongga pori zeolit dari molekul air dan oksida-oksida logam serta menghasilkan
zeolit dengan kristalinitas yang besar sehingga aktivitas zeolit meningkat (Tatlier
et al. 2014). Dalam keadaan normal, ruang hampa dalam kristal zeolit diisi oleh
molekul air dan oksida-oksida logam yang dianggap sebagai pengotor. Adanya
rongga-rongga kosong pada permukaan zeolit tersebut dapat memperbesar
permukaan aktif sehingga kemampuan adsorpsi menjadi lebih besar (Alshameri et
al. 2014).
Perlakuan hidrotermal telah menghasilkan kondisi zeolit yang lebih aktif.
Permukaan zeolit yang dihasilkan melalui proses hidrotermal lebih negatif
sehingga memiliki kemampuan yang tinggi untuk melakukan penukaran kation.
Selain menyingkirkan oksida-oksida logam yang menutupi daerah pertukaran dan
memperbesar ukuran pori, proses hidrotermal juga dapat menyebabkan terjadinya
proses transformasi zeolit alam menjadi jenis zeolit sintetis dengan kualitas yang
lebih baik dari sebelumnya (Watanabe et al. 2005).
Isoterm Adsorpsi
Penentuan isoterm adsorpsi dilakukan untuk menentukan hubungan antara
konsentrasi adsorbat dan tingkat penyerapannya ke permukaan adsorben pada
suhu kamar. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kenaikan konsentrasi awal
biru metilena menghasilakn kenaikan jumlah zat tersebut yang teradsorpsi
(kapasitas adsorpsi). Jumlah biru metilena yang teradsorpsi meningkat dari 18.655
menjadi 49.115 mg/g dengan konsentasi awal 250, 500, 750, 1000, dan 1250
mg/L. Hal ini disebabkan karena makin tinggi konsentrasi adsorbat maka makin
banyak pula jumlah biru metilena dalam larutan yang teradsorpsi (Lampiran 5).
Kesetimbangan adsorpsi isoterm biru metilena pada suhu kamar oleh zeolit alam
Ende ditunjukkan pada Gambar 10.
13
60
50
qe (mg/g)
40
30
20
10
0
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
Ce (ppm)
Gambar 10 Isoterm adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende ZG pada suhu
kamar (29 oC), konsentrasi ion awal: 250; 500; 750; 1000; dan 1250
mg/L, bobot adsorben 0.2 gram, dan waktu kontak 24 jam.
Data percobaan isoterm adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende
dianalisis dengan menggunakan dua model isoterm adsorpsi yaitu model
Langmuir dan Freundlich (Lampiran 6). Isoterm Langmuir berdasarkan adsorpsi
monolayer pada sisi aktif adsorben yang homogen, sedangkan isoterm Freundlich
menggambarkan adsorpsi pada permukaan heterogen (Jafari-zare et al. 2009).
Isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich ditunjukkan pada Gambar 11 dan 12.
14.000
12.000
Ce/qe (g/L)
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0.000
0
100
200
300
400
500
600
700
Ce (mg/L)
Gambar 11 Isoterm Langmuir biru metilena oleh zeolit alam Ende ZG
Log qe
14
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
Log Ce
Gambar 12 Isoterm Freundlich adsorpsi biru metilena oleh zeolit Ende ZG
Berdasarkan persamaan isoterm Langmuir dan Freundlich maka nilai
parameter isoterm qm, Kf, n, dan R2 dapat ditentukan dari kemiringan dan
intersep. Hasil perhitungan nilai parameter isoterm disajikan pada Tabel 6.
Tabel 6 Parameter isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich biru metilena oleh
adsorben zeolit alam Ende
Langmuir
Zeolit alam
Ende
qm
49.501
b
0.388
R2
0.999
Freundlich
RL
0,0102
Kf
21,57
R2
0.805
n
0.142
Pada adsorpsi biru metilena dengan zeolit alam Ende menunjukkan nilai
korelasi model Langmuir lebih besar dibandingkan model Freundlich,
menunjukkan bahwa proses adsorpsi didominasi adsorpsi monolayer (homogen).
Isoterm Langmuir menggambarkan adsorpsi kimia pada satu sisi aktif dimana
sekali molekul menempati sebuah sisi aktif maka tidak akan teradi penyerapan
lebih lanjut. Apabila sisi aktif adsorben sudah jenuh dengan adsorbat maka
kenaikan konsentrasi adsorbat tidak meningkatkan jumlah biru metilena yang
teradsorpsi (Rasouli et al. 2012).
Parameter lain yang dapat menentukan model isoterm adsorpsi adalah nilai
RL yang merupakan parameter kesetimbangan atau dimensi adsorpsi. Jika R L > 1
menggambarkan adsorpsi kurang baik, RL = 1 proses adsorpsi linier, 0
ENDE-NTT DENGAN METODE HIDROTERMAL SERTA
APLIKASINYA SEBAGAI ADSORBEN PEWARNA KATION
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Karakterisasi dan
Transformasi Zeolit Alam Ende-NTT dengan Metode Hidrotermal serta
Aplikasinya sebagai Adsorben Pewarna Kation 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, Februari 2016
Yulius Saprianus Dala Ngapa
NIM G451130311
RINGKASAN
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA. Karakterisasi dan Transformasi Zeolit
Alam Ende-NTT dengan Metode Hidrotermal serta Aplikasinya sebagai Adsorben
Pewarna Kation. Dibimbing oleh SRI SUGIARTI dan ZAENAL ABIDIN.
Zeolit merupakan mineral dengan gugusan alumina dan silika yang saling
bertaut silang melalui pengikatan atom oksigen dengan struktur (Al,Si)O 4
tetrahedral. Pembentukan mineral zeolit berasal dari abu gunung berapi dan garam
laut selama jutaan tahun dan terbentuk dalam jumlah yang cukup besar di alam.
Kelimpahan zeolit di Indonesia dapat ditemukan di daerah yang dilalui jalur
pegunungan vulkanik yang merupakan sumber utama tufa yang mengalami
transformasi menjadi zeolit. Pemanfaatan zeolit yang paling besar di bidang
lingkungan adalah untuk proses penjerapan, yaitu sebagai adsorben disebabkan
sifat zeolit yang selektif dan kemampuan penukar ion cukup tinggi.
Penggunaan zat pewarna sebagai bahan baku utama dalam proses industri
tekstil memicu terjadinya pencemaran lingkungan yang diakibatkan oleh limbah
pewarna. Pada umumnya, interaksi zat warna dengan air akan menghasilkan ion
pewarna yang bermuatan positif. Permasalahan limbah yang disebabkan oleh
pewarna kation (biru metilena) memerlukan metode penanganan yang tepat.
Proses adsorpsi yang digunakan dalam mengatasi pencemaran limbah pewarna
merupakan proses yang sederhana dan efektif. Tahapan penghilangan limbah
pewarna haruslah didahului dengan pemilihan adsorben yang tepat. Kriteria
adsorben ditemukan pada zeolit alam.
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan data karakterisasi zeolit
alam Ende-Nusa Tenggara Timur (NTT) dan zeolit hasil transformasi dengan
metode hidrotermal serta kapasitas adsorpsi zeolit terhadap biru metilena. Sampel
zeolit alam Ende yang digunakan berasal dari gunung (ZG), laut (ZL) dan zeolit
tipe coklat (ZC). Zeolit alam gunung, laut, dan tipe coklat merupakan tipe zeolit
campuran mordenit dan klinoptilolit, sedangkan zeolit hasil transformasi
hidrotermal dari zeolit alam Ende merupakan tipe zeolit campuran NaP1 dan
faujasit.
Perlakuan aktivasi fisika (kalsinasi) maupun kimia menggunakan larutan
HCl dan NaOH tidak banyak mengubah struktur zeolit alam, disebabkan sifat
termal zeolit alam yang cukup besar dan oksida-oksida logam yang terdapat dalam
zeolit ikut berperan dalam mempertahankan struktur dasar zeolit.
Hasil penentuan kapasitas adsorpsi maksimum zeolit alam Ende
menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi zeolit jenis ZG sebesar 19.938 mg/g, ZL
19.103 mg/g, dan ZC sebesar 18.673 mg/g, sedangkan nilai Kapasitas Tukar
Kation (KTK) untuk tipe zeolit ZG sebesar 205.026 cmol/kg, ZL sebesar 168.906
cmol/kg, dan ZC sebesar 165.286 cmol/kg. Perlakuan transformasi dengan metode
hidrotermal dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi dan KTK maksimum berturutturut sebesar 37.398 mg/g dan 244.063 cmol/kg, disebabkan transformasi zeolit
alam menjadi jenis zeolit sintetis tipe NaP1 dan faujasit memiliki kristalinitas
yang besar sehingga aktivitas zeolit tersebut meningkat.
Kata kunci: zeolit, hidrotermal, adsorpsi, kapasitas adsorpsi, KTK
SUMMARY
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA. Characterization and Hydrothermal
Transformation of Natural Zeolit from Ende-NTT and Its Application as
Adsorbent of Cationic Dye. Supervised by SRI SUGIARTI and ZAENAL
ABIDIN.
Zeolite is a mineral with a cluster of alumina and silica cross-linked to each
other through oxygen atom tetrahedral bonding structure (Al,Si)O4. The
formations of zeolite minerals derived from volcanic ash and sea salt for millions
of years and are formed in considerable quantities in nature. The abundance of
zeolites in Indonesia can be found in the area which traversed by mountain path
volcanic tuff which is the main source that is being transformed into the zeolite.
Zeolite greatest utilization in the field of the environment is for the adsorption
process;due to the nature of zeolite as selective ion-exchange adsorbent is quite
high.
The use of a dye as the main raw material in the textile industry triggered
the environmental pollution caused by waste dyes. In general, the interaction of
the dye with water will produce dyes that are positively charged ions. Waste
problems caused by the cationic dye (methylene blue) require appropriate
handling methods. The adsorption process used in addressing the dye waste
pollution is a process that is simple and effective. Stages removal of waste dye
must be preceded by the selection of the proper adsorbent. Criteria found in
natural zeolite adsorbent.
The purpose of this study was to obtain data characterizing natural zeolite
Ende-NTT and zeolite transformation by hydrothermal method and zeolite
adsorption capacity of the methylene blue. Natural zeolite samples Ende used
comes from the mountain (ZG), marine (ZL) and brown colored zeolite (ZC).
Natural zeolite from the mountains, the sea, and the type of brown is a type of
zeolite mixture of mordenite and clinoptilolite, whereas zeolite hydrothermal
transformation of natural zeolite Ende is a type of zeolite NaP1 and faujasite
mixture.
Physical activation treatment (calcination) and chemically treatment using
HCl and NaOH solution were not change the structure of natural zeolite that much,
due to the thermal properties of natural zeolite quite sizeable and metal oxides
contained in zeolite played a role in maintaining the basic structure of the zeolite.
Results of the determination of maximum adsorption capacity of natural
zeolite Ende showed that the adsorption capacity of zeolite types ZG is 19.938
mg/g, ZL is 19.103 mg/g, and ZC is 18.673 mg/g, while the value of Cation
Exchange Capacity (CEC) for the type of zeolite ZG is 205.026 cmol/kg, ZL is
168.906 cmol/kg, and ZC amount is 165.286 cmol/kg. Transformation treatment
using hydrothermal method can enhance the adsorption capacity and the CEC row
are 37.398 mg/g and 244.063 cmol/kg, due to the transformation of natural zeolite
into a kind of synthetic zeolite NaP1 and faujasite has large crystallinity so the
zeolite activity can increased.
Keywords: zeolite, hydrothermal, adsorption, adsorption capacity, CEC
© 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
KARAKTERISASI DAN TRANSFORMASI ZEOLIT ALAM
ENDE-NTT DENGAN METODE HIDROTERMAL SERTA
APLIKASINYA SEBAGAI ADSORBEN PEWARNA KATION
YULIUS SAPRIANUS DALA NGAPA
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr Eti Rohaeti, MS
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Tritunggal atas segala
karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih
dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah karakterisasi
zeolit, dengan judul Karakterisasi dan Transformasi Zeolit Alam Ende dengan
Metode Hidrotermal serta Aplikasinya sebagai Adsorben Pewarna Kation.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Sri Sugiarti, SSi PhD dan Bapak
Dr Zaenal Abidin selaku komisi pembimbing yang telah banyak memberikan
bantuan dan arahan, Ibu Dr Eti Rohaeti, MS selaku dosen penguji luar komisi,
serta seluruh dosen Pascasarjana Kimia atas segala bimbingan dan ilmu yang
diberikan. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Tanoto Foundation
atas beasiswa National Champion Scholarship yang telah diberikan selama
pendidikan S2 di IPB. Di samping itu, terima kasih penulis sampaikam kepada
seluruh staf pegawai Departemen Kimia IPB, staf Laboratorium Kimia Anorganik
IPB, staf Laboratorium Bersama Kimia IPB, staf Laboratorium Kimia Analitik
IPB, staf Laboratorium Kimia Organik IPB, staf Laboratorium Kimia Fisik IPB,
staf Laboratorium Farmasi Universitas Pancasila, staf Laboratorium Forensik
Mabes Polri, dan staf Laboratorium PT. Indocement yang telah membantu selama
penelitian. Tak lupa pula, ungkapan terima kasih penulis sampaikan kepada
teman-teman Pascasarjana Kimia dan S-1 group riset Anorganik atas
kebersamaan, saran, masukan, dan motivasi yang diberikan dalam penyelesaian
karya ilmiah ini. Untuk ayah, ibu, dan seluruh keluarga terima kasih atas segala
doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2016
Yulius Saprianus Dala Ngapa
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
2
3
2 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan
Alat
Prosedur Penelitian
Preparasi Sampel Zeolit Alam
Aktivasi Zeolit Alam
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan metode Hidrotermal
Adsorpsi Biru Metilena
Penentuan Kapasitas Tukar Kation (KTK)
Isoterm Adsorpsi
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Preparasi Sampel Zeolit Alam
Aktivasi Zeolit Alam
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Kapasitas Adsorpsi dan Kapasitas Tukar Kation
Isoterm Adsorpsi
5
5
6
8
10
12
4 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
15
15
15
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
19
RIWAYAT HIDUP
27
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
Konsentrasi Fe terlarut dalam proses aktivasi kimia
Perbandingan Ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis
Kapasitas adsorpsi zeolit alam
Kapasitas adsorpsi zeolit alam beberapa negara dan hasil transformasi
Kapasitas Tukar Kation (KTK) zeolit alam Ende dan hasil transformasi
Parameter isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich biru metilena oleh
adsorben zeolit alam Ende
7
9
11
11
12
14
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal gunung (ZG)
Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal laut (ZL)
Difraktogram XRD zeolit alam Ende tipe coklat (ZC)
Difraktogram XRD zeolit alam hasil aktivasi HCl 3 M dan NaOH 3 M
Difraktogram XRD transformasi zeolit alam gunung (ZG)
Difraktogram XRD transformasi zeolit alam laut (ZL)
Difraktogram XRD transformasi zeolit lam tipe coklat (ZC)
Morfologi permukaan zeolit alam Ende dan hasil transformasi
Hasil uji adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende
Isoterm adsorpsi biru metilena zeolit alam Ende pada suhu kamar
Isoterm Langmuir biru metilena oleh zeolit alam Ende
Isoterm Freundlich biru metilena oleh zeolit alam Ende
5
6
6
7
8
8
9
10
10
13
13
14
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
Diagram Alir Penelitian
Struktur senyawa biru metilena
Penentuan kapasitas adsorpsi zeolit terhadap biru metilena
Data hasil percobaan kapasitas adsorpsi zeolit alam Ende terhadap biru
metilena
5 Data hasil percobaan isoterm adsorpsi zeolit alam Ende terhadap biru
metilena
6 Data hasil analisis isoterm adsorpsi dan perhitungan paramter adsorpsi
19
20
20
21
25
25
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Inovasi penelitian yang dilakukan di Indonesia adalah memanfaatkan
sumber daya alam yang ketersediaannya melimpah sehingga dapat memberikan
kontribusi terhadap pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Salah satu
sumber daya mineral yang ketersediaannya di alam dalam jumlah yang besar
adalah zeolit (Razzak et al. 2013). Zeolit merupakan mineral dari kelompok
alumino silikat (Al,Si)O4 tetrahedral yang terhidrasi logam alkali dan alkali tanah
dengan rumus umum M2/nO.Al2O3.y(SiO2).wH2O (Gougazeh & Buhl 2014).
Lokasi zeolit alam terdapat di daerah yang secara geografis terletak pada
jalur pegunungan vulkanik seperti pulau Sumatera, Jawa, Maluku, dan Nusa
Tenggara Timur (Wustoni et al. 2011). Data Badan Geologi, Departemen Energi
dan Sumber Daya Mineral mencantumkan bahwa Kabupaten Ende provinsi Nusa
Tenggara Timur (NTT) memiliki cadangan zeolit alam sekitar 20 juta ton
(Arryanto et al. 2012). Masyarakat di kabupaten Ende mengenal zeolit alam
sebagai batu hijau karena sebagian besar mineral zeolit berwarna hijau. Meskipun
cadangan zeolit alam di daerah tersebut cukup besar namun pemanfaatannya
belum maksimal. Sejauh ini zeolit alam hanya digunakan sebagai bahan untuk
lantai rumah dan batu hias di taman. Oleh karena itu, upaya peningkatan potensi
zeolit alam perlu dikembangkan dengan tujuan daya gunanya lebih bervariasi dan
menguntungkan sehingga dapat digunakan untuk keperluan dalam bidang
lingkungan, industri dan pertanian.
Pemanfataan zeolit di bidang lingkungan telah banyak dikembangkan
khususnya dalam mengatasi masalah pencemaran lingkungan yang disebabkan
oleh logam berat. Adanya logam-logam berat seperti Cu, Pb dan Cd tersebut
mempunyai tendensi terakumulasi dalam organisme sehingga menyebabkan
beberapa penyakit dalam tubuh mahkluk hidup dan dapat bertindak sebagai
penyebab mutagen (Musharafi et al. 2013). Inglezakis et al. (2006) memanfaatkan
zeolit alam sebagai adsorben untuk mengatasi pencemaran lingkungan yang
disebabkan oleh logam Pb. Di bidang industri, zeolit dimanfaatkan sebagai katalis
dalam proses dehidrasi seperti dalam proses dehidrasi pembuatan metanol dan
etanol (Takahashi et al. 2013). Dalam bidang pertanian, zeolit digunakan sebagai
bahan pembenah tanah khususnya pada jenis tanah yang kadar bahan organik dan
nilai kemampuan penukar ion rendah (Suwardi 2009).
Pada kenyataannya pemanfataan zeolit terus berkembang namun
kemampuan penukar ion zeolit telah menarik perhatian yang signifikan di antara
ilmuwan (Saryati et al. 2010). Berdasarkan Standar International, kualitas zeolit
alam yang baik jika memiliki nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) setelah
diaktivasi di atas 150 cmol/kg (Lins 2015), sedangkan Standar Nasional Indonesia
(SNI) 13-7168-2006 menetapkan nilai KTK zeolit alam setelah diaktivasi di atas
100 cmol/kg (Al Jabri 2008). Nilai KTK terhadap mineral zeolit yang tersebar di
Indonesia khususnya di kabupaten Ende perlu dilakukan karena zeolit yang
berbeda asalnya memerlukan penelitian tersendiri.
Saat ini telah dikenal jenis zeolit sintetis. Zeolit sintetis memiliki
kristalinitas tinggi, oksida logam dalam jumlah yang minimum serta aktivitas
2
katalitiknya tinggi akan tetapi ketersediaan zeolit sintetis tidaklah melimpah
sehingga membutuhkan biaya dalam memproduksinya serta tidak tahan pada
temperatur yang tinggi (Syafii et al. 2010). Menurut Wang et al. (2009) zeolit
alam memiliki sifat kestabilan termal yang baik namun kristalinitas dan aktivitas
katalitiknya rendah. Selain itu, zeolit alam banyak mengandung oksida logam dan
ukuran porinya sangat tidak seragam (Chaikittisilp 2014). Berdasarkan fakta ini,
salah satu peluang penelitian yang dapat dilakukan adalah mengarah pada
peningkatan kristalinitas zeolit melalui transformasi zeolit alam Ende sebagai
sumber Si dan Al dengan metode hidrotermal.
Perkembangan industri tekstil yang banyak menggunakan zat pewarna akan
menghasilkan polutan pewarna yang menjadi sumber utama pencemaran
lingkungan salah satunya pencemaran air. Dalam industri tekstil, zat warna
merupakan salah satu bahan baku utama. Zat warna tekstil umumnya berasal dari
turunan benzena seperti metil merah, metil jingga dan biru metilena (Widjajanti et
al. 2011). Permasalahan limbah yang berwarna memerlukan penanganan yang
tepat. Metode adsorpsi terlihat lebih menarik karena merupakan proses yang
sederhana dan efektif (Stankovic et al. 2009). Interaksi biru metilena dalam air
akan menghasilkan ion biru metilena yang bermuatan positif. Proses adsorpsi
melibatkan adanya adsorben yang efektif sehingga dapat mengimobilisasi zat
warna dari limbah. Adsorben yang digunakan harus memenuhi kriteria yang
dibutuhkan, diantaranya memiliki muatan yang berbeda dengan solut, mempunyai
daya serap yang besar terhadap solut, luas permukaan yang besar, tidak larut
dalam zat cair yang diadsorpsi, mudah didapat dan relatif murah. Kriteria
adsorben tersebut ditemukan pada zeolit alam (Wang & Peng 2010).
Karakterisasi dan pemanfaatan zeolit alam Ende sebagai sumber Si dan Al
untuk sintesis zeolit dengan metode hidrotermal belum pernah dikaji. Oleh karena
itu, dalam penelitian ini akan dilakukan sintesis zeolit alam dengan metode
hidrotermal dan diaplikasikan sebagai adsorben terhadap pewarna kation (biru
metilena).
Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas, yang menjadi masalah dalam penelitian ini
adalah belum adanya data dan publikasi ilmiah tentang karakterisasi zeolit alam
Ende-NTT serta kemampuannya sebagai adsorben.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh data karakterisasi zeolit alam
Ende-NTT dan kemampuan adsorpsi terhadap pewarna kation (biru metilena).
Manfaat Penelitian
Dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah tentang
karakterisasi zeolit alam Ende-NTT dan potensinya sebagai adsorben.
3
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dibagi atas 5 tahapan, yaitu pengambilan sampel dan
preparasi zeolit alam yang berasal Ende, Bayah, dan Cikalong. Sintesis zeolit dari
zeolit alam Ende menggunakan metode hidrotermal, karakterisasi zeolit
menggunakan XRD (untuk mengetahui jenis zeolit alam dan zeolit hasil
transformasi), SEM (untuk mengetahui morfologi kristal hasil sintesis). Tahapan
selanjutnya adalah penentuan kapasitas adsorpsi menggunakan Spektrofotometer
UV-Vis (untuk mengetahui konsentrasi biru metilena yang teradsorpsi oleh zeolit
dan nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) menggunakan AAS (untuk mengetahui
jumlah ion yang dipertukarkan). Penentuan isoterm adsorpsi menggunakan dua
model isoterm: isoterm Langmuir dan isoterm Freundlich (Lampiran 1).
2 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan mulai dari bulan Maret sampai Oktober 2015 di
Laboratorium Kimia Anorganik IPB, Laboratorium Kimia Analitik IPB,
Laboratorium Bersama IPB, Laboratorium Farmasi Universitas Pancasila,
Laboratorium Forensik Bareskrim Polri, Laboratorium PT. Indocement.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit alam Ende, HCl
(p.a), NaOH (merck), NH4Cl (merck), etanol (p.a), CaCl2 (merck), larutan baku
Ca 1000 mg/L, AgNO3 (merck), dan biru metilena (merck).
Alat
Alat yang digunakan adalah peralatan gelas, tanur, oven, sentrifuse Kokusan
H-107, shaker Titramax 101, SSA (Spektrofotometer Serapan Atom) Shimadzu
AA-7000, spektrofotometer UV-Vis Shimadzu 1700, Scanning Electron
Microscope (SEM) Carl-Zeiss Bruker EVO MA10, X-Ray Diffraction (XRD) D4
Bruker.
Prosedur Penelitian
Preparasi Sampel Zeolit Alam
Sampel zeolit alam diubah ukurannya menjadi serbuk halus dengan ukuran
butir lolos ayakan 200 mesh, dicuci dengan akuades, kemudian dikeringkan dalam
oven pada suhu 110 oC selama 4 jam, dan disimpan dalam desikator untuk
pemakaian selanjutnya.
4
Aktivasi Zeolit Alam
Sampel zeolit alam diaktivasi secara fisika dan kimia. Aktivasi fisika
dilakukan dengan cara zeolit dikalsinasi pada suhu 600 oC selama 4 jam. Aktivasi
kimia dilakukan dengan mencampurkan 50 gram zeolit dalam larutan HCl atau
NaOH pada konsentrasi 0, 0.5; 1.5; dan 3 M. Campuran diaduk dengan pengaduk
magnet selama 3 jam, kemudian dibilas dengan akuades sampai pH netral dan
dikeringkan dalam tanur pada suhu 300 oC selama 3 jam.
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Sampel zeolit alam dengan bobot total 5.0 gram ditambahkan 25 mL
larutan NaOH 3 M. Campuran dipanaskan pada suhu 60 oC selama 12 jam, yang
dikenal sebagai proses ageing, yaitu proses awal pembentukan inti kristal,
dilanjutkan pada suhu 100 oC selama 24 jam. Kristal yang dihasilkan selanjutnya
dibilas dengan akuades sampai pH netral dan dikeringkan dalam tanur pada suhu
300 oC selama 3 jam.
Adsorpsi Biru Metilena
0.3 gram sampel zeolit alam dicampurkan dengan 15 mL larutan biru
metilena 400 mg/L, kemudian dikocok dengan menggunakan shaker selama 1 jam,
dan disentrifus pada kecepatan 3500 rpm selama 15 menit. Filtrat diukur dengan
spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum.
Penentuan Kapasitas Tukar Kation (KTK)
0.1 gram zeolit ditambahkan larutan CaCl2 0.5 M sebanyak 10 ml dan
dijenuhkan selama 24 jam. Larutan dipisahkan dengan cara disentrifus pada
kecepatan 3500 rpm selama 15 menit. Supernatan dibuang dan pelet selanjutnya
dicuci dengan menggunakan etanol 80% hingga bebas klorida.
Pelet yang sudah bebas klorida selanjutnya diekstraksi untuk mengambil
kalsium yang terjerap di contoh zeolit. Ekstraksi dilakukan dengan menggunakan
NH4Cl 1 M sebanyak 10 ml selama 1 jam. Proses ekstraksi diulang sebanyak 5
kali. Ekstrak yang telah terkumpul selanjutnya ditera dengan NH 4Cl 1 M sampai
volume 100 ml. Pengukuran kalsium dilakukan dengan spektrometer serapan
atom.
Isoterm Adsorpsi
Sampel zeolit sebanyak 0.2 gram ditambahkan ke dalam 15 mL larutan biru
metilena dengan konsentrasi 250, 500, 750, 1000, 1250 mg/L kemudian
dijenuhkan sambil dishaker selama 24 jam, selanjutnya disentrifus pada kecepatan
3500 rpm selama 15 menit. Filtrat diukur dengan spektrofotometer UV-Vis.
5
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Preparasi Sampel Zeolit Alam
Penelitian ini diawali dengan preparasi sampel zeolit alam yang berasal dari
kabupaten Ende provinsi Nusa Tenggara Timur (NTT). Pemilihan sampel
dilakukan dengan menentukan asal dan jenis zeolit yang akan digunakan. Zeolit
alam berasal dari beberapa lokasi yang ada di kabupaten Ende dan juga beberapa
daerah yang ada di Indonesia. Sampel zeolit alam Ende diambil dari lokasi
gunung (ZG), laut (ZL), dan zeolit bertipe coklat (ZC). Zeolit alam yang berasal
dari Bayah (BYH) dan Cikalong (CKL) digunakan sebagai pembanding karena
zeolit dari kedua daerah tersebut mewakili jenis zeolit yang paling umum
ditemukan di Indonesia yaitu mordenit Na8(Al8Si40O96).24H2O dan klinoptilolit
(Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O.
Preparasi awal dilakukan dengan menggiling zeolit hingga dihasilkan
serbuk halus lolos ayakan 200 mesh. Pengubahan ukuran dimaksudkan untuk
menghomogenkan ukuran dan memperbesar permukaan kontak sehingga
kemampuan adsorpsi dapat lebih maksimal (Kim & Ahn 2011). Proses pencucian
dengan akuades dan pemanasan yang dilakukan di tahap preparasi adalah untuk
menghilangkan pengotor dan menguapkan air yang terkandung dalam kristal
zeolit sehingga dapat memperbesar keaktifan zeolit, yang disebabkan terbukanya
pori-pori zeolit.
Hasil analisis XRD yang dilakukan terhadap zeolit alam Ende yang berasal
dari gunung (ZG), laut (ZL), dan zeolit tipe coklat (ZC) sebelum diaktivasi dan
ditransformasi diperoleh hasil bahwa zeolit alam tersebut merupakan campuran
jenis mordenit dan klinoptilolit karena mempunyai puncak-puncak yang
karakteristik pada sudut 2θ sesuai dengan database JCPDS (Joint Committee on
Powder Diffraction Standards). Intensitas puncak tertinggi yang muncul untuk
zeolit jenis mordenit terdapat pada sudut 2θ = 25.63, 26.25, dan 27.67 sedangkan
untuk zeolit jenis klinoptilolit puncak yang muncul terdapat pada sudut 2θ =
22.36, 22.49, dan 29.07. Gambar 1, Gambar 2, dan Gambar 3 berturut-turut
menunjukkan difraktogram zeolit alam Ende jenis ZG, ZL, dan ZC.
14000
Intensitas (a.u)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Gambar 1 Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal gunung (ZG)
70
6
16000
Intensitas (a.u)
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Intensitas (a.u)
Gambar 2 Difraktogram XRD zeolit alam Ende asal laut (ZL)
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= klinoptilolit,
= mordenit
Gambar 3 Difraktogram zeolit alam Ende tipe coklat (ZC)
Aktivasi Zeolit Alam
Zeolit alam umumnya masih mengandung uap air dan oksida logam dalam
jumlah yang cukup besar sehingga menyebabkan kemampuan adsorpsi dan
penukar ionnya rendah. Untuk meningkatkan kualitas zeolit alam diperlukan
proses aktivasi. Perlakuan aktivasi pada penelitian ini dilakukan secara fisika dan
kimia. Proses aktivasi fisika dilakukan dengan kalsinasi sampel zeolit pada suhu
600 oC. Perlakuan ini bertujuan untuk menghilangkan uap air dan oksida-oksida
logam yang terjerap di dalam zeolit. Terlepasnya uap air dan oksida-oksida logam
dari rongga zeolit akan menyebabkan terbentuknya rongga kosong sehingga
kemampuan adsorpsi zeolit meningkat (Djaeni et al. 2010).
Aktivasi kimia dilakukan dengan senyawa asam (HCl) dan basa (NaOH).
Perlakuan asam bertujuan untuk menghilangkan oksida-oksida logam yang
7
terjerap dan menutupi permukaan zeolit sehingga lebih porous dan bidang kontak
menjadi lebih besar, sedangkan perlakuan basa akan menghasilkan pembentukan
senyawa silikat sehingga permukaan zeolit akan berubah menjadi semakin negatif.
Penambahan luas bidang kontak dan permukaan zeolit yang semakin negatif dapat
meningkatkan kemampuan zeolit sebagai adsorben (Wang et al. 2012).
Variasi konsentrasi HCl dan NaOH 0.5 M; 1.5 M; dan 3 M bertujuan untuk
mendapatkan hasil aktivasi terbaik serta mengetahui ketahanan struktur zeolit
terhadap asam dan basa. Aktivasi dengan HCl dan NaOH hingga konsentrasi 3 M
tidak mengubah puncak-puncak difraktogram secara signifikan. Zeolit alam relatif
stabil disebabkan struktur yang banyak mengandung oksida logam berperan dalam
memberikan ketahanan terhadap struktur dasar zeolit. Gambar 4 menunjukkan
difraktogram zeolit alam Ende yang berasal dari gunung (a) tanpa perlakuan; (b)
aktivasi HCl 3 M; (c) aktivasi NaOH 3 M.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4 Difraktogram XRD zeolit alam gunung (a) tanpa perlakuan;
(b) aktivasi HCl 3 M; (c) aktivasi NaOH 3 M
Salah satu oksida logam yang keberadaannya cukup besar dalam struktur
zeolit alam Ende adalah besi (Fe). Hal ini dibuktikan dengan hasil pengukuran
kandungan besi yang larut dalam HCl dan NaOH setelah proses aktivasi. Tabel 1
menunjukkan kandungan Fe yang larut dalam proses aktivasi zeolit alam Ende
menggunakan larutan HCl dan NaOH pada konsentrasi 3 M.
Tabel 1 Konsentrasi Fe terlarut dalam proses aktivasi kimia
Asal Zeolit
ZG
ZL
ZC
Konsentrasi Fe terlarut dalam zeolit (mg/L)
Aktivasi HCl 3 M
Aktivasi NaOH 3 M
3100.221
7.724
4676.224
9.743
6065.363
12.635
8
Transformasi Zeolit Alam Ende dengan Metode Hidrotermal
Hasil analisis XRD terhadap zeolit hasil transformasi dengan metode
hidrotermal dari zeolit alam Ende jenis ZG, ZL, dan ZC menunjukkan bahwa
zeolit yang terbentuk adalah campuran zeolit NaP1 dan faujasit. Setiap sampel
mempunyai puncak yang karakteristik dengan membandingkan sudut 2θ pada
database JCPDS. Intensitas puncak yang muncul untuk zeolit NaP1 pada sudut 2θ
= 17.66, 21.67, 28.10, dan 33.38, sedangkan untuk faujasite muncul pada sudut 2θ
= 23.58, 26.97, dan 27.70. Transformasi zeolit alam menjadi tipe NaP1 dan
faujasit menghasilkan substitusi Si (IV) dan Al (III) dalam struktur zeolit menjadi
lebih negatif. Sifat zeolit yang demikian akan bersinergi dalam menghilangkan
limbah yang disebabkan oleh pewarna kation (biru metilena) melalui proses
adsorpsi. Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar 7 berturut-turut menunjukkan
difraktogram zeolit sintetis hasil transformasi.
Intensitas (a.u)
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= NaP1,
= Faujasit
Intensitas (a.u)
Gambar 5 Difraktogram XRD transformasi zeolit gunung (ZG)
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
2θ (o)
Keterangan: = NaP1,
= Faujasit
Gambar 6 Difraktogram XRD transformasi zeolit laut (ZL)
70
9
Intensitas (a.u)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
30
40
50
60
70
2θ (o)
Keterangan:
= NaP1,
= Faujasit
Gambar 7 Difraktogram XRD transformasi zeolit tipe coklat (ZC)
NaOH yang direaksikan dengan zeolit alam bertindak sebagai aktivator
yang dapat melarutkan Si dan Al yang terkandung dalam sampel zeolit dan
selanjutnya mengalami proses aging, yaitu proses pembentukan inti kristal zeolit
selama pemanasan berlangsung (Jozefaciuk & Bowanko 2002). Kation Na+ juga
berperan penting dalam zeolitisasi dimana produksi natrium silikat yang larut
dalam air makin tinggi sehingga proses pengkristalan dalam pembentukan zeolit
sintetis menjadi lebih cepat (Johnson & Arshad 2014). Bertambahnya
pembentukan natrium silikat akan meningkatkan produk zeolit yang dihasilkan.
Metode hidrotermal bertujuan menghasilkan zeolit dengan tingkat kemurnian
tinggi dan sifat termal yang baik sehingga lebih tahan terhadap panas. Zeolit
sintesis yang dihasilkan memiliki ratio Si/Al yang berbeda-beda. Perbandingan
ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2 Perbandingan ratio Si/Al beberapa zeolit sintesis
Tipe zeolit
NaP1
Faujasit
Zeolit A
Zeolit X
Ratio Si/Al
Literatur
2.7
Cardoso et al.
(2015)
2.5
Ltaief et al.
(2015)
≈1
Benaliouche et al.
(2014)
1.3
Abda et al.
(2015)
Morfologi partikel kristal hasil transformasi zeolit alam Ende dengan
metode hidrotermal diamati dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Secara
umum, foto SEM menunjukkan bahwa semua partikel zeolit sintetis tampak
kristal dan memiliki bentuk partikel yang berbeda dengan zeolit alam sebelum
ditransformasi. Kristal berbentuk ortorombik tampak lebih dominan dari bentuk
partikel yang lain, ini diindikasikan sebagai partikel zeolit NaP1 sesuai yang
dipaparkan pada hasil XRD (Cardoso et al. 2015). Pembentukan faujasit melalui
proses hidrotermal terlihat pada puncak XRD, tetapi karena jumlahnya sedikit
sehingga tidak terdeteksi jelas dengan SEM. Gambar 8 menunjukkan morfologi
permukaan zeolit alam Ende sebelum ditransformasi dan zeolit hasil transformasi.
10
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 8 Morfologi permukaan zeolit alam Ende: (a) tanpa perlakuan; (b)
transformasi ZG; (c) transformasi ZL; (d) transformasi ZC
Kapasitas Adsorpsi dan Kapasitas Tukar Kation
Zeolit alam Ende dan zeolit hasil sintetis yang merupakan transformasi
zeolit alam dengan metode hidrotermal berperan sebagai adsorben, seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 9. Hal ini dibuktikan dengan memudarnya warna biru
metilena yang teradsorpsi pada sampel zeolit setelah dilakukan proses adsorpsi.
(a)
(b)
Gambar 9 Hasil uji adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende (a) sebelum
diadsorpsi; (b) setelah proses adsorpsi
Penentuan kapasitas adsorpsi dilakukan untuk mengetahui daya adsorpsi
zeolit alam Ende terhadap pewarna kation dengan model yang digunakan adalah
11
biru metilena (Lampiran 2). Nilai kapasitas adsorpsi meningkat setelah dilakukan
aktivasi secara fisika dan kimia serta ditransformasi dengan metode hidrotermal
(Tabel 3). Peningkatan nilai kapasitas adsorpsi zeolit yang telah diaktivasi secara
fisika melalui proses kalsinasi dan diaktivasi kimia menggunakan larutan HCl dan
NaOH pada variasi konsentrasi tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan
dibandingkan dengan kapasitas adsorpsi setelah ditransformasi dengan metode
hidrotermal (Lampiran 3). Kapasitas adsorpsi dihitung dengan cara:
qe =
V (Co − Ce)
m
Keterangan : qe = kapasitas adsorpsi/ion biru metilena yang teradsorpsi (mg/g)
pada kesetimbangan; V = volume larutan; Co = konsentrasi awal ion biru metilena
(mg/L); Ce = konsentrasi ion biru metilena dalam larutan pada saat
kesetimbangan (mg/L); m = masssa zeolit (gram).
Asal
Zeolit
ZG
ZL
ZC
BYH
CKL
Tabel 3 Kapasitas Adsorpsi zeolit alam
Kapasitas Adsorpsi (mg/g)
Tanpa Perlakuan
Aktivasi NaOH 3 M
17.289
17.276
16.483
18.657
18.251
19.938
19.103
18.676
19.854
19.093
Transformasi
Hidrotermal
37.398
37.369
37.362
Tidak dilakukan
Tidak dilakukan
Perbandingan nilai kapasitas adsorpsi zeolit alam Ende terhadap zat warna
biru metilena dengan zeolit dari beberapa negara yang telah dilaporkan
sebelumnya ditunjukkan pada Tabel 4.
Tabel 4 Kapasitas adsorpsi zeolit alam beberapa negara dan hasil transformasi
Asal zeolit
Tipe zeolit
Ende
Australia
Cina
Iran
Hidrotermal
Mordenit + Klinoptilolit
Mordenit + Klinoptilolit
Klinoptilolit
Klinoptilolit
NaP1 + Faujasit
Kapasitas
adsorpsi (mg/g)
19.585
20.152
19.943
20.214
37.398
Literatur
Penelitian
Wang & Zhu (2006)
Han et al. (2009)
Jafari-zare et al. (2010)
Penelitian
Menurut Syafii et al. (2010), salah satu indikator umum untuk mengetahui
kualitas dari zeolit sebelum dan sesudah diaktivasi adalah dengan mengukur
kemampuan pertukaran ion. Kemampuan ini dinyatakan sebagai Kapasitas Tukar
Kation (KTK). KTK adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan maksimum
oleh 100 g zeolit. Penentuan nilai KTK diawali dengan menentukan kapasitas
adsorpsi dari sampel zeolit. Kapasitas adsorpsi terbesar dihasilkan oleh sampel
zeolit yang diaktivasi HCl dan NaOH masing-masing pada konsentrasi 3 M
selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai KTK. Hasil pengukuran KTK
diperoleh bahwa proses aktivasi zeolit secara fisika dan kimia dapat meningkatkan
nilai KTK. Proses transformasi hidrotermal terhadap zeolit alam juga mampu
12
meningkatkan nilai KTK baik untuk zeolit yang berasal dari gunung, laut dan
jenis zeolit coklat (Lampiran 4). Hasil pengukuran nilai kapasitas tukar kation
terhadap zeolit mulai tahap preparasi, aktivasi secara fisika dan kimia serta
transformasi melalui proses hidrotermal menunjukkan kenaikan secara teratur
(Tabel 5).
Tabel 5 Kapasitas Tukar Kation (KTK) zeolit alam dan hasil transformasi
Kapasitas Tukar Kation (cmol/kg)
Asal
Zeolit
Tanpa Perlakuan Aktivasi NaOH 3 M
Transformasi
ZG
84.154
205.026
244.063
ZL
81.042
168.906
216.354
ZC
77.474
165.286
211.432
Kenaikan nilai kapasitas adsorpsi dan kapasitas tukar kation (KTK) melalui
proses aktivasi dan hidrotermal disebabkan perlakuan ini telah membersihkan
rongga pori zeolit dari molekul air dan oksida-oksida logam serta menghasilkan
zeolit dengan kristalinitas yang besar sehingga aktivitas zeolit meningkat (Tatlier
et al. 2014). Dalam keadaan normal, ruang hampa dalam kristal zeolit diisi oleh
molekul air dan oksida-oksida logam yang dianggap sebagai pengotor. Adanya
rongga-rongga kosong pada permukaan zeolit tersebut dapat memperbesar
permukaan aktif sehingga kemampuan adsorpsi menjadi lebih besar (Alshameri et
al. 2014).
Perlakuan hidrotermal telah menghasilkan kondisi zeolit yang lebih aktif.
Permukaan zeolit yang dihasilkan melalui proses hidrotermal lebih negatif
sehingga memiliki kemampuan yang tinggi untuk melakukan penukaran kation.
Selain menyingkirkan oksida-oksida logam yang menutupi daerah pertukaran dan
memperbesar ukuran pori, proses hidrotermal juga dapat menyebabkan terjadinya
proses transformasi zeolit alam menjadi jenis zeolit sintetis dengan kualitas yang
lebih baik dari sebelumnya (Watanabe et al. 2005).
Isoterm Adsorpsi
Penentuan isoterm adsorpsi dilakukan untuk menentukan hubungan antara
konsentrasi adsorbat dan tingkat penyerapannya ke permukaan adsorben pada
suhu kamar. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kenaikan konsentrasi awal
biru metilena menghasilakn kenaikan jumlah zat tersebut yang teradsorpsi
(kapasitas adsorpsi). Jumlah biru metilena yang teradsorpsi meningkat dari 18.655
menjadi 49.115 mg/g dengan konsentasi awal 250, 500, 750, 1000, dan 1250
mg/L. Hal ini disebabkan karena makin tinggi konsentrasi adsorbat maka makin
banyak pula jumlah biru metilena dalam larutan yang teradsorpsi (Lampiran 5).
Kesetimbangan adsorpsi isoterm biru metilena pada suhu kamar oleh zeolit alam
Ende ditunjukkan pada Gambar 10.
13
60
50
qe (mg/g)
40
30
20
10
0
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
Ce (ppm)
Gambar 10 Isoterm adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende ZG pada suhu
kamar (29 oC), konsentrasi ion awal: 250; 500; 750; 1000; dan 1250
mg/L, bobot adsorben 0.2 gram, dan waktu kontak 24 jam.
Data percobaan isoterm adsorpsi biru metilena oleh zeolit alam Ende
dianalisis dengan menggunakan dua model isoterm adsorpsi yaitu model
Langmuir dan Freundlich (Lampiran 6). Isoterm Langmuir berdasarkan adsorpsi
monolayer pada sisi aktif adsorben yang homogen, sedangkan isoterm Freundlich
menggambarkan adsorpsi pada permukaan heterogen (Jafari-zare et al. 2009).
Isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich ditunjukkan pada Gambar 11 dan 12.
14.000
12.000
Ce/qe (g/L)
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0.000
0
100
200
300
400
500
600
700
Ce (mg/L)
Gambar 11 Isoterm Langmuir biru metilena oleh zeolit alam Ende ZG
Log qe
14
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
Log Ce
Gambar 12 Isoterm Freundlich adsorpsi biru metilena oleh zeolit Ende ZG
Berdasarkan persamaan isoterm Langmuir dan Freundlich maka nilai
parameter isoterm qm, Kf, n, dan R2 dapat ditentukan dari kemiringan dan
intersep. Hasil perhitungan nilai parameter isoterm disajikan pada Tabel 6.
Tabel 6 Parameter isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich biru metilena oleh
adsorben zeolit alam Ende
Langmuir
Zeolit alam
Ende
qm
49.501
b
0.388
R2
0.999
Freundlich
RL
0,0102
Kf
21,57
R2
0.805
n
0.142
Pada adsorpsi biru metilena dengan zeolit alam Ende menunjukkan nilai
korelasi model Langmuir lebih besar dibandingkan model Freundlich,
menunjukkan bahwa proses adsorpsi didominasi adsorpsi monolayer (homogen).
Isoterm Langmuir menggambarkan adsorpsi kimia pada satu sisi aktif dimana
sekali molekul menempati sebuah sisi aktif maka tidak akan teradi penyerapan
lebih lanjut. Apabila sisi aktif adsorben sudah jenuh dengan adsorbat maka
kenaikan konsentrasi adsorbat tidak meningkatkan jumlah biru metilena yang
teradsorpsi (Rasouli et al. 2012).
Parameter lain yang dapat menentukan model isoterm adsorpsi adalah nilai
RL yang merupakan parameter kesetimbangan atau dimensi adsorpsi. Jika R L > 1
menggambarkan adsorpsi kurang baik, RL = 1 proses adsorpsi linier, 0