Indonesia Chimica Acta, Vol. 1. No. 1, Desember 2008
ISSN 2085-014X
Karakterisasi Sifat Fisikokimia Komposit Besi Oksida-Montmorilonit Hasil Interkalasi Silikat Lempung Montmorilonit Serly Jolanda Sekewael* Jurusan Kimia-FMIPA- Universitas Pattimura Kampus Poka-Ambon Abstrak. Preparasi komposit besi oksida-montmorilonit telah dilakukan dengan menginterkalasikan besi oksida ke dalam antarlapis silikat lempung montmorilonit. Montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit kemudian dikarakterisasi untuk mempelajari perubahan sifat-sifat fisikokimianya yang meliputi: jarak dasar d001, ditentukan dengan X-Rays Difractometer; morfologi permukaan dianalisis dengan SEM/EDAX; luas permukaan spesifik, distribusi ukuran pori dan volume pori total, dipelajari dengan Gas Sorption Analyzer; serapan gugus fungsional dipelajari dengan spektrofotometer FTIR serta kandungan logam besi ditentukan dengan X-Ray Fluorescent Analyzer. Hasil karakterisasi terhadap montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit menunjukkan terjadi peningkatan pada: jarak dasar d001, dari 14,11Å menjadi 16,85Å. Morfologi permukaan montmorilonit menampakkan struktur berlapis (laminated), sedangkan komposit besi oksidamontmorilonit memperlihatkan morfologi lapisan oksida eksternal, dengan struktur delaminasi (delaminated). Luas permukaan spesifik meningkat dari 69,71 m2/g menjadi 126,49 m2/g; volume pori total meningkat dari 50,70x10-3 mL/g menjadi 107,89x10-3 mL/g. Secara umum pola serapan montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit tidak jauh berbeda, vibrasi rentangan O-H yang terikat Fe3+ tidak muncul pada komposit besi oksida-montmorilonit. Terjadi peningkatan kandungan besi dari 4,57 %(b/b) menjadi 23,61 %(b/b). Kata kunci : lempung montmorilonit, interkalasi, komposit besi oksida montmorilonit. Abstract. The preparation of iron oxide-montmorillonite composite has been done by intercalation of iron oxide into the silicates interlayer of montmorillonite. Montmorillonite and iron oxide-montmorillonite composite were characterized to observe some physical and chemical properties. The observed properties were basal spacing d001, determined by X-Rays Difractometer (XRD); surface morphology, analyzed by SEM/EDAX; specific surface area, distribution of pore radius and total pore volume, analyzed by Gas Sorption Analyzer; functional groups, analyzed by FTIR Spectrophotometer; and iron content, determined by X-Ray Fluorescent Analyzer (XRF). The characterization of montmorillonite and iron oxide-montmorillonite composite showed that the basal spacing d001, increased from 14.11 Å in montmorillonite to 16.85 Å in iron oxide-montmorillonite. Surface morphology of montmorillonite showed the laminated structure, while that of iron oxide-montmorillonite indicated a delaminated structure with the external oxides layered. Specific surface area increased from 69.71 m2/g to 126. 49 m2/g; total pore volume also increased from 50.70 x10-3 mL/g to 107.89 x10-3 mL/g. Generally, spectrum adsorption of montmorillonite and iron oxide-montmorillonite composite not different so far, stretching vibration O-H with Fe3+ does not exist on iron oxide-montmorillonite composite. The iron content also increased from 4.57 %(w/w) to 23.61 %(w/w). Keywords : montmorillonite clay, intercalation, iron oxide-montmorillonit composite. *Alamat korespondensi:
[email protected]
24
Serly J.Sekewael
ISSN 2085-014X
pori, volume total pori, distribusi ukuran pori, morfologi permukaan, serapan gugus fungsional, dan kandungan logam besi.
PENDAHULUAN Mineral lempung umumnya ditemukan dalam beberapa kelompok besar, seperti kaolinit, mika, montmorilonit, klorit, illit dan vermikulit (Goenadi, 1982). Di alam, mineral montmorilonit ditemukan dalam tanah bentonit. Montmorilonit kualitas komersial sering juga dinamakan bentonit. Tanah bentonit mengandung kurang lebih 85% montmorilonit, dengan ciri-ciri antara lain: jika diraba licin, lunak, memiliki kilap lilin, berwarna pucat dengan penampakkan putih, hijau muda, kelabu, atau merah muda bila dalam keadaan segar dan jika telah lapuk berwarna coklat kehitaman (Riyanto, 1994). Kelompok montmorilonit paling banyak menarik perhatian karena montmorilonit memiliki kemampuan untuk mengembang (swelling) bila berada dalam air atau larutan organik serta memiliki kapasitas penukar ion yang tinggi sehingga mampu mengakomodasikan kation dalam antarlapisnya dalam jumlah besar (Ogawa, 1992). Dengan memanfaatkan sifat khas dari montmorilonit tersebut, maka antarlapis silikat lempung montmorilonit dapat disisipi (diinterkalasi) dengan suatu bahan yang lain (misalnya: senyawa organik atau oksida-oksida logam) untuk memperoleh suatu bentuk komposit yang sifat fisikokimianya lebih baik dibandingkan lempung sebelum dimodifikasi. Sifat-sifat fisikokimia tersebut merupakan bagian yang penting pada setiap karakterisasi lempung baik sebagai katalis, pendukung katalis, maupun adsorben. Dalam penelitian ini, komposit besi oksida-montmorilonit dipreparasi melalui proses interkalasi ke dalam antarlapis silikat lempung montmorilonit menggunakan oksida logam besi, dan dilanjutkan dengan karakterisasi sifat-sifat fisikokimianya, yang meliputi: jarak dasar d001, luas permukaan spesifik, rerata jejari
METODE PENELITIAN Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan adalah: seperangkat peralatan gelas, timbangan analitik tipe Mettler AE 163, corong Buchner, pompa vakum, pengaduk magnet, cawan porselen, oven, lumpang dan mortar porselen, pengayak 100 dan 250 mesh merek Fisher, sieve shaker RX-86, termometer 250 oC, pipet tetes, sendok sungu, pinset, pengering, pH meter ORION model 710A, centrifuge merek Kokusan Ogawa Seiki Co.LTD, tabung centrifuge, desikator, reaktor kalsinasi, mikropipet, peralatan instrumen meliputi: Difraktometer sinar-X tipe XRD-6000 Shimadzu, Gas Sorption Analyzer NOVA 1000, FTIR-8201 PC Shimadzu, X-Rays Fluorescent Analyzer tipe EG & G ORTEG 7001 dengan detektor Si(Li), SEM/EDAX tipe Philips X1-20 dan HPLC dengan detektor UV. Bahan-bahan yang digunakan adalah: lempung bentonit (lempung montmorilonit) (diperoleh dari PT. Tunas Inti Makmur, Semarang, ukuran lolos ayakan 200 mesh), akuades, akuabides, air bebas ion, indikator universal, kertas saring Whatman 42, glasswool, kertas aluminium, bahan-bahan kimia dengan kualitas p.a buatan E. Merck, antara lain: kristal FeCl3.6H2O, kristal NaOH, kristal NaCl, larutan AgNO3. Penyiapan Sampel Lempung montmorilonit berbentuk serbuk berwarna coklat muda diayak dengan menggunakan pengayak ukuran 250 mesh, hasilnya dicuci beberapa kali dengan
25
Indonesia Chimica Acta, Vol. 1. No. 1, Desember 2008
ISSN 2085-014X o
akuades kemudian disaring. Hasil penyaringan dikeringkan dalam oven selama 6 jam pada suhu 200 oC. Setelah kering lempung tersebut digerus sampai halus dan diayak menggunakan pengayak 100 mesh. Sampel lempung montmorilonit ditimbang sebanyak 10 g dan dilarutkan dalam 500 mL akuabides (perbandingan 2 %b/v). Larutan ini kemudian diaduk selama 24 jam pada temperatur kamar sehingga diperoleh suspensi lempung montmorilonit. Setelah itu, dilakukan pembuatan larutan oligomer besi. Sebanyak 108,12 g kristal FeCl3.6H2O dilarutkan dalam 2000 mL akuabides sambil diaduk dengan pengaduk gelas sehingga diperoleh larutan 0,2 M, dan selanjutnya dihidrolisis pada temperatur kamar dengan penambahan NaOH secara perlahan sambil diaduk dengan cepat sampai pH larutan sekitar 2-2,5. Setelah larutan homogen, pengadukan dihentikan. Larutan oligomer besi yang diperoleh selanjutnya didiamkan (aging) selama 24 jam pada temperatur kamar.
C selama 11 jam sambil dialiri gas N2 dengan kecepatan alir 15 mL/menit. Hasil kalsinasi diberi nama komposit besi oksidamontmorilonit. Lempung montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit selanjutnya dikarakterisasi untuk mengetahui perubahan sifat-sifat fisikokimianya. Jarak dasar d001, diidentifikasi dengan difraktometer sinar-X (XRD), luas permukaan spesifik, rerata jejari pori, volume total pori, dan distribusi ukuran pori, dianalisis dengan Gas Sorption Analyzer, morfologi permukaan dikarakterisasi dengan Scanning Electron Microscope (SEM). Sifat kimia yang meliputi: serapan gugus fungsional, dianalisis menggunakan spektrofotometer inframerah (FTIR), jumlah kandungan Fe, dianalisis dengan X-Rays Fluorescent Analyzer.
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit
Interkalasi lempung montmorilonit dan karakterisasi hasil
Pola difraksi sinar-X dari montmorilonit dan komposit besi oksidamontmorilonit ditampilkan pada difraktogram gambar 1. Refleksi montmorilonit kering, pemanasan pada dan di atas 200 oC (Gambar 1.A dan 1.B), menunjukkan ciri khas mineral lempung montmorilonit, yaitu pada jarak dasar d001 sekitar 12,0-15,0 Å (Goenadi,1982). Refleksi yang melebar atau tidak ramping menunjukkan bahwa kristalinitas mineral lempung dalam bentonit alam kurang baik. Hal ini dapat terjadi karena pengaruh heterogenitas dari kation-kation terhidrat yang terdapat pada antarlapis lempung montmorilonit, yakni Na+, Ca2+, dan K+ atau dapat dikatakan bahwa mineral lempung bentonit banyak campurannya. Menurut West (1992), refleksi intensitas difraksi sinar-X mengindikasikan kesempurnaan kristal dan kerapatan
Suspensi lempung montmorilonit ditambahkan ke dalam larutan oligomer besi secara bertetes-tetes sampai habis sambil diaduk dengan kuat. Pengadukan diteruskan selama 24 jam pada temperatur kamar, diperoleh perbandingan 40 mmol Fe/gram lempung (Rightor,dkk.,1991). Hasil interkalasi dicentrifuge selama 30 menit dengan kecepatan 2000 rpm. Endapannya diambil dan dicuci dengan air bebas ion sambil disaring dengan penyaring Buchner. Pencucian dilakukan berkali-kali untuk membebaskan ion Cl - . Keberadaan ion Cl- dalam air saringan diuji dengan larutan AgNO3 sampai tidak terdapat endapan putih AgCl. Endapan hasil pencucian dikeringkan dalam oven pada temperatur 100 oC, setelah itu digerus dan diayak dengan pengayak 250 mesh, kemudian dikalsinasi pada temperatur 200
26
Serly J.Sekewael
ISSN 2085-014X
Meningkatnya jarak dasar d001, adalah hasil dari pertukaran kation. Kation terhidrat pada permukaan antarlapis mineral montmorilonit ditukar dengan kation yang bermuatan lebih besar, yakni Fe3+, sehingga pembentukan kulit hidrasi di sekeliling kation-kation yang terdapat di antara lapisan silikat akan semakin besar.
susunan atom dalam kristal. Semakin ramping refleksi intensitas suatu material maka kekristalannya semakin baik dengan susunan atom semakin rapat. Refleksi spesifik montmorilonit pada pemanasan 200 oC menunjukkan intensitas tertinggi pada daerah 2θ = 6,25o dengan jarak dasar d001 14,11 Å, dan kemudian bergeser menjadi 2θ = 5,24o dengan jarak dasar d001 16,85 Å untuk komposit besi oksida montmorilonit.
Gambar 1. Difraktogram (A) montmorilonit kering, 200 o (B) montmorilonit kering, diatas 200 oC dan(C) komposit besi oksida-montmorilonit. Hasil analisis serapan gas nitrogen oleh montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit disajikan pada tabel 1. Komposit besi oksidamontmorilonit memiliki luas permukaan spesifik, volume pori dan rerata jejari pori yang lebih besar dibandingkan montmorilonit sebelum dimodifikasi (Tabel 1). Meningkatnya luas permukaan adalah akibat bertambahnya pori berukuran mikro dan meso serta distribusi volume pori yang semakin meningkat (Gambar 3).
Pergeseran sudut 2θ ke kiri atau makin kecil adalah akibat terbentuknya besi oksida pada antarlapis silikat lempung, hal ini menunjukkan berhasilnya proses interkalasi. Komposit besi oksidamontmorilonit menunjukkan refleksi yang melebar dan tidak tajam (Gambar 1.C). Hal ini terjadi akibat delaminasi struktur lapisan silikat karena proses interkalasi kation kompleks logam besi. Delaminasi merupakan sifat unik dari struktur kristal atau material berlapis dan dapat menyebabkan terbentuknya struktur rumah kartu. Beberapa hasil penelitian terdahulu juga menunjukan produk interkalasi yang didominasi oleh struktur rumah kartu (Widihati, 2002).
27
Indonesia Chimica Acta, Vol. 1. No. 1, Desember 2008
ISSN 2085-014X
(a)
(b)
Gambar 2. Morfologi permukaan (a) lempung montmorilonit (b) komposit oksida besi-montmorilonit. Tabel 1. Hasil analisis serapan gas nitrogen Volume Luas pori total, Sampel permukaan spesifik, m2/g x10-3 mL/g
Rerata jejari pori, Å
69,71
50,70
14,54
Komposit besi oksidamontmorilonit
126,49
107,89
17,06
Volume pori (mL/Å/g -03)
Montmorilonit
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
Montmorilonit Komposit besi oksidamontmorilonit
0
50
100
150
200
Jejari pori (Å)
Gambar 3. Distribusi ukuran pori montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit. 244 m2/g. Cool dan Vansant (1998) melaporkan bahwa luas permukaan lempung montmorilonit terpilar besi oksida (Fe2O3) berada pada range 100-300 m2/g. Ding, dkk.(2001) melaporkan peningkatan dari 50 m2/g menjadi 109 m2/g untuk Fe-PILC. Widihati (2002) mendapati kenaikan luas
Besarnya luas permukaan spesifik lempung montmorilonit setelah diinterkalasi dengan besi oksida tidak jauh berbeda dengan laporan beberapa peneliti sebelumnya dengan kondisi preparasi yang berbedabeda. Rightor, dkk.(1991) memperoleh kenaikan luas permukaan Fe-PILC sebesar 28
Serly J.Sekewael
ISSN 2085-014X
pola adsorpsi isotermal BET tipe IV. Ding, dkk. (2001) menjelaskan tipe serapan tersebut demikian, mula-mula gas teradsorb pada pori berukuran mikro, dan kemudian teradsorb ke permukaan eksternal (mesopori). Karakteristik serapan gugus fungsional disajikan pada gambar 6 dan Tabel 2.
permukaan spesifik untuk Fe-PILC200 sebesar 170,54 m2/g. Luas permukaan yang semakin besar menyebabkan serapan gas nitrogen oleh komposit besi oksidamontmorilonit juga semakin meningkat, dibandingkan dengan montmorilonit sebelum dimodifikasi, seperti yang ditunjukkan pada gambar 5. Kurva adsorpsi isotermal gas nitrogen cenderung mengikuti
Total Volume Pori (mL/Å/g e-03)
25
19,380
20
15 Montmorilonit
10,711
10,05
10
Komposit besi oksidamontmorilonit 4,32
5
0,001 0,006 0 d ≤ 20
20 ≤ d ≤ 500 Diameter pori ( Å )
d ≥ 500
Gambar 4. Diagram balok distribusi volume pori total montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit.
80 70 Montmorilonit Volume( mL/g)
60 50
Komposit besi oksidamontmorilonit
40 30 20 10 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
P/Po
Gambar 5 Adsorpsi isotermal gas N2 oleh montmorilonit dan komposit besi oksida-montmorilonit frekuensi gugus fungsi, sedangkan serapan sempit dan lebih tajam di mana ditunjukkan oleh gugus-gugus Si-O dan Al-O pada daerah sidik jari.
Secara umum, pola serapan montmorilonit (a) dan komposit besi oksidamontmorilonit (b) tidak jauh berbeda. Serapan melebar dan tidak tajam ditunjukkan oleh gugus O-H pada daerah
29
Indonesia Chimica Acta, Vol. 1. No. 1, Desember 2008
ISSN 2085-014X
a
1629.7
Transmitansi (%)
3433.1
1037.6
b
1624.0
3421.5 1043.4 4000.0
3000.0
2000.0
1000.0
Bilangan gelombang (cm-1)
Gambar 6. Spektra inframerah (a) montmorilonit dan (b) komposit besi oksida-montmorilonit.
Tabel 2. Karakteristik Serapan Gugus-Gugus Fungsional Sampel
ν , cm-1
3433.1 1629,7 1037,6 Montmorilonit 916,1 796,5 520,7
3421,5 Komposit besi 1624,0 oksida1043,4 montmorilonit 920,0 524,6
Serapan gugus-gugus fungsional O-H rentangan O-H tekukan Si-O-Si rentangan vibrasi Al-O vibrasi rentangan O-H yang terikat Fe3+ vibrasi Si-O
O-H rentangan O-H tekukan Si-O-Si rentangan vibrasi Al-O vibrasi Si-O
Montmorilonit (a) memperlihatkan lebih banyak serapan rentangan O-H (bilangan gelombang 3433,1 cm-1 ke kiri ) dari air yang terjerat pada antarlapis silikat
lempung. Hal ini terjadi karena sifat montmorilonit yang mudah mengembang (smektit). Sebaliknya, serapan rentangan OH yang berkurang dalam komposit besi
30
Serly J.Sekewael
ISSN 2085-014X
oksida-montmorilonit (b) adalah karena dehidrasi yang dialami selama proses kalsinasi berlangsung. Teramati pula bahwa vibrasi rentangan O-H yang terikat Fe3+ tidak muncul pada komposit besi oksidamontmorilonit. Hal ini merupakan indikasi bahwa hidroksida Fe3+ telah berubah ke dalam bentuk oksidanya karena pengaruh kalsinasi. Vibrasi Al-O muncul pada bilangan gelombang yang lebih besar dari pada Si-O, hal ini berkaitan dengan massa atom keduanya. Massa atom Al lebih kecil dibandingkan massa atom Si, sehingga frekuensi vibrasi Al-O akan lebih besar dibandingkan frekuensi vibrasi Si-O. Serapan pada daerah sidik jari yang juga teramati pada komposit besi oksidamontmorilonit (b), mengindikasikan bahwa proses kalsinasi tidak merusak ikatan Si-O atau Al-O pada antarlapis silikat lempung. Namun serapan tersebut sedikit bergeser ke bilangan gelombang yang lebih tinggi. Hal ini terjadi akibat pengaruh kuat ikatan yang terbentuk antar besi oksida dengan antarlapis silikat lempung, yang secara tidak langsung berpengaruh terhadap kuat ikatan Si-O. Hasil perhitungan diperoleh kandungan besi dalam lempung montmorilonit sebelum dimodifikasi adalah sebesar 4,57 %(b/b), tidak jauh berbeda dengan kandungan besi dalam lempung bentonit yang diperoleh dari P.T.Tunas Inti Makmur, Semarang, yaitu sebesar 4,89 %. Analisis kandungan logam besi memperlihatkan terjadi peningkatan kandungan besi dari 4,57 %(b/b) dalam montmorilonit menjadi 23,61 %(b/b) untuk komposit besi-montmorilonit. Hal ini mengindikasikan berhasilnya proses pertukaran ion antara kation Fe polihidroksi dengan kation terhidrat pada antarlapis silikat lempung dan berhasilnya proses transformasi bentuk hidroksida menjadi bentuk oksidanya yang stabil karena pengaruh kondisi kalsinasi yang cukup baik.
KESIMPULAN Beberapa hal yang dapat disimpulkan dari penelitian ini adalah : 1. Interkalasi besi oksida ke dalam antarlapis silikat lempung montmorilonit menghasilkan suatu bentuk komposit besi oksida-montmorilonit yang memiliki sifat-sifat fisikokimia lebih baik dibandingkan lempung montmorilonit. 2. Terjadi peningkatan sifat-sifat fisikokimia dari komposit besi oksidamontmorilonit, seperti: jarak dasar d001, dari 14,11Å menjadi 16,85Å; luas permukaan spesifik dari 69,71 m2/g menjadi 126,49 m2/g; volume pori total dari 50,70x10-3 mL/g menjadi -3 107,89x10 mL/g; serta peningkatan kandungan besi dari 4,57 %(b/b) menjadi 23,61 %(b/b). Morfologi permukaan montmorilonit menampakkan struktur berlapis (laminated), sedangkan komposit besi oksida-montmorilonit memperlihatkan morfologi lapisan oksida eksternal, dengan struktur delaminasi (delaminated).
DAFTAR PUSTAKA Cool, P., Vansant, E.F., 1998, Pillared Clays: Preparation, Characterization and Applications, Catal. Rev., Sci. Eng., 3, 265-285. Ding, Z., Kloprogge, J.T., Frost, R.L., Lu, G.Q., Zhu, H.Y., 2001, Porous Clays and Pillared Clays-Based Catalyst. Part 2: A Review of the Catalytic and Molecular Sieve Applications, Journal of Porous Materials, 8, 273-293. Goenadi, D.H., 1982, Dasar-Dasar Tanah, Terjemahan dari Tan, Kimia K.H.,
31
Indonesia Chimica Acta, Vol. 1. No. 1, Desember 2008
Edisi
ISSN 2085-014X
Pertama, 93-193, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
Ogawa, M., 1992, Preparation of ClayOrganic Intercalation Compounds by Solid -solid Reaction and Their Application to Photo-Functional Material, Dissertation, Waseda University, Tokyo. Rightor, E.G., Tzou Ming-Shin, Pinnavaia, T.J., 1991, Iron Oxide Pillared Clay with Large Gallery Height: Synthesis and Properties as a Fischer-Tropsch Catalyst, Journal of Catalysis, 130, 29-40. Riyanto, A., 1994, Bahan Galian Industri Bentonit, 1-15, Direktorat Jendral Pertambangan Umum, Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral, Bandung. West, A.R., 1984, Solid State Chemistry and its Applications, 117-123, 153-156, 177-178, John Wiley & Sons, Ltd., New York. Widihati, I.A.G., 2002, Sintesis Lempung Montmorillonit Terpilar Fe2O3 dan Kajian Sifat-sifat Kimia Fisiknya, Tesis S2, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
32
