gst voL st.No.t, tsss ITB, ,Hpnoc. g
4l
Pengukuran kristalinitassilikaberdasarkan metode difraktometer sinar-X N . R .H e r d r a n i tO a ,n g f t . L . ,E A S u b r o t od a n B P r i a d i JurusanTeknikGeologi,Fakuftasllmu Kebuman dan TeknoiogiMineral,lnstiiittI eknolctgi Bandung, Jl. Ganesa10 Bandung40132- /NDONES/A;Telepondan tax : 62-22-2509211 Masuk: Septomber1998;revisimasuk: Mei 1999;diterinra:t\,t€i1999
Srri Mircralogi&n derajathistalirutas mineral silika non- dan rnikoloistalin tlapat ditentui
Abstrrct Measurcment of silica crystallinity using X-ra-v diffraction method Mirralogyandthe degreeof crystallinityof non- and rnicrocrystallinc silica could bc rlctennincdusrngrhc X-ray difliactiol mcthod, i.e.bymeasuring thehalt'-widthpcakor humpat about4 A. Theoptimun*r audnrostrcproduciblc,"r,ilt *.r" obtainedwhc' powderhavinga grainsizeof 75 to 106pm waspreparetlat the alunriniumholderarrdscanledfrom l0 to 40.20 &y silicasample using a goniometo speedof 0.6"20anda stepsizeof 0.01o.Thisprocedure wrll givean expcrimcntalerrorlessthan0.3"20. Keyvords: cristobalite; crystallhity;opal;quarE;sampleprepamtion;silica; hidynite; XRD.
I Pendahuluan Denganmeningkatnyaketeraturan struktur kristal tetnhedral SiOaatau derajat kristalisasinya,mineral silikanon-danmikokistalin dapatdiurutkansebagai hrikut: opd-d opal-CT,opal-C, tridimit, knstobalit, dankuarsa. Karenaukurannyayang lebih halusdari 50 prq mineral-mineralini sulit dibcdakan secan ptrografi. Salah satu metode yang dapat nembedakannya adalahmetodedifraktometersinar-X mineral Q(RD= X-rayDilfraction)yang menganalisis hrdasarkan struktu kristialnya.Silika non-kristalin, disebut opal-A,memberikanpola XRD yang amorf, yaitu menunjukkansebuah hump (vndvkan) dengan intensitas maksimumdi sekirar 4 A Ill Silika nihokisaln sendiriterbagimenjadiopalmikrokristalin (opal-C danopal-CT),tddimit, histobalit, dan kuarsa. 0palmikokristalinmempunyaihump di sekirar4 A yang lebih tajam dengan intensitas lebih tinggr dibandingkan denganopal-A sebagaihasil pcningkatan keteraturan strukturkristal silika (etrahedral SiOa). Tridimitdankistobalitmempunyaistrullur kristalyang brlapis teratur,tetapi keduanya mempunyai spasi lapiunSiQ yang berbeda.Oleh karena itu, tidimit
rnerrunjukkandvapeak (puncak) XRD yang intensif pada 4,ll A dan 4,33 A, sedangkan untuk kristobalit peak tersebut muncul pada 4,04 A Oan 2,49 A. Kuarsa merupakan mineral silika paling stabil dan mempunyai struktur kristal tetrahedral SiOr paling teratur. pola XRD-nya menunjukkan duapeak difraksi utama di posisi
3,34A dan4,26A lzl.
Suatu mineral silika dapat berubah rnenjadi mineral silika lain yang lebih stabil dengan mengubah keteraturanstruktur kristalnya.Studi diagenesissilika pada sedimen klastik menunjukkanperubahanyang progresifdari silika non-kristalinmenjadiopal-CTdan opal-C (e.g. [3]). Urutan perubahanyang samajuga ditunjukkanolch bcbcrapahasil eksperimenkristalis.asi silika di laboratorium (e.g.I4l). Karenaitu, di samping p€nentuanmineraloginya,pengukuranderajat kristalisasi silika perludilakukan.Sayangnya, hinggasaatini belum terdapatsuatuteknik standaruntuk mengukurderajat kristalinitasmineral ini bcrdasarkanpola XRD. sepcrti yang dilakukan pada mineral lemprng (e.g. t5l) Meskipun sebelumnya 16l telzrh meneurukancara mengukurkristalirutaskuarsaberdasarkan peak XRD pada posisi sekitar I.4 A, rnetodcini ddak dapat
PROC.ITB, T,'OL,3I,NO. I, I9g9
42
diterapkanuntuk mineral silika lairL karenapeak yang khas untuk ktursa ters€buttidak muncul atau tidak terekam. Padatulisan ini diuraikansuatuInetodeoptimumyutg mempunyai reproduksibilitas tittggi yang dapat digunakanuntuk mengukurderajat kristalinitassilika pola XRD diuraikan.Karenasemuamineral berdasarkan adanyarefleksialaupeak atauhump silika menunjukkan pada posisi 4,0 hingga 4,3 A (sekitar 22'20), maka kristalinitassilika dapatdiekuivalenkandenganmelihat bentnkpak )KI-D, meliputi intensitasatau tinggi dan lebarpadaposisisekitar+ A. MetodeanalisisXRD ini juga menyangkut &ua preparasi aiau penyiapan spesimeqpemilihankecepatandan intervalgoniometer, pemilihan sudut refleksi untuk pemrosesandata dan pengidentifikasianfaktor kesalalnnyang muncul.
T
Kalibrasi dengan standareksternalsilikon (99,99% Si) d yi dan menggunakan kecepatan goniometer sebesat 0,6o2elnrenit dengan intcrval 0,01o menunjuklan u penuruftm spasi-d (d-spacing)peal<)iRD di ^4 A hingga pi 0,008 A aUu peningkatan sudut 2-theta sebesar 0,070 D dibandingkan dengan referensi JCPDS yang dikeluarkan al oleh TheInlernational Cenlrefor Diffraction Data. le Akurasi pengukuran kristalinitas silika dengan mctode ya XRD dilakukan dengan menggunakan serbuk silikon di sebagai standar internal dan goniometer berkecepatan ak 0,6o20/menit dengan interval 0,0Iu. Hasilnya ml mcnrurjukka.nbatrwa posisi intetsitas-rruiksiniurna,han berkisar kuruig dari 0,'1"20 rirrtuk rebuatr lrirzlp dart lrd.il lebih dari 0,02"20 uniuk scbuah pealc, sedarrgkanlebar 2. yang diukiu pada seiengah irrtcnsitasnialisirnum ai,an Pe mempunyai kisarair hingga 0,3'20 iurttrk sebuah hunrp mi dan kurangdari 0,03'20 unttrk sebuahpeat.
x
kri se 2 Prosedurpercobaan ya 2.2 Perrgukurandcrajat kristaliuitas silika sil 2,1 Difraktometersinar-X peak (half pada peak') Letrar setengah XRD width dtp me Difralctometer sinar-X yang digunakan adalalt digunz*:ur urtuk rnengukur kristalinitas suatu nrrnenj en GoniometerDifraksi Phillips dengan monokromator Gambar I menunjukkan cara pcngukuran derajn wt. gnfit dan dikontroldenganperangkatlvnak Diffracti
Kec pon san pen beb terd
xi^
(' I q a Q
A M0=7.
llt '/,1 I
il
i- -Y
FF cd
-i
tl I I I I I I
c.{ nc..l
j0
l4
Derajat 20
41
46
50
54
met alur ana' Cu dia laru sam glis, disa min spes pen: lem dica
(opal-A).Sunrbuabr kristalinitas silikapada hump-4 A untuksilikanon-kristalin Gambar1 Cara pengukuran relatif(tanpaskala).PolaXRD diperhali posisipeakdalam'20 dan sumbuordinatadalahintensitas menunjukkan (/) menunjukkan posisipeak,yaitu4,05 garislatarbelakangnya. Intensitas maksimum becaramanualdan ditentukan (%/): pada setengah intensitas maksimum lebar diukur sebagai kristalinitas atau21,9'20.Derajat M0 = le- le= 25,9- 18,1= 7,8'20
43
PR?C. tTB,VOL.3I, NO. 1, 1999
di ahs nilai intensitaslatar belakang. Prosedur standar yang dilalrukan adalah dengan rnenghaluskan kurva XRD secaramanual, menentukan garis latar belakang untuksetiapsisi, dan kemudian mcngukur derajat 2-theta pdale'flupeak di posisi setcngahintensitas-maksitnum. Dengan caratersebutderajat kristalinitas stutu mineral akanekuivalendenganderajat 2-theta ('20). Pengukuran l$ar-setengahdengan mcnggunakan per:rngkat lunak yang biasanya tcrdapat pada difraktometer tjdak disarankaAterutama unnrk pengukuran sebuah hump, akibat faktor gangguan pada alat yang sangat nilai latar belakang. mempenganrhi
yangdigunakandan preparasispesimcn 2.3 Sampel
rI il rl k k lr
Penelitran ini dilakukandenganmenganalisisdua sampel nuneralsilika yang sangat bcrbcda, yaitu silika nonknstalinopal-Adan kuarsa.Kedua mincral ini terbentuk serara alamiahpadakondisi d.enlingkungan yang sarna, yaitu terbentuk sebagai endapan permukaan (sirrtcr silika) dari fluida panasburni yang kaya SiO; dat mendingin secaramendadak.Opal-A tcrbcntuk sebagai mudadi pennukaandan mengandungsekitar 90 endapan w1.%SiOzdan l0 ut.% H2O, sedangkanmincral kuarsa (Si0zmencapai99 wt.o/odan H2O kurang dari I u't.%) tertentukakibat pcrubahan mincralogi dan dchidrasi sintersilikadari opal-A menjadi kuarsa sclatrn lebih dari 10.000 tahun[8]. Kedua mincral ini diidentifikasi arval denganmetode XRD d:rn dikonfinnasikan tekstur Scanning Electron mineralnya dengan tcknik Llitoprobe(SElu| Keduasampelsilika tcrsebut digerus dengan pcnggcrus prselendandiayakhingga terbentuk scrbuk silika yang sangat halusberukurankurang dari 106 prn. Sclanjutnya. pngukuranderajatkristalinitas silika dilalrukan dengan can pcnyiapan spesirnen.Pada prinsipnya beberapa rcrdapatdua can preparasi spcsimen untuk analisis XRD, yaitu cara kering dan basah. Cara kering menggunakan serbukkcring yang dicetak pada cctakan alununiumyang merupakan cetakan standar untuk uulisis)RD berukuran 20 x t0 mrn dan tebal I rnnr. Calabasahdilakukur dcngan meratakan serbuk sarnpcl dratasgelaspreparatdan menanbahkan beberapatctcs larutankimia yang tidak akan mcrusak struktur kristal smpel, misalnya aseton dan glikol (catnpuran l0%o gliserol dan 90% etanol). Penarnbahan air tid.lk disarukandalam percobaanini karena struktur kristal mineral silika mungkin dapat bcrubah. Preparasi spsimen basah lainnya adalah dengan mengikuti pnyiapan sampel standa.r untuk analisis mineral yang dideskripsikanoleh [51. Serbuk sampel lempung dicampurdenganair murni, dikocok dan didiunkan
sts lus
'A
semenlara waktu sehingga butir-butrr kasar akan terpisah.Hasil suspensilarutantersebutditeteskandi atas gelas prcparat dan dibiarkan nrcngering selama senulam pada suhu nrangan. Spesimenini kernudian dianalisis dengan metodc XRD tanpa dan dengan penanbahan larutanglikol.
3
Hasilpercobaan dan pembahasan
3.1 Efek preparasispesimen Gainba;.2 menunjultliiu ii,:)laXRD srhka rton.luisurlrn (opal-A) dengan lima preparasisarnper1'ang bcrbc-la. Spcsimenserbuk kcring ternyata mcnurlukkan b,cb,erapa tzunbalunpeak. rnisalnyadi posisi sekitar 21, 26, dan 45'20, yang tidak rnuncul bila spesimen diprcparasi dengan cirra lainnya. Posisi peak utzuna dan lnsil pcngulruran dcrajat kristalinitas yang ditunjukkan pad.a Tabcl I juga terlilnt bcrbcda untuk sctiap preparasi sampcl. Spcsimen dengan pcnambahau larulan (cara basah) cendcrungmcnurunkan posisi spasi-d peak atamhuntp utama dari 4,1 ke 3,9 A dan juga nrcnurunkan intcnsitasnya. Pola XRD spesinlcrlini juga mcnunjukkan hump yang melebar, schingga mcnurunkan dcrajat kristalirftas silika .vang terlihat dengan pcnarnbahur peak di ^-4A hingga I 1"20. lcbar-sctcngah Pada pola XRD yang dihasilkan oleh spcsimen yang diprcparasisesuai dengan urineral lelnpung, pengnruh pcnzunbahanlarutan glikol harnpir tidak ada. Posisiper* dan kristalinitasyang ditunjukkan scbclum dan sesudah penarnbahan glikol cenderungkonsun (Tabcl l). Tetapi, bila pcnambah:utglikol dilakukar pada spesimcnyarg ditarnbah aseton tcrlcbih daltulu, pola XRD yang dihasilkan sebclum dan sesudahpcnambiilnn ini akan berubah. Pasisi peak akan turun sckitar 0,1 A dal kristalirutascendenrngbcrtambaholeh pengzruhglikol. Pengaruh uliural butir pada pola XRD rnenunjukkan bahwa derajat kdstalinitas opal-A tidak akan berubah bila ukuran butir yang digunalian di bawah 300 pnt (Carnbar3). Di atasul,iuranterscbut,hump slllka pada^-+ A akn bertarnbah lcbar schingga knstalinitas akan rnenurun. Scbagai tarnbahan, pengukuran indeks kristaliniurssanpel kuarsa yang dilakukzurbcrdasarkan tcknik [6] padaquintuplerdi posisi -1,1 A mcnunjuklian hasil yang reproduksibilitasnyatinggi bila spesimen menggunakan scrbuk kering bcnrkuran ?5 hingga 106 pm. Butiran sampellang lebih halus dzri '75 prn akan nrenrberikankisaran indeks kristalinitaslebih dai I per skala10.
PROC.ITB, VOL.31,NO"], 1999
44
P]
A
9r q)
C
t4 q
c)
D
E rhf{*_*r.lUAy l2
t6
20
24
28
32
36
40
48
52
56
60
Derajat20
(opal-A)yang dihasilkanoleh preparasispesimenyang berlainan:(A) sebaga Gambar2 PolaXRD silikanon-kristalin spesimenkering,(B) pengeringansemalamsuspensilarutan sampel,(C) pengeringansemalam suspensilarutan G i larutanglikol,(E) spesimenbasah larutanglikol,(O) spesimenbasahdenganpenambahan sampeldenganpenambahan go paak posisi dan sumbu ordinatadalah dalam'20 menunjukkan Sumbu absis penambahan aseton. larutan dengan in intensitasrelatif yang diskala sesuai dengan pola (A). Semua analisis menggunakangoniometerberkecepatan m pola posisi peak, intensitas kelima pengukuran lebar-setengah, dan 2"21lmentdenganintervalpencatatan0,03".Hasil uk XRD tersebuttercantumpadaTabel1. Tabel 1 PengaruhpreparasispesimenpadapolaXRD silikanon-kristalin '!ii!!iYf!.-!r!.in
i:r'$n"if'$e*,'i*+ii*[i........i.iiiii.i:iiiiiiiilii.iii;.iii.i. :ii:i::
I
2
3
4
5
:h{$nithf, :iii(aolint{l
Serbukkeringpadacetakanaluminium(standar XRD) Suspensilarutansampeldi atas gelaspreparat setelahpe-ngeringansemalampada kondisi atmosfer(preparasistandaruntuk analisis minerallempung) Suspensilarutansampeldi atas gelaspreparat setelahpengeringansemalampada kondisi atmosferdan penambahanlarutanglikol
4,17
7,8
84
3,93
10,9
55
'10,8
71
Serbuksampeldi atas gelaspreparatdengan penambahanlarutanglikol Serbuksampeldi atas gelaspreparatdengan oenambahanlarutanaseton
4,09
8,8
74
4,04
8,0
78
4,04
Pe sa (d be da pe au ke be
PR?C. ITB,VOL.31.NO. t, 1999
45
^{ qt
300
400
500
Ukuranbutir (pm) tl
n h h
n a
perbedaanukuranbutiryangdigunakansebagaispesimen.Kecepatan 3 VariasipolaXRD berdasarkan Gambar goniometer yangdigunakan adalah2"20/menitdenganinterval0,03".Simbol(a) menunjukkan posisipoak dengan intsnsitas maksimum dan (.) adalahlebarpadasetengahintensitas maksimumrefleksisilika.Garispenuh(-) variasiukuranbutirterhadapposisipeak (a),sedangkangaristerputus-putus menunjukkan (----) menunjukkan variasi lebarsetengahpeak(.). ukuran butirterhadap
yang sama ditunjukkan oleh efek jumlah Pengaruh samtrldi setiapgelaspreparatatau ketebalanspesimen (dihitung dari selisihberat gelaspreparatkosongdan hrat setelahpenambatnnserbuk silika, dibagi luas daerattyang tertutup sampel). Sesuai dengan jumlah sampelatau penebalanspesimendi penambahan preparat, gelas posisipeak atauhumpakanbergeser atas te arahspasi-dyang lebih besar dan kristalinitas akan (Gambar4). h*urangmencapai 12,5o20
3.2 Efek kecepatangoniometcrpada difraktometer sinar-X Untuk mengetahuipengaruhdari alat difraktometer sinar-Xitu sendiri,serbuksilika kering dipreparasipada beberapacetakan aluminium dan dianalisis dengan kondisi pengoperasian alat yang berbeda.Pola XRD yang dilnsilkan menunjukkanposisi dan lebar-setengah peak alauhuntpyangrelatif tidak berubahbila kecepatan goniometerkurang dari 1,5'26lmenit (Gambar 5). Pertedaaninterval pencatatan0,01o dan 0,03' akan mempengaruhiposisi peak beintensitas maksimum, tetapi tidak akan mengub:rhlebar-setengah peak alau huntp.
46
PROC.ITB, YOL.JI, NO, I, 1999
P]
4
{. 4.oo
0.0
0.4
0.8
t.2
d
\
2.0
t.6
Junrlahsampcl(rng/cm2) jumlahsampelyangditambahkan Gambar4 VariasipolaXRD berdasarkan padageiaspreparatsebagaispesimerr basah.Jumfahsampeldapatdiekuivalenkan denganketebalanspesimen.Simbol(a) menunjukkan posisi peakdengan intensitas maksimumyangvariasinya terhadapjumlahsampeldiperlihatkan dengangarispenuh(--), sedangkan(.) adalahlebar pada setengahintensitasmaksimumrefleksisilikayang variasinyaterhadapjumlah sampelditunjukkan olehgaristerputus-putus (-__). Kecepatangoniometer yangdigunakanadalah0,6'20/menitderiganinlerval0,01..
H: tir kr da ke hir da da ke pe ter kri sel
Pn dif eks no per 0,3 mil sep
5
Pen Tel
Ter sel Lat terl
"e { I
"r00
!
! ,2
-t---+
.--.--+-..-*-1-*-
-,.
ttJ4
Kecepatangonionreter (o2Olrnen it) Gambar5 Pengaruhkecepatangoniometer terhadappolaXRD,bilasampeldipreparasi sebagaispesimenkering. posisipeak denganintensitas Simbol(a) menunjukkan maksimumdan 1.; adalahlebarpadasetengahintensitas maksimumrefleksisilika.Garispenuh(-__-) nrenunjukkan gariskecenderungan posisipeak denganintensitas maksimum(a) terhadapperubahankecepatangoniometer, sedangkangaristerputus-putus (---*) menunjukkan garrs kecenderungan lebarpadasetengahintensitas maksimumrefleksisilika(.) bilakecepatangoniometerdiubah.
PR0C. ITB,VOL.3I, NO. ), 1999
i1
4 Kesimpulan
6
paling tlasilpalingoptimumyang reproduksibilitasnya tinggr untuk penennun mineralogi dan derajat mineralsilik4 khususnya silika non-krislalin kdstalinitas diperolehbila serbukalau butiran danmfuokristalin, kering umpelsilikayangsangathalus(ukuranbutir 75 hingga106 pm) dipreparasidcngan mencetaknyadi aluminium(cetakanstandaruntuk XRD) dalam cetakan mulai dari l0 hingga 40"20 dengan dandranalisis kecepaangoniometer 0,6"20lmenit dan intewal 0,01o,Untuk mineral silika mikrokristalirL Fnc.alahn yangmengandung kuars4 pengukuraniudeks tcrutama kdsulinitas^kuarsa dapatdilakukanpada quintupletdt 1,4A. sekitar
I l-
Prepansisampel atau spesimen dan kondisi kesalahan sepertidi atasakanmemberikan difraktometer posisipeak atauhump slllka penentuan ckstrrimenal non-ki$alindi sekitar+ A kurang dari 0,4"20 dtur pnguhuanderajatkristalinitasnyatidak lcbih dari 0,302e.Kesalahanyang ditunjukkan oleh silika mikrokristalin untukkedu paralncterdi atas nrengccil mencapai kurangdari 0,03'20. seprsepuluhnya
5 Ucapan terimakasih Penelitran ini dibiayai melalui dana DIK Institut Bandunguntuk tahun anggaran199'l-1998. Teknologi Terimakasih kepadaLembaga Penelitian ITB dan scluruh suf JurusanTeknik Geologi ITB, khususnya Labontonum Geokimi4 yang telah memungkinkan penelitian danpublikasiini. terlakunanya
)
J.
1
Daftar pustaka J.B. Jonesdan E.R. Scgnit" The nature of opal I. Nornenclaturc and constituent phases,Journol of GeologicalSocietyofAustralia, 18, 5768, (1971). O.W. Fldrke,H. Graetsch,B. Martin. K. Rcillerdan R. Wirfr. Nomenclature of micro- and noncrystalline silica minerals,based on structureand microtexture, Neues Jahrbuch fur Mineralogie A b h . , 1 6 3 .r 9 - 4 2 ,( 1 9 9 1 ) . L.A. Williams, G.A. Parks dan D.A. Crerar, Silica diagcnesis, "lournal o.f ,SedimentologyPetrolog', 5 5 1 3 , 3 0 1 - 3 2t11,9 8 5 ) . J.D. Wiley, Effects of aging on silica solubility : a laboratorystudy, Geochimicaet Cosmo.Acta, 44, 573-s78,( I 980). D.M. Moore dan R.C. Reynold Jr., f'-ray Diffraction and the ldentifcation and tlnalysis of Clay |v[inerai^s,Oxford Univcrsity Press, New Y o r k , 3 3 2 .( 1 9 8 9 ) .
6.
K.J. Murata dan M.B. Nonnan II, An indcx crystallinity for quartz. Anterican Journal tJ' S c i e n c e , 2 1 6l l,z D - l 1 3 0 ,( 1 9 7 6 ) . H.P. Klug dan L.E. Alcxandcr, X-ray Dtlfraction Procedures for Polycrystalline and Antorphous Alaierials. 2noed., Wiley-IntersciencePublication, New York, 966, (19'74). N.R. Hcrdianila, Characteristicsof Silica Sinter Deposiled fron Thermal l[/aters, Unpublishcd MSc. Thcsis, The University of Auckland, l15, (1996).
