SINTESIS ZEOLIT DARI ABU SEKAM PAm MENGGUNAKANMETODE PROSES HIDROGEL

Doyeh Setiawan, Dadang SopriyatnaP3TN-Batan, Bandung

ABSTRAK

S/NTES/S ZEOLIT DAR/ ABU SEKAM PAD/ MENGGUNAKAN METODE PROSESH/DROGEL. ZeD/it merupakan suatu mineral yang sangat baik untuk bahan sorben. Ha/ inizeD/it sebagai padatan krista/ yang terdiri dari mineral alumino si/ikat kerangka tiga dimensi,mempunyai rongga dan ce/ah dengan /uas pennukaan /ebih besar dibagian da/am dari padadibagian /uamya. Sifat spesifik ini menjadikan zeD/it potensia/ untuk digunakan sebagai bahansorben. Besamya /uas pennukaan zeD/it, pada saat ini sudah dapat disintesis sesuai dengankebutuhan. Pada pene/itian ini proses sintesis zeD/it dari abu sekam padi sebagai sumbersi/ikanya, te/ah di/akukan me/a/ui reaksi antara natrium si/ikat dengan natrium a/uminat da/am/ingkungan basa yang menghasi/kan krista/ zeD/it, metode ini dikena/ dengan proses hidroge/.Rendemen hasi/ zeD/it sintesis ada/ah 84 %, karakterisasi dengan metode X-RF dipero/ehperbandingan Si/A/ = 0.93, pengujian dengan X-RD dipero/eh jenis zeD/it Soda/it [Na6(A/O2)6(SiO2)6.8H20], yang mempunyai /uas pennukaanspesifik 25,59 m2/g.)

ABSTRACT

SYNTHESIS OF ZEOLITE FROM RICE HUSK ASH BY USING THE HYDROGEL PROCESSMETHOD. Zeolite is a good mineral for sorbents material. Zeolite is a cristalline solid consistingof three dimension frame worl< alumino silicate, having cavity and space with bigger insidesurface area than autside. The spesifications make zeolite potential for sorbents material. Thezeolite surface can now be synthesized for various purposes. The synthesis of zeolite from ricehusk ash as silicate source has been done by reacting sodium silicate and sodium aluminate inaic environment resulted in a crystall of zeolite structure. This method is called hydrogelprocess. The rendement of zeolite synthesis is 84 %. characterization with X-RF method is Si/AI= 0.93 ratio. with X-RD test ?ained a kind of zeolite soda lite [Na6(AIO2)6(SiOv6.8H20 J. has

specific surface area 25.59 m /g.

alaIn, yang dikenal sebagai proses hidrogel[2,3].Proses hidrogel ini adalah reaksi antara alkalialuminat dengan alkali silikat dalam lingkunganbasa membentuk gel daD berubah menjadi kristalsetelah dibiarkan dalam waktu tertentu. Bentukkristal tergantung jumlah daD jenis pereaksi yangdigunakan seperti sumber SiO2 serta suhu. Sekampadi sisa penggilingan beras biasanya dibuang ataudibakar begitu saja, padahal sekam mempunyaikandungan spesiftk terutama tingginya serat kasar,lignin daD abu. Abu merupakan komponeninayoritas didalam sekam yang jumlahnya bervariasiantara 13,2 % -29 %, daD umumnya lebih dari 90 %adalah silikar4]. Pemanfaatan abu sekam padi dapatdigunakan sebagai sumber SiO2 untuk tujuansintesis zeolit, yang ditunjang mengingat bumiIndonesia penghasil beras yang besar. Luasnyapermasalahan yang menyangkut mineral zeolit,sehingga perlu dilakukan pembatasan yang dalampenelitian ini hanya proses sintesis daD penentuan

PENDAHULUAN

Z eolit adalah suatu mineral yang menjadi salahsatu topik yang menarik disetiap pertemuan

ilmiah, terutama dibidang industri, petemakan,kesehatan atau kelestarian lingkungan. Hal inidisebabkan karena zeolit merupakan padatankristalin mampu memenuhi keinginan yang selamaini tidak dapat diperoleh dari mineral-mineral yanglain. Zeolit terdiri dari aluminosilikat yangmembentuk kerangka tiga dimensi, mempunyairongga daD celah dengan luas permukaan dalarnnyalebih besar dari pada luas permukaan kristal bagianluarIl]. Sifat demikian cocok untuk mempelajariaspek dasar keadaan kesetimbangan daD kinetikaperistiwa sorpsi. Besamya luas permukaan zeolit,sudah dapat disintesis sesuai kebutuhan denganberkembangnya penelitian-penelitian tentang zeolit.Telah dipublikasikan ratusan metode sintesis yangumumnya meniru proses terbentuknya zeolit di

Prosiding Pertemuan dan Presentasi ttmiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15 Juti 1999Buku II

luas permukaan dari zeolit tersebur5.6). Sedangkankarakterisasi sifat zeolit seperti penukar ion,adsorpsi, katalis dan penyaring molekul merupakanlaporan yang akan datang.

TEORI DASAR

L = ns,N,crO (2)

ns = [x/m]/Wx/rn = K1 .C / K2 .C + I = K1 .C / K2 .C = K1 / K2

dirnana:L = luas permukaan spesifik per gram adsorben,

rn2/g.ns = jumlah molekul kedudukan adsorbat per gram

adsorben, mol/g. Tetapan ns ini diperoleh daripercobaan hubungan C/x/rn terhadap C,dengankemiringannya adalah K2IK1 dan titikperpotongannya adalah IlK,.

N = bilangan Avogadro0'0 = luas rnuka molekul efektif, Amstrong.W = Berat molekul

TATA CARA KERJA

Bahan kimia dan peralatan.

Bahan kimia yang digunakan adalah abusekarn padi (asal Cibalong Tasikmalaya), ProdukE.Merck : NaOH p.a, Na2CO3 p.a, HCI , KSCN p.aMetilen Biru.

Peralatan yang digunakan adalahTimbangan Analitis (Mettler AE 200), Reaktorzeolit, XRF (Shimadzu Corp), SpektrofotometerUV-VIS (Shimadzu Corp), XRD (Shimadzu Corp),Furnist, peralatan gelas lainnya.

Kerangka Zeolit terdiri dari molekul-molekul yang terikat satu sarna lain dengan gaya-gaya yang kuat akan membentuk struktur tigadimensi yang kuat, disebut kisi kristal. Kisi kristalini merupakan struktur mikro dari kerMgka zeolityang terdiri dari penggabungan dan pengulanganunit-unit tetrahedral AlO4 dan SiO4 yangdihubungkan melalui atom oksigen.Rumus ideal dari struktur kisi zeolit adalah [1,3):

Mx/n(AIO2)x(SiO2)y m H2O (1)

dengan:M = Ion logamx,y,m = bilangan tertentun = muatan ion logam

bagian dalam kurung menunjukkan komposisikerangka zeolit, dikenal kristal alumino silika.

Klasiflkasi untuk identifikasi zeolit adalahberdasarkan unit-unit primer, sekunder, polihedralsimetris[I,3,7): Unit primer merupakan bentuktetrahedra dengan atom pusat Si4+ atau A14+(disingkat T) dengan atom oksigen pada sudut-sudutnya. Bentuk tetrahedral ini bergabung satudengan yang lain membentuk kerangka tiga dimensidengan rumusan ideal (TOVn' Unit sekundermerupakan hasil penyusunan unit primer berupacincin-cincin tunggal, ganda. Cincin tunggal terdiridari, Cincin empat tunggal, Cincin enam tunggal,Cincin delapan tunggal. Sedangkan Cincin gandaterdiri dari, Cincin empat ganda, Cincin enam

ganda.

Analisis abu sekam padi

Abu sekam padi sebanyak 20 gram yangsudah halus dicuci dengan 50 ml HCl 10 %,kemudian dicuci dengan air suling sampai bebasasam, lalu dibakar dalam tanur pacta suhu 1000 °Cselama 2 jam. Analisis komposisinya dilakukandengan metode XRF.

Unit polihedral simetris adalah basilsusunan daTi unit-unit primer, membentuk bangunyang besar, tersusun daTi 14 bedrOll dengan 24 unitbangun primer saling dihubungkan oleh 36 atomoksigen. Dari bangun sodalit terlihat ada 6 cincinempat tunggal, clan 6 cincin enam tunggal. Sodalitakan saling dihubungkan dengan sodalit lainnyamelalui jembatan 4 oksigen, membentuk ronggapolihedral yang kosong. Unit-unit polihedral sodalitjika dihubungkan dengan bagian luar unit selmelalui bangun sekunder cincin delapan,menghasilkan ruang celah dengan diameter tertentu.Bentuk rongga clan celah ini yang membuat zeolitberbeda daTi mineral-mineral lain, sehingga aktivitaszeolit terjadi pada daerah ini dengan luas permukaanyang sangat besar. Untuk menentukan luaspermukaan digunakan persamaan model adsorpsiisoterm sbb[5.6j.

Sintesis zeolit

Ditimbang sejumlah bahan dasar zeolit dariabu sekam padi yang telah ditentukan kadarsilikanya, kemudian ditambah Na2CO3 denganperbandingan 1 : 2 (g), diaduk pacta cawan platinaclan dilebur pada suhu 1000 °C selama 0.5 jam.Hasil peleburan dilarutkan dalam 100 ml air sulingpacta gelas kimia 500 mI. Dalanl gelas kimia yanglain dilarutkan 2 gram logam aluminium dalam 100ml NaOH 4 N, kemudian ditambahkan kedalambasil leburan dan diaduk selama 2 jam sampaiterbentuk gel yang homo gen. Gel kemudiandimasukan kedalam botol teflon dart ditempatkanpacta reaktor yang tertutup rapat dengan suhu 90 °Cselama 2 hari. Hasil yang diperoleh berupa kristalkemudian dikarakterisasi komposisi kimianyadengan metode XRF, jenis kristalnya dengan XRD,

Duyeh Setiawan, dkkKimia NuklirISSN 0216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juli 1999 Buku II

penentuan luas permukaannya dengan adsorpsiisoterm langmuir terhadap metilen biru.

Analisis Komposisi Kimia AbuSekam Dan Zeolit Sintesis.

Pengukuran komposisi kimia denganmenggunakan XRF diperoleh data seperti padaTabel 1.

Tabell. Komposisi kimia abu sekam padi danzeolit sintesis.

K~£~.)Parameter

SiO2AI203Fe203CuDMgOPbONa20

Abu sekam padi97,401,200,130,01014-,. .1,05_0,10

Zeoli! sin!esis46,1144,200,100,010,460,02-~O

Tabel I menunjukkan bahwa Sial dari abusekam padi merupakan unsur yang dominan,sehingga dapat digunakan untuk bahan dasar dalampembuatan zeolit. Untuk memperoleh zeolit denganperbandingan Si/AI = I, maka dalam pembuatannya

ditambahkan logam aluminium. Dari hasil sintesiszeolit diperoleh perbandingan Si/AI = 0,93 atauperbandingan SiOz/AlzOJ = 1,04.

Penentuan Luas PermukaanSpesifi k

Penentuan waktu kontak.Dimasukan larutan metilen biru kedalam

botol 50 ml dengankonsentrasi 8 ppm sebanyak 25mI. Selanjutnya zeolit ditimbang sebanyak 0,1 g dandimasukan kedalam larutan metilen biru tadi. Lalularutan dikocok dengan yariasi waktu pengocokan

10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110 dan 120menit pada suhu tetap, kemudian larutandisentrifugasi dan filtratnya diukur pada serapanpanjang gelombang maksimum, 665 nm. Waktukontak ditentukan melalui kurva antara waktuterhadap banyaknya metilen biru yang teradsorpsi.

Penentuan konsentrasi keseti/11bangan.Kedalam 7 buah botol 50 ml, masing-

niasing dimasukan 25 ml larutan metilen birudengan konsentrasi 10, 15, 20, 25, 35, 40 dan 50ppm. Kemudian zeolit ditimbang sebanyak 0, I gdan dimasukan kedalam masing-masing larutanmetilen biru tadi, lalu dikocok melebihi waktukontak dengan slmu tetap. Selanjutnya larutandisentrifugasi dan filtrat diukur serapannya padapanjang gelombang maksimum, 665 nm. Besamyaluas permukaan dihitung dengan persamaanadsorpsi isoterm, yaitu dari perbandingan jumlahadsorb at dengan jumlah adsorben terhadapkonsentrasi kesetimbangan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakterisasi zeolit si ntesis

Identifikasi zeolit dengan Difraksi Sinar-XDifraksi sinar-x mineral zeolit basil sintesis

memberikan sudut hamburan yang dapatdikonversikan terhadap jarak antar bidang (d)melalui persamaan Bragg. Dan dapat ditentukanpula intensitas relatif (1/10) untuk setiap suduthamburan yang dibandingkan dengan puncak yangtertinggi pacta pola difraksi (Gambar I). Jarak antarbidang dan intensitas relatif dari setiap suduthamburan basil penentuan X-RD untuk mineralzeolit basil sintesis dib~dingkan dengan indeksnumerik ASTM (American Society for Testing ofMaterial) seperti ditunjukkan pacta Tabel 2.

Tabel2. Perbandingan harga (d) dan (1/10) zeolitbasil sintesis dengan indeks numerik zeolitsodalit dan phillipsite menurut ASTM.

Zeoli! sodali!(ASTM)

Zeolit phillipsite!~~TM)

Zeolit sintesis

d 1/101110041

1 111 17

I 1, 16

~1ii~~~

1§I.j!~

1/1030100

~53030

~

lli~~~3,21m

1/10

401006080100100

Sintesis zeolit.

Reaksi polimerisasi ion-ion aluminatdengan silikat dalam lingkungan basa menghasilkankristal yang diawali pembentukan gel, disebutproses hidrotermal atau hidrogel. P~mbentukankristal berlangsung lambat, karena zeolit tidakseluruhnya bersifat janik, tetapi sebagian terbentukdari reaksi kondensasi membentuk ikatan Si-O- T (T= Al atau Si) bersifat kovalen. Reaksi kimia proseshidrogel diperkirakan sebagai berikut :

..Na2S103aq+NaA1(Om4 aq + N aOHaq

1ti=25°C

[Na~(AIO2)o(SiO2)cNaOR.H20r [gel]

..t2=25 -175 °C

[N ax(AIO2)x(SiO2)y]..M .H20 + larutan

(Kristal zeolit)

Duyeh Setiawan, dkk Kimia Nuklir ISSN 0216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 19998 Buku 11

Tabel 2 menunjukkan zeolit hasil sintesismerupakan jenis zeolit sodalit yang mempunyairumus kimia : N%[(AIOz)6(SiOz)6.8HzO]

waktu kontak optimum dicapai pada waktu 40menit.

2500

t-::=~:==~=~2000

.§

1500

x1000

500

0 .' I I I I I I I I I I I

0000000('I ~ to CO 0 ('I

~ ~

Waldu kortak (nUll)

Gombar 3. Hubungan x/m terhadap waktu kontak.

Gambar 1. Difraktogram zeolit hasil sintesis.Penentuan Konsentrasi Kesetimbangan.

Pengukuran serapan zeolit terhadap jumlahmetilen biru dengan variasi konsentrasi ditunjukkanpada Tabel4, clan Gambar 4.

Tabel 4. Hasil serapan zeolit terhadap metilen birudengan variasi konsentrasi.

Penentuan Luas PermukaanSpesifik.

Penentuan Waktu Kontak.Pengukuran serapan zeolit terhadap metilen

bim dengan perlakuan waktu seperti ditunjukkanpacta Tabel3.

Tabel 3. Hasil serapan zeolit terhadap metilen bimdengan perlakuan waktu.

m = berat zeD/it, CI = konsentrasi awa/, C2 = konsentrasi akhir

(konsentrasi kesetimbangan); C3 = konsentrasi MB yangterserap, x = jum/ah MB yang terserap o/eh zeolit.

Tabel 4 menunjukkan hubungan antarajumlah metilen bim (x/m) yang terserap terhadapkonsentrasi kesetimbangan, daD jika dibentukkurvanya seperti ditunjukkan pacta Gambar 4.

0.012

0.01

0.008

~ 0.006

0.004

0.002

0

m = berat zeD/it, W = konsentrasi awa/, w = konsentrasi akhir,Cs = konsentrasi yang terserap, (x = jum/ah meti/en biru dB/am25 m/ : 25/1000 x Cs MB), MB = meti/ biru.

Tabel 3 menunjukkan hubungan antarajumlah metilen biru (Xlm) yang terserap terhadap

variasi waktu dan jika dibuat bentuk graftknyaseperti, ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 menunjukkan bahwa pada w!lktu10 menit pertamajumlah metilen biru yang terserapoleh zeolit lebih besar dibandingka'1 dengan waktuberikutnya, hal ini disebabkan pori-pori daripermukaan zeolit belum terjenuhkan.. Kemudiansetelah 40 menit daya serap zeolit menunjukkanserapan yang konstan atau tidak menunjukkanperbedaan serapan yang berarti. Dengan demikian

123456.7 8

Konsentrasi, (mgl1)

Gambar 4. Hubungan xIm terhadap konsentrasi

Gambar 4 menunjukkan bahwa jumlahmetilen biru yang diserap oleh zeolit mencapaikesetirnbangan (kejenuhan) pada konsentrasi 40rng/l, yaitu suatu keadaan dimana kecepatanadsorpsi daD desorpsi adalah sarna. Dengan adanya

Duyeh Setiawan, dkkKimia NuklirISSN 0216-3128

kejenuhan dari perbandingan jumlah adsorbatdengan jumlah adsorben yang digunakan terhadapkonsentrasi kesetimbangan, maka dapat dijadikansebagai ungkapan prinsip dari model adsorpsiisoterm Langmuir. Bentuk grafik hubungan C/x/mterhadap konsentrasi kesetimbangan akanmemberikan data untuk perhitungan luas permukaanspesifik, seperti Gambar 5.

DAFTAR PUSTAKA

700

-

~

600

500

-E 400~U 300

200,.-

100

ro 0) "'" Ln N .-v (0 0) .-"'" .-...: ...: '""= !'-o: ~ r.:

N M (0

Konsentrasi, mgl1

Gambar 5. Hubungan C/X/m terhadap konsentrasimodel adsorpsi isoterm Langmuir.

Gambar 5 menunjukkan bahwa bahwaharga koefisien arah (K2/KJ diperoleh sebesar69,118 dan harga intersep (I/KJ sebesar 155,302,sehingga didapat persamaan matematiknya :C/x/m = 69,118. C + 155,302sehingga diperoleh harga K) = 0,006 dan K2 =

0,415. Selanjutnya digunakan untuk menghitungluas permukaan spesifik, dan menurut persamaan 2diperoleh luas permukaan zeolit sebesar 25,59 m2/g.

1. DRZAJ, C.,Zeolite synthesis, structure,technology and aplication, (Elseiver, New York,1985).

2. HAMDAN,H. AND LISTIORINI, E.,Novelsynthesis and characterization of zeolite ZSM-5from rice husk, (Johar Barn : UniversitasTeknologi Malaysia, 1994)

3. SUBAGIO, :Zeolit Struktur Dan Sifat-sifatnya,Warta Insinyur Kimia, 7, 3:17 -23, (1993).

4. SETIAWAN.D, NANDANG, : Sintesis DanKarakterisasi Zeolit Dari Abu Sekam PadiSebagai Bahan Penyerap Limbah Uranium,(Skripsi Program S-l, FMIPA UNPAD, 1998)

5. ALBERTY, A.R AND DANIELS F., Physicalchemistry, (Fifth edition, John Wiley and Sons,New York, 1980).

6. ADAMSON, W.A.,The phisical chemistry ofsurfaces, (Second edition, Inter-sciencePublishers, New York, 1967).

7. SETIAWAN.D, : Penyerapan RadionuklidaStronsium-85 Dalam Sampah Radio-aktif OlehZeolit Asal Bayah-Jawa Barat, (Skripsi ProgramS-l, FMIPA UNPAD, 1985).

TANYA JAWAB

KESIMPULAN

Oari hasil penelitian dapat disimpulkanbahwa mineral zeolit basil sintesis diperolehrendemen sebesar 84 %, mempunyai perbandinganSi/AI = 0,93 atau SiO2/AI2O3 = 1,04, dengan .luas

permukaan spesifIk 25,59 m2/g. Karakterisasidengan menggunakan Oifraksi Sinar-X diperolehjenis zeolit sodalit mempunyai TUlliUS kimiaN ~[(AIOv6(SiOv6.8H2O].

Sunarhadijoso :~ Apakah dilakukan uji kestabilan kirnia atau

terrnal terhadap zeolit basil sintesis, bagaimanahasilnya?

~ Apakah kira-kira terbuka kemungkinankerjasama penggunaan zeolit basil sintesistersebut untuk penelitian pemisahan radioisotopdi P2RR?

Duyeh Setiawan:..0.. Perlakuan pemanasan diatas 300'C dan

perlakuan terhadap asam pH <4menyebabkan terjadi proses dealuminasi(pemutusan ikatan aluminium) ataukerusakan struktur zeolit tersebut.

..0.. Sangat memungkinkan untuk kerjasama.UCAP AN TERIMA KASIH :

Terima kasih disampaikan kepada saudaraNandang mahasiswa program S-l UniversitasPadjadjaran Bandung yang telah membantu selamapenelitian berlangsung.

Prayitno :);- Apa perbedaan zeolit alam dengan zeolit abu

sekam padi?);- Untuk penggunaan apa saja zeolit clan abu

sekam, bagaimana mekanisme reaksi apabiladigunakan untuk penyerapan logam-logamberat?

Duyeh Setiawan, dkk Kimia Nuklir ISSN 0216-3128

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IlmiahP3TM-BATAN, Yogyakarta 14 -15 Juti 199910 Buku 11

Hasan:» Mohon dijelaskan tentang zeolit.» Apa manfaat zeolit, dan sejauh mana

penggunaan zeolit dalam industri?» Mohon dijelaskan tentang hidrogel.

Duyeh Setiawan:.{. Zeo/it ada/ah padatan krista/in yang terdiri

dari Alumino Silikat (Kristal zeolit sodalit =

[Nax( A/O:z}x(SiO:z}yH20 J).{. Manfaat zeolit dalam industri diantaranya

untuk dipakai dalam proses leaching padapemboran sumber minyak, untuk katalisdalam produk\'i radioisotop.

.{. Hidrogel adalah suatu proses reak\'i an taraalkali aluminat dengan alkali silikat dalamlingkungan basa membentuk gel dalamkondisi alamiah.

~ Mikro struktur daTi zeolit abu sekam padi sarnadengan zeolit alam yang telah diaktitkan?

Duyeh Setiawan:-<}- Zeolit alam dengan zeolit sintesis jika dilihat

dari struktur kimianya sarna-sarnamerupakan struktur yang mengandungkomposisi -Si -AI-

.t;.. Salah satunya digunakan dalam pemisahanproduksi radioisotop. Mekanisme reaksi

dengan logam0 0 (0 0 0 0 0-., , \Ni"/ "'

At" \SII/ \

Sos,

'()'

"'_/ " /. " .,,'", /u 0 0 <) 0

..t;.. Struktur zeD/it (komposisi utama)0 ,°, ,°, 0

811

"S;'""1\1-'

Duyeh Setiawan, dkkKimia NuklirISSN 0216-3128