JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

1

Abstrak— ZSM-5 telah berhasil disintesis dengan bahan

dasar kaolin menggunakan metode hidrotermal. Sintesis

dilakukan dengan tetrapropilamonium bromida sebagai

templat serta LUDOX sebagai sumber tambahan silika. ZSM-5

dengan rasio Si/Al 25 setelah pengadukan dan pemeraman

selama 12 jam disintesis pada suhu 175 °C dengan variasi

waktu kristalisasi dari 0-5 hari. Padatan dikarakterisasi

menggunakan teknik difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi

inframerah (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).

Hasil XRD menunjukkan fase kristal dari ZSM-5 telah

terbentuk dilihat dari puncak yang muncul dan diperkuat dari

hasil analisa spektroskopi inframerah. Scanning Electron

Microscopy (SEM) menunjukkan bentuk morfologi sampel

yang bermacam-macam seperti kubus, bola, atau batang.

Ukuran partikelpun teramati bervariasi dari mikro hingga

nano.

Kata Kunci— ZSM-5, Kaolin, Metode Hidrotermal

I. PENDAHULUAN

EOLIT merupakan padatan kristal mikropori yang

tersusun dari tetrahedral AlO4 dan SiO4 membentuk

kerangka struktur. Aksesibilitas senyawa yang berbeda pada

struktur dan adsorpsi pada permukaan memungkinkan untuk

menggunakan zeolit dalam proses seperti peningkatan

kualitas minyak bumi dan pengurangan pengotor (Chen,

dkk., 2009). Secara tradisional, zeolit disintesis dari natrium

silikat dan aluminat (Barrer, 1982; Breck, 1974). Bahan-

bahan kaya aluminosilikat juga digunakan seperti kaolin,

sekam padi dan abu abu layang (Chareonpanich, dkk., 2004;

Vempati, dkk., 2006; Wang, dkk., 2007).

ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) adalah salah satu

jenis zeolit yang banyak digunakan. ZSM-5 adalah zeolit

dengan rasio silika dan alumina yang tinggi. ZSM-5

merupakan material yang seluruh strukturnya mempunyai

struktur pori dua dimensi yang menyilang. ZSM-5

mempunyai dua jenis pori, keduanya dibentuk oleh oksigen

cincin enam. Jenis pori yang pertama berbentuk lurus dan

elips. Jenis pori yang kedua porinya lurus pada sudut kanan,

polanya zig-zag dan melingkar. ZSM-5 merupakan salah

satu zeolit dengan kerangka tipe MFI, memiliki diameter

pori 0,54 nm dan rasio Si/Al bervariasi dari 10 sampai

ratusan. Zeolit ini biasa disintesis dengan menggunakan

kation Na+ sebagai ion penyeimbang kerangka yang

bermuatan negatif. Ion Na+ dapat ditukar dengan kation lain

yang dapat memasuki pori dalam modifikasi zeolit

(Petushkov, dkk., 2011).

Tanah liat kaolin adalah mineral alumina-silikat

dengan struktur kristal yang terdiri dari lapisan yang terikat

lemah. Pembelahan dengan mudah difasilitasi oleh tidak

adanya lapisan-lapisan yang terikat kuat. Fase kaolin yang

sangat reaktif, metakaolin, dilaporkan telah diperoleh

setelah pemanasan pada 900 °C dan digunakan untuk

sintesis zeolit fase murni (Chandrasekhar dan Premada,

1999). Kaolin juga pernah digunakan untuk sintesis zeolit

LTA dengan metode aktivasi alkali hidrotermal

konvensional dan fusi alkali sebelum reaksi hidrotermal

(Ríos, dkk., 2009).

Kaolin sebagai sumber Si dan Al dalam sintesis

mordenit telah diteliti sebelumnya (Mignoni, dkk., 2008).

Sintesis ZSM-5 juga telah dilakukan menggunakan perlit

dan kaolin sebagai sumber alumina tanpa menggunakan

templat (Wang, dkk., 2007). Hui Feng, dkk (2009) telah

melakukan penelitian mengenai sintesis in-situ ZSM-5

menggunakan kaolinit mikropartikel yang telah dikalsinasi.

Sintesis ZSM-5 menggunakan kaolin sebagai bahan

dasar menggunakan metode hidrotermal dilakukan pada

penelitian ini. Variasi waktu kristalisasi dari 0, 1, 2, 3, 4 dan

5 hari dilakukan untuk lebih mempelajari proses sintesis

ZSM-5 dari kaolin. Karakterisasi padatan hasil sintesis

dengan teknik difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi

inframerah dan Scanning Electron Microscope (SEM) perlu

dilakukan untuk mengetahui terbentuknya ZSM-5 tersebut.

Penelitian ini bertujuan untuk melakukan sintesis

ZSM-5 menggunakan kaolin sebagai sumber aluminium dan

silicon.

II. METODOLOGI PENELITIAN

A. Preparasi Zeolit

ZSM-5 disintesis dengan metode hidrotermal dengan

perbandingan mol yang digunakan adalah 10Na2O : 100SiO2

: 2Al2O3 : 1800H2O : 20TPABr. Preparasi dilakukan dengan

menambahkan kaolin ke dalam larutan NaOH sambil diaduk

menggunakan magnetic stirer. Kemudian LUDOX

ditambahkan perlahan dilanjutkan penambahan akuades.

Penambahan dilakukan sambil terus dilakukan pengadukan.

Pengadukan dilakukan hingga homogen pada suhu ruang

selama 2 jam. Kemudian TPABr ditambahkan perlahan ke

dalam campuran sambil terus dilakukan pengadukan hingga

homogen selama 6 jam. Pemeraman dilakukan selama 12

jam pada suhu ruang. Campuran dipindahkan ke reaktor

autoclave setelah diperam dan dipanaskan pada suhu 175°C

selama 5 hari. Setelah kristalisasi hidrotermal, padatan dan

cairan dipisahkan dengan centrifuge dan dicuci dengan

Sintesis ZSM-5 Berbahan Dasar Kaolin

Menggunakan Metode Hidrotermal

B. Septiyana dan D. Prasetyoko Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Perumahan Dosen ITS blok U-200, Sukoliko, Surabaya 60111

E-mail: didikp@chem.its.ac.id

Z

JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

2

akuades sampai pH = 7 (netral). Padatan yang diperoleh

dikeringkan pada suhu 110°C selama semalam.

Pada penelitian ini dilakukan variasi waktu hidrotermal

untuk mempelajari transformasi kaolin menjadi ZSM-5.

Variasi dilakukan dari 0-5 hari dengan dilakukan

pengambilan cuplikan setiap 24 jam. Setelah pemisahan,

pencucian, dan pengeringan, padatan didinginkan kemudian

ditimbang.

B. Karakterisasi Padatan

Zeolit hasil sintesis dengan variasi waktu kristalisasi

dikarakterisasi untuk mengetahui sifat-sifatnya. Zeolit yang

diperoleh, dikarakterisasi dengan XRD X’Pert Graphic &

Identify, FTIR PerkinElmer Spectrum Version 10.03.06, dan

SEM ZEISS EVO MA 10 dan analisa EDX BRUKER 129

EV.

III. HASIL DAN DISKUSI

A. Analisis XRD

Pada penelitian ini analisis difraksi sinar-X (XRD)

dilakukan menggunakan alat X’Pert Graphic & Identify.

Pola difraksi sinar-X dimonitor pada 2θ = 5 - 40° seperti

yang tampak pada gambar 3.1. Gambar tersebut merupakan

difraktogram dari bahan dasar kaolin dan padatan yang

disintesis dengan berbagai macam waktu kristalisasi antara 0

– 5 hari. Gambar 3.1 a adalah pola difraksi sinar-X dari

kaolin. Kahraman (2005) dalam jurnalnya menyebutkan

bahwa puncak pada 2θ = 12,3; 24,8; 38,3° menunjukkan

puncak yang dimiliki oleh kaolin. Gambar 3.1 b adalah pola

difraksi sinar-X sampel dengan waktu kristalisasi 0 hari

terlihat bahwa terdapat puncak pada 2θ = 12,3; 24,8; 38,3°

yang menunjukkan masih adanya kaolin serta hump pada 2θ

= 15 - 30° yang mengindikasikan adanya kandungan silika

amorf dalam sampel (Feng, dkk., 2009).

Gambar 3.1. Gambar pola difraksi sinar-X sampel dengan waktu

kristalisasi 0 hari (a), 1 hari (b), 2 hari (c), 3 hari (d), 4 hari (e) dan 5 hari

(f)

Gambar 3.1 c merupakan pola difraksi sinar-X dari

sampel dengan waktu kristalisasi 1 hari terlihat adanya

puncak-puncak karakteristik pada 2θ = 7,9; 23,1; 23,3° yang

menunjukkan pola XRD ZSM-5 dengan tipe struktur MFI

(Treacy dan Higgins, 2001). Hal ini mengindikasikan bahwa

ZSM-5 sudah terbentuk dengan waktu kristalisasi 1 hari.

Pola difraksi sinar-X sampel dengan waktu kristalisasi 2, 3,

4, dan 5 hari ditunjukkan oleh Gambar 3.1 d, e, f dan g,

terlihat bahwa terdapat fase-fase karakteristik ZSM-5 juga

namun muncul fase lain. Fase lain muncul pada 2θ ≈ 16°

dan 2θ ≈ 26° di mana puncak-puncak tersebut menunjukkan

adanya analsim selain ZSM-5 pada sampel dengan waktu

kristalisasi 2, 3, 4, dan 5 hari (Treacy dan Higgins, 2001).

B. Analisis Spektroskopi Inframerah

Spektroskopi inframerah dilakukan menggunakan

PerkinElmer Spectrum Version 10.03.06. Spektra diamati

pada rentang panjang gelombang antara 400-1400 cm-1

seperti yang dapat dilihat pada gambar 3. 2.

Gambar 3. 2. Spektra FTIR sampel dengan waktu kristalisasi 0 hari (a), 1

hari (b), 2 hari (c), 3 hari (d), 4 hari (e) dan 5 hari (f)

Gambar 3.2 a merupakan spektra dari kaolin. Pita yang

muncul pada panjang gelombang daerah 916 cm-1

teramati

sebagai vibrasi ulur gugus (Si-O)-H dari kaolinit (Saika,

dkk., 2003; Alkan, dkk., 2005). Vibrasi ulur Al (O, OH)6

oktahedra pada kaolinit teramati pada panjang gelombang

540 cm-1

(Lambert, dkk., 1989). Gambar 3.2 b merupakan

spektra IR dari sampel dengan waktu kristalisasi 0 hari.

Puncak-puncak yang muncul pada spektra kaolin juga

muncul di sini. Selain itu, puncak pada 798 cm-1

juga

muncul sesuai dengan puncak vibrasi tetrahedral AlO4. Pita

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(g)

(f)

(g)

(f)

(e)

(d)

(c)

(b)

(a)

JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

3

tersebut mengindikasikan adanya fase kaolinit yang mulai

tidak teratur. Puncak-puncak yang muncul tersebut

mengindikasikan bahwa kristal ZSM-5 masih belum

terbentuk.

Jika dilakukan pengamatan terhadap spektra dari sampel

dengan waktu kristalisasi 1 hari (gambar 3.2.c),

terbentuknya ZSM-5 diketahui dari munculnya pita pada

panjang gelombang ~545 cm-1

yang menunjukkan adanya

cincin lima dari struktur zeolit pentasil (Kirschhock, dkk.,

1999). Bukti tambahan terbentuknya ZSM-5 teramati dari

munculnya pita pada panjang gelombang ~1222 cm-1

yang

menunjukkan adanya vibrasi ulur Si-O-T, di mana T adalah

Si atau Al. Hal ini disebabkan ikatan eksternal (antara gugus

TO4 tetrahedral) dan merupakan pita IR yang sensitif dari

zeolit ZSM-5 (Cheng, dkk., 2005). Dua pita yang muncul

pada panjang gelombang tersebut merupakan ciri khas yang

dimiliki oleh senyawa ZSM-5. Pada spektra inframerah sampel dengan waktu

kristalisasi 2, 3, 4 dan 5 hari dapat teramati puncak-puncak

khas ZSM-5 pada panjang gelombang yang juga muncul

pada spektra sampel dengan waktu kristalisasi 1 hari. Hal ini

menunjukkan bahwa zeolit ZSM-5 telah berhasil disintesis

dengan waktu kristalisasi 2, 3, 4 dan 5 hari.

C. Analisa SEM

Ukuran dan morfologi kristal dapat dikarakterisasi

dengan analisis SEM ZEISS EVO MA 10 dan untuk

mengetahui kandungan dalam sampel dikarakterisasi dengan

analisa EDX BRUKER 129 EV. Gambar 4. 3 merupakan

gambar dari sampel dengan waktu kristalisasi 1, 2, 3, 4 dan

5 hari dengan perbesaran 20.000 kali, menunjukkan bentuk

morfologi partikel dari seluruh sampel tersebut hampir sama

berupa agregat kubus kecil.

Gambar 4. 3. Gambar SEM perbesaran 20.000 kali dari smpel hasil sintesis dengan variasi waktu kristalisasi (a) 1 hari, (b) 2 hari, (c) 3 hari, (d)

4 hari dan (e) 5 hari

Secara umum seluruh sampel memiliki tidak hanya satu

macam bentuk morfologi melainkan terdapat beberapa

variasi bentuk morfologi yang teramati di beberapa bagian.

Hampir pada seluruh sampel terdapat bentuk morfologi

berupa butiran yang tidak membentuk agregat. Hasil EDX

menunjukkan bahwa seluruh sampel hasil sintesis memiliki

kandungan yang sama, antara lain Si, Al, Na dan O .

Persebaran kandungan-kandungan tersebut dalam sampel

cukup merata, hanya terdapat sedikit perbedaan kadar. Dari

kandungan yang terdapat dalam seluruh sampel tersebut

menunjukkan bahwa ZSM-5 telah berhasil di sintesis

dengan ukuran partikel yang terbentuk bervariasi di tiap

sampelnya. Ukuran sampel yang berhasil disintesis

bervariasi dari mikro hingga nano.

IV. KESIMPULAN

Berdasarkan Berdasarkan hasil yang didapatkan dari

penelitian yang sudah dilakukan dapat disimpulkan bahwa

zeolit berjenis ZSM-5 dapat disintesis menggunakan bahan

dasar kaolin dengan metode hidrotermal langsung. Zeolit

jenis ini mulai terbentuk dan terlihat jelas setelah kristalisasi

selama 1 hari. Kemurnian yang paling baik didapatkan dari

sampel dengan waktu kristalisasi 1 hari. Transformasi

kaolin dapat diamati dari larutnya silika pada campuran,

diikuti dengan terbentuknya alumina silikat sampai

terbentuknya ZSM-5.

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terima kasih penulis haturkan kepada Bapak Dr.

Didik Prasetyoko, M.Sc selaku Dosen pembimbing yang

telah memberikan pengarahan dalam penelitian ini, kepada

Ketua Jurusan Kimia yang telah memberikan izin

menggunakan fasilitas di Laboratorium Kimia Material dan

Energi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Alkan, M., Hopa, C., Yilmaz, Z., Guler, H., 2005. The effect of alkali concentration and solid/liquid ratio on the hydrothermal synthesis of zeolite NaA from natural kaolinite. Microporous and Mesoporous Materials, 86, 176–184.

[2] Barrer, R.M., 1982. Hydrothermal Chemistry of Zeolites, Academic Press, London.

[3] Breck, D.W., 1974. Zeolites Molecular Sieves, Structure, Chemistry and Use, Wiley, New York.

[4] Chen, P., Xu, W., Zhou, X., Panda, D., dan Kalininskiy, A., 2009. A Single-Nanoparticle Catalysis at Single-Turnover Resolution. Chemical Physics Letters, 470, 151–157.

[5] Cheng, Y., Wang, L.J., Li, J.S., dan Yang, Y.C., 2005. Preparation and Characterization of Nanosized ZSM-5 Zeolites in The Absence of Organic Template. Materials Letters, 27, 3427–3430.

[6] Chandrasekhar, S., dan Premada, P.N., 1999. Investigation on Synthesis of Zeolite NaX from Kerala Kaolin. Journal of Porous Materials, 6, 283–297.

[7] Chareonpanich, M., Namto, T., Kongkachuichay, P., dan Limtrakul, J., 2004. Synthesis of ZSM-5 Zeolite from Lignite Fly Ash and Rice Husk Ash. Fuel Processing Technology, 85, 1623–1634.

[8] Feng , H., Chunyi Li, dan Honghong Shan, 2009. In-situ Synthesis and Catalytic Activity of ZSM-5 Zeolite. Applied Clay Science, 42, 439–445.

[9] Kahraman, Sibel., Müşerref Önal, Yüksel Sarıkaya, İhsan Bozdoğan., 2005. Characterization of Silica Polymorphs in Kaolins by X-ray Diffraction Before and After Phosphoric Acid Digestion and Thermal Treatment. Analytica Chimica Acta, 552, 201–206.

[10] Kirschhock, C.E.A., Ravishankar, R., Verspeurt, F., Grobet, P.J., Jacobs, P.A., dan Martens, J.A., 1999. Identification of Precursor Species in

(a)

(e)

(d)

(b)

(c)

JURNAL SAINS DAN SENI Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4

4

The Formation of MFI Zeolite in The TPAOH–TEOS–H2O System. Journal of Physics and Chemistry B, 103, 4965–4971.

[11] Lambert, J.F., Millman, W.S., Fripiat, J.J., 1989. Revisiting Kaolinite Dehydroxylation: A 29Si and 27Al MAS NMR Study. Journal of the American Chemical Society, 111, 3517–3522.

[12] Mignoni , MarceIo L., Diego I. Petkowicz, Nádia R.C. Fernandes Machado, dan Sibele B.C. Pergher, 2008. Synthesis of Mordenite Using Kaolin As Si and Al Source. Applied Clay Science, 41, 99–104.

[13] Petushkov, A., Yoon, S., dan Larsen,S.C., 2011. Synthesis of Hierarchicalnanocrystalline ZSM-5 with Controlledparticle Size and Mesoporosity. Micropor.Mesopor. Mater., 137, 92-103.

[14] Ríos, C.A., C.D. Williams, M.A. Fullen., 2009. Nucleation and growth history of zeolite LTA synthesized from kaolinite by two different methods. Applied Clay Science, 42, 446–454.

[15] Saikia, N.J., Bharali, D.J., Sengupta, P., Bordoloi, D., Goswamee, R.L., Saikia, P.C., Bothakur, P.C., 2003. Characterization, beneficiation and utilization of a kaolinite clay from Assam, India. Applied Clay Science, 24, 93–103.

[16] Treacy, M.M.J., dan J.B. Higgins., 2001. Collection of Simulated XRD Powder Patterns for Zeolites, Amsterdam, Elsevier.

[17] Vempati, R.K., Borade,R., Hegde, R.S., dan Komarneni, S, 2006. Template Free ZSM-5 From Siliceous Rice Hull Ash with Varying C Contents. Microporous and Mesoporous Materials, 93, 134-140.

[18] Wang, P., Shen, B., Shen, D., Peng, T., dan Gao, J., 2007. Synthesis of ZSM-5 Zeolite from Expanded Perlite/Kaolin and Its Catalytic Performance for FCC Naptha Aromatization. Catalysis Communications, 8, 1452–1456.