MODIFICATION OF CATALYST NATURAL ZEOLITE BY USING TiO2 Fathurrahmi Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Syiah Kuala University, Aceh
ABSTRACT
The research on the preparation of Zeolite-TiO2 has been investigated. Zeolite-TiO2 was prepared by grounding TiO2 powder with zeolite and followed by heating the mixture using microwave oven of 800 watt for 5 minutes. Zeolite-TiO2 was prepared by dispersing titanium into a suspension of zeolite. The suspension was filtired, the solid phase was calcined using microwave oven of 800 watt for 5 minute. Zeolite-TiO2 were characterized by XRF, and GSA to observe some physical and chemical properties such as titanium concentration, specific surface area, total pore volume, and isotherm adsorption.. Elemental analysis result with XRF indicated that the titanium concentration increase from 0,26 % (w/w) in zeolite to 1,60 % (w/w) in Zeolite-TiO2. GSA data showed the increase of specific suface area from19,565 m2/g for zeolite to 21,530 m2/g for Zeolite-TiO2. Total pore volume from 2,0640 x 10 -4 mL/g for zeolite to 2,1755 x 10-4 mL/g for Zeolite-TiO2 . Keywords: Zeolite, TiO2, titanium concentration, specific suface area and Total pore volume
PENDAHULUAN Zeolit, adalah salah satu sumber daya alam Indonesia memiliki deposit dalam jumlah yang melimpah, tetapi belum termanfaatkan secara baik. Dalam kehidupan sehari-hari zeolit sering digunakan sebagai bahan dasar pembuatan adsorben. Demikian juga dalam bidang industri, zeolit dimanfaatkan sebagai katalis,bahan pengisi dalam industri detergen, sebagai penukar ion, industri pertanian dan peternakan Berkaitan dengan penerapan katalis sebagai bahan yang dapat mendegradasi bahanbahan organik, salah satu bahan katalis yang banyak dikenal adalah Zeolit. Bahan ini memiliki kemampuan sebagai bahan katalis dan inang katalis. Pembentukan zeolit sebagai inang katalis akan sangat membantu performa zeolit lebih maksimal, salah satunya adalah dengan mendispersikan bahan TiO2 ke dalam pori-pori zeolit. Pendispersian dengan menginklusikan kation titan ke dalam pori-pori zeolit. Setelah inklusi selesai, dilakukan kalsinasi untuk mengubahnya menjadi titan dioksida. Titan dioksida yang telah terdispersi di dalam pori-pori zeolit dapat dimanfaatkan sebagai bahan katalis. Katalis yang dihasilkan
dalam penelitian ini adalah Zeolit-TiO2 yang memiliki struktur semikonduktor, TiO2 merupakan katalis yang relatif stabil secara kimia dalam lingkungan air, harganya relatif murah, tidak memerlukan senyawa tambahan pada penggunaannya kecuali O2, reaktif dengan senyawa organik, dan nilai celah pita (Eg)nya relatif besar sehungga sangat efektif sebagai fotokatalis (Herman, 1999). Kelebihan lain dari TiO2 adalah memiliki sifat semikonduktor yang dapat mendegradasi berbagai macam polutan dengan menggunakan cahaya matahari. Kemampuan fotokatalitik TiO2 yang diemban ke dalam bahan zeolit sintetik dan karbon aktif telah sering dilakukan. Hasil menunjukkan bahawa TiO2 yang diembankan pada zeolit sintetik mempunyai fotokatalitik aktifitas yang lebih baik daripada yang tidak diembankan pada zeolit sintetik.
METODOLOGI Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: Titan dioksida (Merck), Zeolit alam berasal dari PT.Prima Zeolita DIY, Air bebas ion (deionized water), HCl(32%) v/v)(merck), AgNO3(Merck), Alat-alat Alat-alat yang digunakan adalah; alat-alat gelas, termometer, pengayak 100 dan 250 mesh, lumpang porselin dan penggerus, sendok (bahan alumunium, kaca dan kitin.), oven, microwave oven, pngaduk magnet, Triator,
timbangan
analit
kertas saring Whatman 42, pH meter merk Digital
(Mettler-AT200),
Gas
Sorption
Analyzer
NOVA
1000(P3TM,BATAN Yogyakarta), Spektrofotometer X-Ray Fluorescence (XRF) dan lampu UV 366 nm.
Prosedur Kerja Preparasi Zeolit Alam Zeolit alam digerus dan diayak hingga lolos penyaring 250 mesh. 100 gram zeolit hasil ayakan dicuci dengan 2 L aquabides sambil diaduk selama 24 jam. Suspensi disaring dengan menggunakan kertas saring Whatman 42. Zeolit yang telah dibersihkan kemudian dipanaskan dalam tanur pada suhu 400°C selama 4 jam. Zeolit digerus dan diayak hingga lolos ayakan 250 mesh.
Sintesis katalis Zeolit-TiO2 Fotokatalis TiO2/Zeolit dibuat dengan cara mencampur 10 g zeolit dengan 2% (b/b) TiO2. Selanjutnya fotokatalis TiO2/Zeolit yang terbentuk dikeringkan dalam microwave oven 800 watt selama 5 menit.
Metoda Karakterisasi Zeolit asal, katalis Zeolit-TiO2 dianalisis dengan menggunakan XRF, dan Gas Sorption Analyzer. Zeolit asal, TiO2,dan katalis Zeolit-TiO2 diidentifikasi Kandungan Ti dengan menggunakan XRF. Pertama TiO2 murni 995 dicacah dengan radiasi Fe35, luas puncak yang ditimbulkan diukur. Selanjutnya sampel dianalisis, luas puncak sampel diukur. Kandungan TiO2 dalam sampel diukur dengan membandingkan luas puncak sampel dengan luas puncak standar. Penentuan luas permukaan spesifik dan porositas sampel ditentukan dengan menggunakan alat Gas Sorption Analyzer. Beberapa gram sampel zeolit fotokatalis TiO2/Zeolit dan TiO2-Zeolit ditempatkan ke dalam tabung sampel dari alat Gas Sorption Analyzer. Kemudian sampel dipanaskan dan dilakukan proses degassing pada suhu 150°C selama 1 jam selanjutnya sampel didinginkan dengan nitrogen cair sampai akhirnya lapis tunggal molekul nitrogen terbentuk pada permukaan sampel. Volume gas atau berat gas yang teradsorpsi pada suhu nitrogen cair (77,40 K) dapat ditentukan. Dengan terukurnya perubahan tekanan dan volume atau berat gas yang teradsorpsi oleh sampel maka dapat ditentukan luas permukaan spesifik, rerata jejari pori, volume total pori dan distribusi ukuran pori.
HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian ini diawali dengan
preparasi terhadap zeolit alam untuk memperoleh
fotokatalis Zeolit-TiO2. Selanjutnya zeolit, katalis Zeolit-TiO2 dikarakterisasi dengan menggunakan, XRF dan Surface Area Analyzer (BET/Isotermal). Perlakuan karakterisasi ini bertujuan untuk dapat mengetaghui sifat-sifat fisikokimia dari Zeolit-TiO2. Karakterisasi zeolit dan katalis Zeolit-TiO2 Analisis Spektroskopi XRF digunakan untuk menentukan kandungan Ti dalam zeolit, dan Zeolit-TiO2. Hasil analisis dengan XRF dapat dilihat pada Tabel I. Berikut:
Tabel I Hasil analisis kandungan Ti dalam zeolit dan Zeolit-TiO2 dengan metoda XRF. Nama sampel Parameter Kadar [% (b/b)] Zeolit Ti 0,259 Zeolit-TiO2 Ti 1,597
Terlihat bahwa terjadi kenaikan kandungan TiO2 yaitu dari 0,26 % pada zeolit asal menjadi 1,60 % pada Zeolit-TiO2. Hal ini mengindikasikan bahwa penyisipan oksida titan ke dalam zeolit relatif berhasil. Selanjutnya Analisis dengan Surface Area Analyzer digunakan untuk menentukan luas permukaan spesifik dan volume pori total dari zeolit dan Zeolit-TiO2. Analisis luas permukaan dan distribusi ukuran pori pada sampel Zeolit dan ZeolitTiO2 dengan metoda adsorpsi nitrogen berdasarkan isoterm BET menggunakan instrumen Gas Sorption Analyzer (analisis serapan gas). Hasil analisis GSA dapat dilihat pada Tabel IV.3. Data pada Tabel IV.3 semakin mendukung keberhasilan proses sintesis Zeolit-TiO2 yaitu dengan terjadinya peningkatan luas permukaan spesifik dan volume pori total pada Zeolit-TiO2 dibanding dengan zeolit. Tabel 2 Hasil pengukuran luas permukaan spesifik dan volume total pori dari Zeolit dan Zeolit-TiO2. Sampel Luas Permukaan Spesifik, m2/g Volume Pori Total, x 10-4 mL/g Zeolit 19,565 2,64 Zeolit-TiO2 21,530 2,1755 Dari data pada Tabel 2 menunjukkan peningkatan luas permukaan spesifik dan volume total pori pada Zeolit-TiO2 lebih besar dibandingkan dengan luas permukaan spesifik dan volume total pori pada zeolit. Hal ini disebabkan oleh proses pembentukan oksida titan di dalam antarlapis dan permukaan zeolit. Untuk distribusi ukuran pori pada zeolit dan Zeolit-TiO2 ditunjukkan pada Gambar 1 yang menunjukkan indikasi bahwa pada Zeolit-TiO2 mengalami penurunan ukuran pori pada diameter mikropori dan mesopori. Proses penyisipan TiO2 kemungkinan akan menyebabkan tertutupnya beberapa bagian pori zeolit sehingga mengakibatkan terjadinya penumpukan pada saluran pori. Perbedaan distribusi ukuran pori dapat terjadi sebagai akibat dari adanya restrukturisasi pori pada padatan selama proses kalsinasi. Hal ini sesuai dengan pernyataan Bell (1987) bahwa dalam proses kalsinasi, oksidasi dan reduksi suatu padatan teremban logam dapat terjadi perubahan interaksi logam-pengemban yang dapat menyebabkan perubahan ukuran partikel logam dan distribusi logam, sehingga menyebabkan perubahan
distribusi ukuran pori pada padatan pengemban. Adanya peningkatan distribusi ukuran pori pada Zeolit-TiO2ini diharapkan akan meningkatkan efektivitas katalitiknya
Gambar 1. Pergeseran distribusi ukuran pori dari zeolit dan Zeolit-TiO2.
Distribusi ukuran pori pada zeolit dan Zeolit-TiO2 disajikan pada Gambar 1 Dari gambar terlihat bahwa untuk daerah ukuran pori dengan diameter mikropori (<20Å) terjadi peningkatan volume dibandingkan pada zeolit. Hal ini menunjukkan bahwa kemungkinan telah terjadi penutupan pori oleh TiO2 pada bagian mikropori. Sedangkan distribusi ukuran pori pada Zeolit-TiO2 mengalami pergesean ke arah mesopori (20-500 Å). Adanya perbedaan distribusi ukuran pori pada Zeolit dan Zeolit-TiO2 menunjukkan keberhasilan proses sintesis Zeolit-TiO2. Distribusi pori terbanyak yaitu pada pembentukan mikropori yang semula tidak terlihat pada zeolit, diikuti pembentukan mesopori.
Gambar 5 Adsorpsi Isoterm N2 pada Zeolit dan Zeolit-TiO2 Untuk keterkaitan kondisi adsorpsi isoterm dengan volume pori, gambar di atas memperlihatkan bahwa pada semua tekanan tertentu Zeolit-TiO2 mampu ` menyerap gas N2 lebih besar daripada zeolit, hal ini berarti volume pori Zeolit-TiO2 lebih besar dibanding dengan volume pori zeolit, sehingga dapat menyerap gas N2 lebih banyak. Sedangkan pada kondisi tekanan rendah dengan tekanan lebih kecil dari 0,5 P/Po hingga mendekati 0,0 P/Po (daerah warna biru muda) terlihat bahwa pada kondisi tekanan yang sama, Zeolit-TiO2 mampu menyerap gas N2 lebih banyak daripada zeolit demikian juga pada kondisi tekanan yang lebih besar dari 0,8 P/Po hingga 1 P/Po (daerah warna hijau muda). Tetapi untuk daerah dengan warna kuning yaitu pada tekanan 0,5 hingga 0,8 P/Po terjadi penyerapan N2 yang sama. Hal ini memperlihatkan terjadinya perubahan volume pori sehingga mempengaruhi isoterm adsorpsi terhadap gas nitrogen. Walaupun kemampuan menyerapnya lebih besar namun tidak begitu signifikan, hal ini kemungkinan disebabkan oleh berkurangnya volume pori pada ukuran mikropori dan mesopori Zeolit-TiO2.
KESIMPULAN
Dispersi kristal oksida titan ke dalam pori-pori zeolit menghasilkan katalis ZeolitTiO2. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa zeolit yang termodifikasi dengan oksida titan memiliki sifat-sifat fisik dan kimia yang lebih baik dibandingkan dengan zeolit. Hal tersebut terindikasi dengan naiknya kandungan titan dari 0,26 % pada zeolit menjadi 1,60 % pada Zeolit-TiO2; luas permukaan spesifik dari 19,565 m2/g pada zeolit menjadi 21,530 m2/g pada Zeolit-TiO2; volume pori total dari 20,640 x 10-3 mL/g menjadi 21,755 x 10-3 mL/g pada Zeolit-TiO2.
DAFTAR PUSTAKA
Alaerts, G., dan Santika, S.S., 1984, Manajemem Penelitian Air, Penerbit Usaha Nasional, Surabaya, 149-153, 171-176. Andayani,W dan Agustin S, 1999. Aplikasi Radiasi Pengion Dalam Penguraian Limbah Industri I. Radiolisis Larutan Standar Zat Warna Reaktif Cibracron Veolit 2R, Majalah Batan, Vol 1-2, edisi Januari-April 1999. Anonim,1998. Standard Methode For The Examination Of Water and Waste Water, 20th edition, American Water Works Asociation, Water Environment Federation, Section 5220 -53310. Anonim, 2005. Pengolahan Dan Pemanfaatan Limbah, http;//www. MENLH,90.Id/Usahakecil, diakses 27 Januari 2006. Amelia, L., 2006. Preparasi TiO2/Zeolit Dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis Untuk Degredasi Limbah Cair PT. Jogjatex, Skripsi FMIPA Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. Arryanto, Y., 2003.Elusidasi Senyawa Anorganik, FMIPA UGM, Yogyakarta 19-20 Brain, M., 2004, How Microwave Oven Myths, http://home.howstuffworks.com/microwave.htm/ printable., Augustini, R.L., 1996, Heterogenous Catalysis for The Synthetic Chemistry, Marcel Dekker, Inc., New York, 252-253,277,302. Bloomfield, L., 2004, Some Microwave Oven Myths, hhtp://www.Amasci.com.weird/ microexp.htm#work., diakses 17 November Gunlazuardi, J., 2001, Fotokatalisis pada Permukaan TiO2; Aspek Fundamental dan Aplikasinya, Seminar Nasional Kimia Fisika II, Jakarta, 14-15 Juni. Hamdan, H., 1992. Introduction to Zeolites, Syinthesis, Characterization and Modification, University Technology Malaysia, Kuala lumpur.
Iwamoto, M., Abe, T., dan Tachibana, Y., 2000, Control of Band Gap Iron Oxide Through its Encapsulation into SiO2-based Mesoporous Materials, J.Mol. Catal. A: Chem., 155, 143-153. Las, T., 2005, Potensi Zeolit untuk Mengolah Limbah Industri dan Radioaktif, website http://www.batan.go.id/p2plr/olahlimbah.html, diakses tanggal 4 Desember 2005. Madejova, J., 2003, FTIR Techniques in Clay Mineral Studies, Vibrational Spectroscopy, 31 , 1-10 Maira, A.J., Coronado, J.M., Augugliano, V., Yeung, K.L., Coresa, J.C and Soria, A.J.,2001, Fourier Transform Infrared Study of Performance of Nanostructured TiO2 Particles for The Photocatalytic Oxidation of Gaseous Toluene, J. Of. Catal., 202, 413-420. Maira, A., Yeung, K.L., Lee, C.Y., Yue, P.L., and chan, K., 2000. Size Effects in Gas-Phase Photo-oxidation of Trichloroethylene Using Nanometer-Sized TiO2 Photocatalyst,J. Of Catal., 203, 82-86. Moser, W.R., 1996, Advanced Catalysts and Nanostructured Materials: Modern Synthetic Methods, Academic Press, San Diego. Muggli, S.D., dan Michael.J.B., 2002. Two Active Site for Photocatalytic Oxidation of Formic Acid on TiO2;Effects of H2O and Temperature, J.of. Catal, 105-113. Rao, K.V.S., Srivinas, B., Prasad, A.R., and Subrahmanyam, M., 2000, A Novel One Step Photocatalitic Synthesis of Dihydropyrazine from Ethylenediamine and Propylene Glycol, Chem.Commun, 1553-1534. Riberio, F.R.,A.E. Rodrigeus, L.D., Rollman, and C. Naccache., 1984. Zeolites; Science and Technology, Martinus Nijhoff Publisher, Lancaster, Nederland. Rudatiningsih, 2005, Fotodegradasi Zat Warna Alizarin S menggunakan TiO2-Zeolit dan Sinar UV, Skripsi, Jurusan Kimia FMIPA UGM, Jogjakarta. Sturat, B., 1996, Modem infrared Spectroscopy, John Wiley and Sons, Chichester. Sastrohamidjojo, H.,1991,Spektroskopi, Liberty, Jogjakarta. Suroto, T., 2004, Kajian Pengaruh Konsentrasi Asam Klorida Terhadap istribusi UkuranPori Zeolit Alam dan Uji Kemampuan Sebagai Adsorben untuk pemurnian Minyak Daun Cengkeh, Skripsi, FMIPA UGM, Jogjakarta. Oudejans, J., 1984, Zeolite Catalysis in Some Organic Reaction, Chemical Research (SON), Holland. Pramudjo, K., 1994. Limbah Cair barbagai Industri di Indonesia Sumber Pengendalian dan Baku Mutu, EMDI-BAPPEDAL, Jakarta, 79-85.
Purnaningrum, Y., 2004, Preparasi TiO2/Zeolit dan Aplikasinya untuk Degradasi Fenol, Skripsi, FMIPA, UGM, Jogjakarta. Purwati, 1997, Penggunaan Koagulan Ferro Sulfat dalam Zeolit Termodifikasi pada Pengolahan Limbah Cair Industri Tekstil, Skripsi, FMIPA, UGM, Jogjakarta. Vaughan, D.E.W., 1987, Properties of Natural Zeolites on sand, L.B., and Mumpton, E.a., Natural Zeolites: Occurences, Properties, Use, Pergamon Press, Oxford. Vilentario, D., 2004, Preparasi dan Karakterisasi TiO2/TiO2-montmorillonit, Skripsi FMIPA Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Wahyuni, E. T., Arryanto, Y., dan Setiadji, B., 2000, Pengujian FeO Zeolit Sebagai Fotokatalis pada Reaksi Fotooksida Fenol, Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII, Jurusan kimia FMIPA UGM, Jogjakarta 7 September 2000. Weitkamp, J and Puppe,L. 1999, Catalysis and Zeolites: Fundamentals and Application, Springer, BerlinWest, A.R., 1984. Solid State Chemistry and to Application. 117-123, 153-156, 177-178, Jhon Willey & Sons, Ltd., New York.
