Laporan Akhir Tesis
LOGO
PENGEMBANGAN METODE SINTESIS UNTUK MENINGKATKAN KUALITAS ZEOLIT ALAMI DI INDONESIA Disusun Oleh: M. Furoiddun Nais
2309201016
Dosen Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Gede Wibawa, M.Eng
LABORATORIUM THERMODINAMIKA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
LATAR BELAKANG Keberadaan zeolit melimpah di Indonesia
Pemanfaatannya kurang
Zeolit Alam Secara luas baru digunakan sebagai pupuk pertanian
Sintesis dan Aktivasi
Struktur dan komposisi tidak beraturan
Zeolit dari alam mengandung pengotor organik / anorganik dan memiliki rasio Si / Al yang tinggi dengan sifat yang tidak homogen.
Di sisi lain…….. Produk Impor, Harga mahal, sifat seragam
> 150 Jenis zeolit Sintetik Zeolit Sintetik Pada Proses di Industri: Dimanfaatkan Secara luas sebagai adsorben, katalis, penukar ion, membran, dll
Proses pembuatan zeolit secara komersial : 1. Pembuatan zeolit dari gel reaktif atau hidrogel, 2. konversi dari mineral kaolin menjadi zeolit, 3. dan penggunaan material mentah zeolit yang sudah ada di alam.
Penelitian Terdahulu Burriesci dkk (1984)
Shigemoto (1993), Berkgaut (1996) dan Ojha (2004) Kang dkk (1998)
Alkan dkk (2005)
De Fazio dkk (2008)
Kazemian dkk (2009)
•mengembangkan proses hidrothermal untuk memproduksi zeolit dengan bahan baku silika – alumina. Semua proses tersebut menghasilkan jumlah pengotor kuarsa atau hidroksisodalite yang cukup besar. •melakukan fusion terhadap NaOH sebelum terjadinya reaksi hidrothermal pada pembuatan zeolit Na – X dan Na-P dari fly ash dengan kemurnian yang cukup tinggi. •merubah zeolit alam Korea yang banyak mengandung feldspar menjadi zeolit tipe X dan tipe P melalui reaksi hidrothermal dengan atau tanpa fusi NaOH.
• Mempelajari pengaruh konsentrasi penambahan alkali dan rasio solid/liquid pada sintesis zeolit NaA dari kaolin • melakukan sintesis zeolit alam tipe klinoptilolite dengan menggunakan proses hidrothermal pada suhu rendah. Pengotor feldspar masih terkandung didalam produk. • Mengembangkan proses produksi zeolite type A dari zeolit alami Iran klinoptilolite dengan satu langkah proses pada suhu rendah. Produk yang dihasilkan lebih baik jika dibandingkan hasil pembuatan zeolit dari bahan aluminasilikat lain
TUJUAN PENELITIAN
Mengembangkan metode sintesis dan modifikasi zeolit alam yang berasal dari Indonesia dengan kualitas rendah (Ca tinggi) hingga memiliki kinerja dan properti menyerupai zeolit sintetik.
Metodologi Penelitian mengkaji metode aluminasi dengan proses alkali
digestion yang dikembangkan oleh Kazemian dkk (2009), dan dikombinasikan dengan proses reduksi Ca2+ dengan pengadukan dalam larutan NH4Cl sebagaimana yang dikembangkan oleh Taffarel & Rubio (2008).
ALUMINASI Kondisi yang ditetapkan: Berat zeolit setiap batch Berat NaAlO2 Suhu Operasi Volume Lar. NaOH
: : : :
Variabel proses: Konsentrasi NaOH Waktu reaksi
: 1-4 M : 2-8 jam
5 gram 6,13 gram 80 oC 90 ml
Metodologi REDUKSI KALSIUM Kondisi yang ditetapkan: Berat zeolit setiap batch
Suhu Operasi Volume Lar. NH4Cl
: 5 gram : Suhu Kamar : 100 ml
Variabel proses: Konsentrasi NH4Cl Waktu reaksi
: 0,5-2 M : 12-24 jam
Sistematika Penelitian Kazemian dkk (2009) Zeolit alam
Tafarel & Rubio (2008)
Dicuci kemudian dikeringkan
Grinding: 80-120 mesh
NaOH NaAlO2
Reduksi Ca2+ dengan NH4Cl
Aluminasi pada proses Alkali Digestion
Bilas dan keringkan Bilas dan keringkan Hasil
Evaluasi Adsorpsi
Terbaik
Aluminasi pada proses Alkali Digestion
Evaluasi Adsorpsi
Alat Peralatan sintesis zeolit terdiri dari reaktor, pemanas, dan pengaduk yang disertai kontrol suhu otomatis dengan akurasi + 1 oC.
4
3
3
6
1 5
6
5
1
2
(1) magnetik stirrer; (2) statip; (3) reaktor dilengkapi pemanas elektrik; (4) thermocouple; (5) thermocontrol; (6) electric contactor.
Zeolit Alam Bandung
1
Dicuci
5 gr Zeolit NaOH, 2M 90 mL NaAlO2 6,13 gram
Dioven selama 10 Jam suhu 1001100C Screening 60-140 Mesh
XRF
Dicuci hingga pH netral
SEM
Dihancurkan
XRD
3
Diaduk 8 Jam Suhu 80 0C
Dioven selama 10 Jam suhu 100110 0C
2
5 gr Zeolit
Dioven selama 10 Jam suhu 100110 0C
Kalsinasi suhu 600 0C
NH4Cl,100 mL Diaduk 12-24 Jam Suhu Ruangan
XRF
SEM
XRD
1
4 gr Zeolit
Ethanol,75 mL
Diaduk 10 Menit
4 gr Zeolit
Diendapkan 30 Menit
2
Ethanol,75 mL Variabel 45%,55%,65%,75%,85%,95% Diaduk 60 Menit Kecepatan 140 rpm
Mengukur % air yang terserap Diendapkan 30 Menit
Hasil Eksperimen Aluminasi Sampel ZS ZD Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18 Z19 Z20 Z21 Z22
Waktu (Jam)
1 2 3 4 5 6 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8 1 2 3 4
Berat Yield Konst Produk (%) (gr) Zeolit Sintetik Tipe 3A Zeolit Alam (Bahan Baku) 5,339 106,78 5,357 107,14 5,374 107,48 1 5,474 109,48 6,375 127,5 6,872 137,44 6,32 126,4 7,333 150,66 2 7,458 149,16 7,847 156,94 6,763 135,26 7,615 152,3 3 7,665 153,3 7,886 157,72 7,148 142,96 7,676 153,52 4 7,864 157,28 7,973 159,46 6,592 1,3184 5,352 107,04 12 5,087 101,74 4,959 99,18
Al2O3
SiO2
8.5 26 24 26 32 25 28 31 30 30 30 31 30 29 30 30 31 31 31 31 20 31 28 18
69.8 39.3 58.5 57 51.1 57.6 52.6 50.5 51.1 50.3 51.4 50.9 50.2 52.4 51.1 51.2 51.2 50.7 50.9 52.4 53,9 51,9 52,8 27,6
Rasio SiO2/ Al2O3 1,51 8,20 2,44 2,19 1,60 2,30 1,88 1,63 1,70 1,68 1,71 1,641 1,74 1,81 1,707 1,65 1,651 1,635 1,642 1,69 2,695 1,674 1,551 1,885
Fasa Kristalin ZA1 K2 + M 3 ZA + M Z4 + M Z + Q5 Q+Z ZA + SOD6 ZA + SOD ZA + SOD ZA + SOD ZA ZA ZA ZA ZA + Z ZA + Z ZA+ SAPO7 ZA + SAPO Z + ZK8 Z + ZK Z+Z Z+Z Z + N9 Z+N
1Zeolit
A (Na)
2Klinoptilolit 3Mordenit 4Unnamed Zeolit 5Quartz 6Hidroxysodalite
(Na8[AlSiO4]6(OH)2) 7Zeolit 8Zeolit
SAPO-20 ZK-21
9Natrodavyne
(Na5Al3CSi3O15)
Hasil Eksperimen Reduksi Ca2+ Sampel ZS ZD
Konst NH4Cl (M) Zeolit Sintetik Tipe 3A Zeolit Alam Waktu (Jam)
2.19% 5.81%
Rasio SiO2/ Al2O3 1,51 8,20
2.36%
1.61
ZA + Z4
2.50%
2.01
Z4A5
3.86%
2.01
Z
CaO (%)
Fasa Kristalin ZA1 K2 + M3
A1
12
A2
16
A3
20
A4
24
2.75%
1.94
ZA + Z
2Klinoptilolit
A5
12
2.54%
2.02
ZA + Z
3Mordenit
A6
16
4.39%
1.92
ZA + Z
4Unnamed Zeolit
A7
20
2.38%
2.04
ZA + Z
A8
24
3.03%
1.97
ZA + Z
A9
12
2.16%
1.93
ZA + Z
A10
16
4.55%
1.96
ZA + Z
A11
20
3.36%
2.00
ZA + Z
A12
24
3.36%
1.98
ZA + Z
A13
12
2.42%
1.94
ZA + Z
A14
16
2.16%
1.97
ZA + Z
A15
20
3.13%
1.90
ZA + Z
A16
24
1.85%
1.93
ZA + Z
0,5
1
1,5
2
1Zeolit
5Zeolit
A (Na)
4A
SiO2
Al2SiO4
AlO2
SiO2
Fe2O3
Al2O3 Fe2O3 Al2O3
CaO Al2O3
CaO K2O
Al2SiO4 AlO2
SiO2
K2O
SiO2
Al2O3
AlO2
Al2O3 Al2SiO4
Fe2O3 CaO
SiO2
Fe2O3 SiO2
CaO
Fe2O3
K2O
Al2O3
SiO2
Fe2O3 Al2O3
K2O
K2O
K2O
CaO
CaO SiO2
K2O
KRISTALINITAS
Kristalinitas zeolit alam, sampel Z10 dan A16 dibandingkan terhadap zeolit sintetik. Jumlah intensitas puncak difraktogram yang dihitung pada sudut 2θ dari 20 hingga 40 derajat.
Sampel
Kristalinitas
Zeolit Alam Bandung
31,24 %
Sampel Z10
49,15 %
Sampel A16
56,22 %
SEM
Zeolit alam
Hasil Eksperimen Sampel A16
Hasil Eksperimen Sampel Z10
Zeolit sintetik komersial
Kesetimbangan Adsopsi Kesetimbangan air dalam zeolit Kadar Etanol (% berat)
67 66 65 Zeolit Alam
64
Z10
63
A16
62
Zeolit Sintetik 61 60 0
10
20
30
40
waktu (menit)
50
60
70
Kapasitas Adsorpsi Dari grafik kesetimbangan adsorpsi, jika diketahui: Berat Zeolit (M) Kadar Ethanol mula-mula (C0) Volume campuran (V)
= 4 gr = 62 % = 75 ml
Maka dapat dihitung kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan:
No 1. 2. 3. 4.
Jenis Zeolit Zeolit alam Sampel Z10 Sampel A16 Zeolit sintetik 3A.
Kapasitas Adsorpsi (mg air/gr zeolit) 375 468,8 562,5 750
No
1. 2. 3. 4.
Jenis Zeolit
Zeolit alam Sampel Z10 Sampel A16 Zeolit sintetik 3A.
qmax (mg air/gr zeolit)
K (L/mg)
Peningkatan Kapasitas Adsorpsi Monolayer (qmax) dibandingkan Zeolit alam
336,7 418,7 429,7 433,5
6,955 6,754 6,648 5,492
25% 27,63% 28,74%
PARAMETER THERMODINAMIKA
Suhu Zeolit Alam 30 40 50 Sampel Z10 30 40 50 Sampel A16 30 40 50 Zeolit Sintetik 30 40 50
Kc 0,000588 0,000619 0,000599
ΔG0 (J/mol) ΔH0 (J/mol) 18750,419 19233,963 19936,527
ΔS0 (J/K mol)
-0,078983
-61,8141
0,000636 18549,77391 0,000681 18984,78605 -0,3849382 0,000698 19524,7094
-61,5153
0,000638 18541,1202 0,000722 18833,90029 -0,2793504 0,000683 19583,56106
-61,1952
0,000818 17917,74367 0,000831 18467,32524 -0,0149652 0,00082 19090,44417
-58,6611
Kesimpulan Kondisi operasi terbaik untuk proses aluminasi pada alkali digestion menghasilkan kristal zeolit A dengan rasio SiO2/Al2O3 sebesar 1,641 diperoleh pada konsentrasi NaOH 2M dan waktu reaksi 8 jam dengan penambahan 6,1 gr sodium aluminat
Proses reduksi Ca2+ dengan pencampuran zeolit kedalam larutan NH4Cl 2M pada waktu 24 jam dapat menurunkan kadar kalsium dalam zeolit alam menjadi 1,85% dari kadar semula 5,81%.
Proses aktivasi zeolit alam yang dilakukan mampu merubah struktur kristal zeolit alam menjadi kristal zeolit tipe A dan beberapa jenis zeolit lain, namun tidak dapat membangun struktur kristal baru dari komposisi bahan amorf yang terkandung didalamnya. Aluminasi pada NaOH 2M dan waktu 8 jam meningkatkan kapasitas adsorpsi 24,35% dan Zeolit yang mengalami reduksi kalsium pada penambahan 2M NH4Cl, waktu pengadukan 24 jam yang dilanjutkan dengan aluminasi pada NaOH 2M dan waktu 8 jam mengalami peningkatan kapasitas adsorpsi 27,63% dimana untuk zeolit sintetik peningkatan kapasitas adsorpsi dibanding zeolit alam sebesar 28,74%.
