Laporan Akhir
Penyiapan Nano Partikel Silika dari Mineral Silikat secara Mekanis
Oleh: Agus Wahyudi Siti Rochani I Gusti Ngurah Ardha Hadi Purnomo Sariman Nuryadi Saleh Dessy Amalia Maryono Arief Sutanto Leni Sulistiani Suheri Pendi
PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA BADAN LITBANG ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL KEMENTERIAN ENERGI DAN SUMBER DAYA MINERAL 2011
0
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Silika (SiO2) memegang peranan cukup penting bagi industri, baik sebagai bahan baku utama maupun sebagai bahan imbuh, misalnya dalam industri semen, kaca lembaran, botol dan pecah-belah, email (enamel), cat, keramik, elektronik, industri ban bahkan industri kosmetik [1]. Dengan perkembangan teknologi mengakibatkan aplikasi penggunaan silika pada industri semakin meningkat terutama dalam penggunaan silika pada ukuran partikel yang kecil sampai skala mikron atau bahkan nano. Kondisi ukuran partikel bahan baku yang diperkecil membuat produk memiliki sifat yang berbeda yang dapat meningkatkan kualitas. Sebagai salah satu contoh silika dengan ukuran sub-mikron banyak diaplikasikan dalam material building, yaitu sebagai bahan campuran pada beton [2,3]. Rongga yang kosong di antara partikel semen akan diisi oleh nanosilika sehingga berfungsi sebagai bahan penguat beton (mechanical property) dan meningkatkan daya tahan (durability). Selama ini kebutuhan mikro/nano silika dalam negeri dipenuhi oleh produk impor. Aplikasi lain nano silika adalah digunakan sebagai bahan aditif pada industri ban dan karet. Manfaat penambahan nano silika pada ban akan membuat ban memiiki daya lekat yang lebih baik terlebih pada jalan salju, mereduksi kebisingan yang ditimbulkan dan usia ban lebih pajang daripada produk ban tanpa penambahan nano silika [4, 5]. Gambar 1 menunjukkan aplikasi nano silika pada berbagai industri.
1
Keramik Cat, pewarna dan coating
Rubber: Ban mobil
Semen dan bangunan (beton)
Metalurgi
Produk bahan kimia: Silicon, silicon gels, dll
Piezoelektrik
Aplikasi Nano Silika
Pembersih air/filter
Gas Absorption
Produksi Kaca, glass
Pelumas
Kosmetik
Drug delivery
Gambar 1. Aplikasi nano-silika pada berbagai industri
Berdasarkan nilai keekonomiannya, nano partikel silika memiliki potensi yang sangat baik untuk dikembangkan. Sebagai gambaran, harga 1 kg pasir silika dari alam adalah Rp. 500,-; namun bila ditingkatkan kadarnya menjadi silika murni maka nilainya menjadi Rp. 150.000,/kg. Nilai ini terus meningkat bila diolah menjadi nano silika dengan harga mencapai Rp. 3.000.000,-/kg [6].
2
3500000 Rp. 3.000.000,-/kg
3000000
2500000 2000000 1500000 1000000 500000
Rp. 500,-/kg
Rp. 150.00,-/kg
0 P. Silika Alam Silika Murni Nano Silika
Gambar 2. Perbandingan harga pasir silika alam, silika murni dan nano silika Untuk memperoleh ukuran silika sampai pada ukuran nano perlu perlakuan khusus pada prosesnya. Untuk mikrosilika biasanya dapat diperoleh secara top-down (penghancuran dan penggerusan) dengan metode special milling, yaitu metode milling biasa yang sudah dimodifikasi khusus sehingga kemampuan untuk menghancurkannya jauh lebih efektif, dengan metode ini bahkan dimungkinkan juga memperoleh silika sampai pada skala nano. Pada sisi lain, beberapa kendala nasional masih dihadapi diantaranya adalah produk silika lokal yang dihasilkan belum memenuhi spesifikasi yang dibutuhkan oleh pasar yaitu silika dengan ukuran sub-mikron, sementara hasil produksi silika lokal masih berukuran ≥ 30 µm. Dengan cadangan bahan baku silika yang melimpah; diantaranya adalah kuarsit terdapat di Riau dan Lampung, pasir silika terdapat di P. Bangka-Belitung dan felspar terdapat di Banjarnegara, Jawa Tengah [7]; serta potensi pasar yang masih terbuka lebar maka perlu dicarikan solusi agar sumber daya yang ada dapat dimanfaatkan secara optimal bagi perkembangan industri.
1.2 Ruang Lingkup Pada tahun 2011 dilakukan kegiatan penyiapan nanopartikel silika meliputi pengambilan sampel, studi bahan baku, peningkatan kadar silika dan pengecilan ukuran partikel silika secara mekanis dan alkali fusion (sebagai pembanding).
3
1.3 Tujuan Meningkatkan kadar silika dari pasir silika, kuarsit dan felspar hingga > 99 % dan memperkecil ukuran partikelnya hingga berorde nanometer (< 100 nm) menjadi nanopartikel silika. 1.4 Sasaran Diperoleh silika dengan kadar > 99 % dengan ukuran partikel kurang dari 100 nm. 1.5 Lokasi Pengambilan sampel Pasir silika dilakukan di P. Bangka, Kuarsit di Riau dan Felspar di Banjarnegara, Jawa Tengah. Sedangkan proses pengolahan sampel dilakukan laboratorium Pengolahan Mineral, Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara, Bandung. Lokasi pengambilan sampel didasarkan pada informasi Peta Potensi Sumber Daya Mineral Non Logam, yang dikeluarkan oleh Pusat Sumber Daya Geologi, 2009 (Gambar 3, 4, 5).
Gambar 3. Lokasi pengambilan sampel pasir silika di kab. Sungai Liat, P. Bangka, dengan cadangan 44,61 juta ton [8]
4
Gambar 4. Lokasi pengambilan sampel batuan kuarsit di kabupaten Rokan Hulu, Riau, dengan cadangan 5 juta ton [8]
Gambar 5. Lokasi pengambilan sampel felspar di kabuaten Banjarnegara, Jawa Tengah, dengan cadangan 44 juta ton [9]
5
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mineral Silika Silika atau dikenal dengan silikon dioksida (SiO2) merupakan senyawa yang banyak ditemui dalam bahan galian yang disebut pasir kuarsa, terdiri atas kristal-kristal silika (SiO2) dan mengandung senyawa pengotor yang terbawa selama proses pengendapan. Pasir kuarsa juga dikenal dengan nama pasir putih merupakan hasil pelapukan batuan yang mengandung mineral utama seperti kuarsa dan felsfar. Pasir kuarsa mempunyai komposisi gabungan dari SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, dan K2O, berwarna putih bening atau warna lain bergantung pada senyawa pengotornya. Silika biasa diperoleh melalui proses penambangan yang dimulai dari menambang pasir kuarsa sebagai bahan baku. Pasir kuarsa tersebut kemudian dilakukan proses pencucian untuk membuang pengotor yang kemudian dipisahkan dan dikeringkan kembali sehingga diperoleh pasir dengan kadar silika yang lebih besar bergantung dengan keadaan kuarsa dari tempat penambangan. Pasir inilah yang kemudian dikenal dengan pasir silika atau silika dengan kadar tertentu. Silika biasanya dimanfaatkan untuk berbagai keperluan dengan berbagai ukuran tergantung aplikasi yang dibutuhkan seperti dalam industri ban, karet, gelas, semen, beton, keramik, tekstil, kertas, kosmetik, elektronik, cat, film, pasta gigi, dan lain-lain. Untuk proses penghalusan atau memperkecil ukuran dari pasir silika umumnya digunakan metode milling dengan ball mill [10], untuk menghancurkan ukuran pasir silika yang besar-besar menjadi ukuran yang lebih kecil dan halus, silika dengan ukuran yang halus inilah yang biasanya bayak digunakan dalam industri. Sumber silika dapat berasal dari mineral silikat dengan jumlah yang melimpah di Indonesia, tersebar dari pulau Sumatera hingga Papua seperti tampak pada gambar di bawah. Mineral silikat dengan kadar silika yang cukup tinggi (50-90%) diantaranya terdapat kuarsit, pasir pantai dan felspar. Potensi silika di P. Bangka dan Belitung mencapai 60.193.000 ton, kuarsit di Riau 19.500.000 ton, dan felspar di Jawa Tengah mencapai 44.000.000 ton [7].
6
Gambar 6. Potensi mineral silikat Indonesia [1]
2.2 Nanomaterial Nanomaterial memiliki sifat yang khas dan banyak diminati karena ukuran partikelnya yang sangat kecil, sehingga luas permukaannya sangat tinggi. Ukuran dan volume pori juga dapat direkayasa sehingga kinerja material tersebut dapat lebih baik, misal untuk aplikasi membran dan katalis. Disamping itu, dengan ukuran yang sangat halus maka sifat-sifat khas unsur tersebut akan muncul dan dapat direkayasa, misal sifat kemagnetan, optik, kelistrikan, termal, dan lain-lain, sehingga pemanfaatannya telah merambah di berbagai bidang kehidupan manusia, seperti kesehatan, informasi, transportasi, industri, energi, dan lain-lain. Iptek nano juga memberikan peluang pengembangan untuk meningkatkan sumber daya mineral. Mineral-mineral seperti montmorilonit, zeolit, titan oksida/rutil, dan silika merupakan beberapa contoh mineral yang dapat dimanfaatkan untuk teknologi nano. Mineral-mineral tersebut dapat diaplikasikan pada teknologi katalis, adsorben dan fotokatalis dengan kinerja yang lebih baik [11]. Beberapa pemanfaatan nanomaterial lainnya disajikan pada Tabel 1 berikut.
7
Tabel 1. Aplikasi nanomaterial [12]: No
Aplikasi
Keterangan
Nanomaterial 1
Baterai
Nikel–logam hidrida baterai terbuat dari nano kristal nikel dan logam hidrida mempunyai kekuatan tinggi, ringan dan tahan lama karena area permukaan yang tinggi, sehingga sangat berperan untuk peralatan portable elektronik (hand phone, peralatan navigasi, laptop, remote sensor)
2
Bahan magnet
Bahan magnet terbuat dari nano kristal ytrium-samariumcobalt mempunyai sifat ketidak gerusan yang tinggi, menghasilkan performa yang tinggi untuk motor.
3
Pelapisan dan
Aplikasi titan oksida sebagai self-cleaning agent dalam
permukaan
kaca jendela sehingga tidak perlu dibersihkan karena sifat hidrophobik yang tinggi dan antibakteri serta anti gores.
4
Bahan tekstil
Dengan menyisipkan suatu nanomaterial (misal nanoclay) diperoleh bahan kain yang tahan air, tahan kotor, dengan mengontrol porositas dan kekasaran permukaan.
5
Cat
Penggunaan nanopartikel dalam cat dapat memberikan bahan yang lebih unggul dengan warna yang lebih terang. Cat yang lebih ringan akan banyak digunakan dalam pesawat yang sangat berguna dalam pengurangan berat pesawat tersebut. Disamping itu, anti fouling agent tahan panas
banyak
dibutuhkan
pada
industri
yang
menggunakan sistim pipa dan air. 6
Fuel cell
Pemanfaatan nano membran sangat berpengaruh dalam proses katalisis sehingga pemanfaatan hidrogen menjadi efisien dan menjadi bentuk fuel cell yang lebih kecil.
7
Pemurnian air
Membran nano partikel untuk pemurnian air telah digunakan terutama untuk desalinity. Keunggulan lainnya, bahan filter dapat menyaring bakteri hingga air langsung layak minum.
8
Kosmetik
Titan oksida dan seng oksida pada skala nano telah digunakan sebagai bahan kosmetik untuk penahan sinar ultra violet. Bahan ini transparan dan akan terlihat natural pada kulit.
8
2.3 Sintesis Nanomaterial Suatu material dikategorikan berskala nanometer bila memiliki ukuran partikel antara 0-100 nm. Ada dua metode yang digunakan dalam sintesis nanomaterial yaitu secara topdown dan bottom-up. Top down adalah sintesis partikel berukuran nano secara langsung dengan
memperkecil
grinding/milling)
atau
material disebut
yang juga
besar metode
dengan
cara
penggerusan
mechanochemistry
(aktivasi
(ultrafine mekanis).
Sedangkan bottom-up adalah menyusun atom-atom atau molekul-molekul hingga membentuk partikel berukuran nanometer, menggunakan teknik sol-gel, presipitasi kimia, aglomerasi fasa gas dan alkali fusion. Gambar 4 memperlihatkan skema sintesis nanomaterial secara top down dan bottom up.
Top Down Bongkahan
Serbuk Nano partikel
Cluster
Atom m Bottom Up
Gambar 7. Skema sintesis nano partikel [13]
2.3.1 Aktivasi mekanis (milling) Aktivasi mekanis (mechanochemistry) merupakan proses yang dapat meningkatkan aktivitas permukaan partikel akibat adanya energi mekanis yang dikenakan pada partikel tersebut [14]. Proses ini dapat dilakukan dengan cara penggerusan suatu material secara terus menerus hingga berukuran sangat halus. Metode ini merupakan salah satu contoh 9
teknik top down pada sintesis nanopartikel, yang dapat menghasilan partikel berukuran nanometer dari bongkahannya. Salah satu alat yang dapat digunakan untuk keperluan ini adalah PBM (planetary ball mill) [15]. Gambar 5 memperlihatkan alat PBM.
Gambar 8. Alat PBM (planetary ball mill) yang digunakan dalam proses aktivasi mekanis
2.3.2 Alkali Fusion Alkali fusion merupakan proses yang dilakukan untuk melebur suatu senyawa pada suhu tertentu dengan cara mereakasikannya dengan suatu alkali. Proses ini dapat digunakan untuk mengikat senyawa silika (SiO2) pada mineral-mineral silikat dengan mereaksikannya dengan sumber alkali, misal NaOH. Pada penelitan yang telah dilakukan oleh Yamagata [16], proses ini dapat memisahkan zirkonia dan silika pada mineral ZrSiO4. Parameterparameter yang dikendalikan pada proses ini diantaranya adalah suhu proses dan waktu proses.
10
III. PROGRAM KEGIATAN Program kegiatan tahun 2011 adalah sebagai berikut: a. Tahapan I: Persiapan Sub-tahapan: - Penulisan RO - Persiapan peralatan - Studi literatur b. Tahapan II: Kegiatan Lapangan Sub-tahapan: - Pengambilan sampel pasir silika di pulau Bangka - Pengambilan sampel kuarsit di Riau - Pengambilan sampel felspar di Banjarnegara (Jawa Tengah). c. Tahapan III: Pengolahan dan Analisis Sub-tahapan: - Preparasi sampel - Analisa bahan baku - Peningkatan kadar silika - Sintesis nano silika secara top-down menggunakan metode milling - Sintesis nano silika secara bottom-up menggunakan metode alkali fusion - Karakterisasi produk d. Tahapan IV: Pembuatan laporan akhir Sub-tahapan: - Studi literatur - Penulisan laporan akhir - Penulisan karya tulis ilmiah
11
IV. METODOLOGI 4.1 Alat dan Bahan Peratan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: a. Peralatan preparasi mineral Peralatan yang digunakan: jaw crusher, roll crusher, ring mill b. Peralatan konsentrasi/peningkatan kadar mineral Peralatan yang digunakan: reaktor pelindian asam, magnetic stirrer c. Peralatan penghalus ultra Peralatan yang digunakan: planetary ball mill, ultrasonicator d. Peralatan alkali fusion Peralatan yang digunakan: furnace e. Peralatan gelas laboratorium f. Peralatan karakterisasi mineral Alat karakterisasi yang digunakan -
XRD: untuk mengetahui mineral yang terkandung dalam sampel
-
XRF: untuk mengetahui komposisi kimia dalam sampel
-
SEM/TEM: untuk mengetahui image/morfologi mineral
-
PSA (particle size analyzer): untuk mengetahui ukuran dan distribusi partikel
-
Surface area: untuk mengetahui luas permukaan sampel, beserta ukuran dan volume porinya
Bahan-bahan yang digunakan adalah: a. Reagen kimia: H2SO4, NaOH b. Aqua DM (demineralisasi) c. Kertas saring d. pH universal
12
4.2 Proses Sintesis Nano Silika Secara Mekanis Bagan alir percobaan yang dilakukan tampak pada Gambar 9 berikut.
Mineral Silika (-200#) Aqua DM
H2SO4
Pelindian (suhu kamar, 4 jam, variasi konsentrasi asam)
Bilas dengan air (hingga pH netral)
Filtrasi
Pengeringan (110 0C) Karakterisasi Kimia Silika kadar tinggi
Ultra milling dengan alat PBM (variasi waktu milling) Karakterisasi Ukuran partikel Nano powder silika
Gambar 9. Bagan alir peningkatan kadar silika dan sintesis nano silika secara mekanis Proses pelindian dengan larutan asam sulfat dilakukan dengan tujuan untuk meningkatkan kadar silika pada pasir silika dan kuarsit, membuang logam-logam pengotor seperti Fe, Al, dll. Pelindian dilakukan dengan kondisi sbb: - persen solid: 20% - variasi berat asam sulfat terhadap berat sampel: 1%; 2,5%; 5%; 7,5%; 10% dan 15% - waktu pelindian 4 jam - tanpa panas (suhu kamar)
13
Setelah didapat silika kadar tinggi, dilakukan penggilingan ultra/aktivasi mekanis menggunakan PBM (planetary ball mill) dengan kondisi sbb: - giling kering (dry milling) - berat sampel: 50 gram - berat bola: 400 gram - variasi waktu milling 10, 20, 30, 40, 50, dan 60 jam kemudian dilakukan karakterisasi ukuran partikel menggunakan alat PSA (particle size analyzer).
4.3 Proses Sintesis Nano Silika Secara Alkali Fusion Bagan alir percobaan tampak pada Gambar 10 berikut:
Mineral Silikat (-200#) NaOH Variasi temperatur: 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 0C T = 2 jam
Proses Fusion
Pelindian dengan air
Filtrasi Residu Filtrat: Na-silika HCl (hingga pH netral) Nano silika (gel)
Gambar 10. Proses sintesis nano silika dengan metode alkali fusion [15]
Proses alkali fusion dilakukan untuk mineral silikat yaitu felspar. Proses ini dilakukan dengan tujuan untuk memisah ikatan silikat dengan mineral lainnya sehingga dihasilkan SiO 2. Proses yang dilakukan dengan cara mereaksikan felspar dengan NaOH pada perbandingan 14
stoichiometri 1:1 antara NaOH dan kadar SiO2 dalam felspar, dengan variasi temperatur 300-900 0C selama dua jam dalam furnace. Setelah itu sampel dikeluarkan dan dilindi dengan air untuk memisahkan Na-silika dengan mineral lainnya. Filtrat Na-silika yang dihasilkan kemudian ditetesi dengan HCl hingga pH 7 sehingga menghasilkan silika dalam bentuk gel dengan ukuran nanometer [16].
15
V. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Karakterisasi Bahan Baku Karakterisasi bahan baku meliputi analisis mineralogi menggunakan XRD, morfologi menggunakan SEM dan komposisi kimia menggunakan XRF . 5.1.1 Mineralogi (XRD) Hasil analisis XRD sampel pasir silika, kuarsit dan felspar tampak pada Gambar 11, 12 dan 13.
Gambar 11. Difractogram sampel pasir silika menunjukkan puncak kuarsa (Q)
Gambar 12. Difractogram sampel kuarsit menunjukkan puncak kuarsa (Q)
16
Gambar 13. Difractogram sampel felspar menunjukkan puncak kuarsa (Q), mika (M), albit (A) dan ortoklas (O) Dari difractogram di atas tampak bahwa sampel pasir silika dan kuarsit yang diperoleh didominasi oleh mineral kursa (SiO2) , sedangkan mineral-mineral yang terkandung dalam sampel felspar adalah kuarsa, mika, albit dan ortoklas.
5.1.2 SEM dan X-Ray Mapping Gambar 14 dan 15 memperlihatkan foto SEM dan X-Ray mapping sampel pasir silika dan felspar.
Gambar 14. Foto SEM dan X-Ray mapping sampel pasir silika
17
Berdasarkan gambar di atas, sampel pasir silika yang diamati merupakan partikel kuarsa dengan struktur kristal tetragonal. Unsur-unsur yang terdeteksi adalah Si dan O, dengan kuantitas unsur Si sebesar 46,74% dan O sebesar 53,26%; sehingga berkesesuaian dengan data analisis XRD.
Gambar 15. Foto SEM dan X-Ray mapping sampel felspar Beradasarkan gambar di atas, sampel yang diamati merupakan felspar. Unsur-unsur yang terdeteksi adalah K, Al, Na dan Si, dengan struktur kristal monoklin, disimpulkan partikel tersebut adalah ortoklas. 5.1.3
Komposisi kimia
Komposisi kimia sampel pasir silika, kuarsit dan felspar dianalisis dengan alat XRF, tampak pada Tabel 2 berikut. Tabel 2. Komposisi kimia sampel pasir silika, kuarsit dan felspar Sampel
SiO2 (%)
TiO2 (%)
Al2O3 (%)
Fe2O3 (%)
CaO (%)
Na2O (%)
MgO (%)
K2O (%)
LOI (%)
P. Silika
98,75
0,079
0,054
0,389
0,003
0,217
-
-
0,25
Kuarsit
98,65
0,018
0,262
0,385
0,013
0,303
0,021
-
-
Felspar
80,14
0,045
11,65
0,763
0,031
2,22
0,096
4,97
0,76
18
Berdasarkan data di atas tampak bahwa pasir silika dan kuarsit yang diperoleh merupakan kualitas baik dengan kader silika di atas 98% sehingga memudahkan dalam proses selanjutnya. Sedangkan pada felspar, kadar SiO2 sebesar 80,14% bukanlah kadar SiO2 yang bebas secara keseluruhan, namun ada yang masih berikatan dengan senyawanya berupa silikat, sehingga dalam proses selanjutnya memerlukan perlakuan untuk memisahkan silika dari mineralnya menggunakan metode alkali fusion.
5.2 Sintesis Nano Silika secara Mekanis (Milling) Sebelum dilakukan proses ultra milling dengan alat PBM, maka dilakukan terlebih dahulu proses pelindian dengan asam sulfat untuk meningkatkan kadar silika dalam sampel pasir silika dan kuarsit. Proses pelindian dilakukan dengan kondisi 20% solid, dengan variasi konsentrasi asam (perbandingan berat asam sulfat terhadap berat sampel), yaitu 1%; 2,5%; 5%; 7,5%; 10%; dan 15%, pelindian dilakukan pada suhu ruang (tanpa panas) selama 4 jam. Komposisi kimia pasir silika dan kuarsit setelah pelindian dengan asam sulfat tampak pada Tabel 3 berikut. Tabel 3. Komposisi kimia pasir silika dan kuarsit setelah pelindian dengan asam sulfat Sampel
SiO2 (%)
Al2O3 (%)
Fe2O3 (%)
Na2O (%)
PS 1%
87,1
0,066
0,024
0,031
PS 2,5%
90,9
0,072
0,020
0,030
PS 5%
95,8
0,054
0,023
0,040
PS 7,5%
99,5
0,057
0,023
0,034
PS 10%
99,6
0,064
0,025
0,035
PS 15%
99,7
0,059
0,021
0,040
KR 1%
99,5
0,13
0,070
0,035
KR 2,5%
99,6
0,11
0,069
0,047
KR 5%
99,7
0,064
0,040
0,030
KR 7,5%
99,2
0,54
0,034
0,034
KR 10%
99,5
0,17
0,082
0,033
KR 15%
99,5
0,27
0,031
0,030
Keterangan: PS (pasir silika); KR (kuarsit)
19
Hasil pelindian optimum diperoleh pada konsentrasi asam sulfat sebesar 7,5% untuk pasir silika dan 5% untuk kuarsit dengan kadar SiO2 mencapai diatas 99%. Proses selanjutnya adalah sintesis nanopartikel silika secara mekanis menggunakan alat PBM. Hasil milling kedua sampel tersebut kemudian diukur distribusi ukuran partikelnya menggunakan alat PSA (particle size analyzer) sebagaimana tampak pada Tabel 4 berikut. Tabel 4. Ukuran partikel rata-rata pasir silika dan kuarsit pada beberapa waktu milling Waktu milling
10 jam
20 jam
30 jam
50 jam
60 jam
Ukuran
P. Silika
100 nm
84 nm
85 nm
125 nm
212 nm
partikel
Kuarsit
213 nm
134 nm
101 nm
83 nm
138 nm
Kedua mineral telah berhasil direduksi ukuran partikelnya hingga berukuran + 80 nm dalam waktu milling 20-50 jam. Pola kedua sampel tersebut cenderung sama dalam hal hubungan ukuran partikel yang dihasilkan terhadap waktu milling. Pada Gambar 16 tampak kurva ukuran partikel yang dihasilkan selama proses milling.
250
P. Silika Ukuran Partikel (nm)
200
150
Kuarsit
100
50
0 0
10
20
30
40
50
60
70
Waktu Milling (jam)
Gambar 16. Kurva ukuran partikel sampel pasir silika dan kuarsit pada beberapa waktu milling Berdasarkan pola milling yang terjadi dapat disimpulkan bahwa kedua mineral tersebut bertipe brittle (getas) yang ditandai dengan penurunan ukuran partikel terlebih dahulu
20
kemudian mengalami aglomerasi (penggumpalan) seiring bertambahnya waktu milling.
Ukuran Partikel (nm)
Aglomerasi ini terjadi akibat adanya gaya Van der Walls pada permukaan antar partikel [15].
Waktu Milling (jam)
Gambar 17. Pola kurva milling pada material ductile [15]
Fenomena ini berbeda dengan tipe material ductile (ulet), dimana pada proses milling ukuran partikelnya mengalami peningkatan terlebih dahulu dan kemudian mengecil (Gambar 17). Hal ini terjadi karena material ductile, pada umumnya logam, mengalami pemipihan/deformasi plastis terlebih dahulu ketika mengalami tumbukan, sehingga pada awal-awal milling material tampak bertambah “lebar”. Partikel-partikel logam tersebut terus memipih dan tertumbuk satu sama lain hingga pada kondisi tertentu kestabilannya turun dan terurai menjadi partikel-partkel kecil [15]. Berbeda dengan material brittle yang seketika pecah (mengecil) ketika mengalami tumbukan. Gambar 18 memperlihatkan mekanisme tumbukan partikel pada alat ball mill dan produk tumbukan pada material logam dan nonlogam.
21
Logam A
Tumbukan antara Bola & Sampel
Logam B Non-Logam
Dispersoid
Bentuk awal sampel
Setelah tumbukan pertama
Gambar 18. Produk tumbukan awal pada material logam dan non-logam [15]
Produk nano silika yang dihasilkan kemudian dianalisis dengan alat TEM (transmission electron microscope) sebagaimana tampak pada Gambar 19 berikut, dengan ukuran partikel 70-80 nm namun masih cenderung teraglomerasi. Hal ini merupakan ciri khas produk nanopartikel hasil milling yang mengalami aglomerasi akibat gaya Van der Wals pada permukaan partikelnya [15].
Gambar 19. Foto TEM produk nano silika hasil milling pasir silika
22
5.3 Sintesis Nano Silika secara Alkali Fusion Proses sintesis nanopartikel silika dengan metode alkali fusion dilakukan baik untuk mineral felspar maupun untuk mineral pasir silika dan kuarsit. Berbeda dengan metode milling (top down), metode alkali fusion merupakan metode sintesis nano partikel dengan pendekatan bottom-up, yaitu dengan cara melebur partikel pada suhu tertentu dan kemudian ditumbuhkan kembali kristal-kristal molekulnya pada orde nanometer. Proses yang terjadi sangat dipengaruhi oleh suhu, waktu reaksi, konsentrasi dan pH. Tahapan proses alkali fusion yang dilakukan tampak pada Gambar 20 berikut:
Gambar 20. Proses sintesis nano silika dengan metode alkali fusion
5.3.1 Mineral Felspar Proses alkali fusion yang dilakukan pada mineral felspar bertujuan untuk memutus ikatan silikat pada mineralnya [16], yang tidak dapat dilakukan dengan metode lain, misal dengan metode milling. Produk alkali fusion mineral felspar kemudian dianalisis komposisi kimianya sebagaimana tampak pada Tabel 5 berikut. 23
Table 5. Komposisi kimia produk hasil alkali fusion mineral felspar Suhu Fusion
SiO2 (%)
Al2O3 (%)
Fe2O3 (%)
K2O (%)
Na2O (%)
300 0C
88,76
0,62
0,04
10,46
0,12
400 0C
89,48
0,60
0,07
9,72
0,12
500 0C
90,53
0,29
0,04
9,02
0,12
600 0C
93,80
0,18
0,09
5,79
0,14
700 0C
97,96
0,45
0,04
1,42
0,13
Pada tabel di atas tampak bahwa kadar silika hasil proses alkali fusion felspar mengalami peningkatan yang berbanding lurus dengan peningkatan suhu fusion, hal ini memperlihatkan bahwa efektifitas ekstraksi silika oleh NaOH pada suhu tinggi berjalan dengan baik [16]. Hal ini terlihat pada suhu fusion 700 0C tercatat kadar silika mencapai 97,96%; sehingga peningkatannya cukup signifikan dari kadar silika awal pada felspar sebesar 80,14% (Tabel 2). Efektifitas proses ini terlihat juga pada penurunan kadar Al2O3 dan Fe2O3 yang cukup signifikan dari kadar awal 11,65% dan 0,76% (Tabel 2) menjadi 0,45% dan 0,04% (Tabel 5). Ukuran partikel yang terbentuk setelah proses alkali fusion pada beberapa temperatur fusion tampak pada Gambar 21 berikut.
140 119
Ukuran Partikel (nm)
120
97
100
96 90
80 74
60 40 20 0
200
300
400
500
600
700
800
Temperatur (C)
Gambar 21. Ukuran partikel produk hasil alkali fusion mineral felspar pada beberapa temperatur fusion
24
Pada data di atas tampak kecenderungannya bahwa semakin tinggi suhu fusion maka ukuran partikel yang dihasilkan semakin kecil, berurut-urut pada suhu 300 0C, 400 0C dan 500 0C menghasilkan ukuran partikel 119 nm, 97 nm dan 74 nm. Namun pada suhu 600 0C dan 700 0C ukuran partikel meningkat menjadi 90 nm dan 96 nm. Hal ini dapat terjadi akibat over heat pada proses fusion yang mengarah pada proses sintering, dimana partikel satu dengan lainnya mengalami sinter/lengket sehingga ukurannya menjadi lebih besar [17]. Foto TEM produk nano silika hasil alkali fusion tampak pada Gambar 22 berikut. Pada gambar tersebut tampak butir-butir partikel tidak terbentuk dengan sempurna dan cenderung teraglomerasi.
Gambar 22. Foto TEM produk nano silika hasil alkali fusion mineral felspar
5.3.2 Pasir Silika dan Kuarsit Proses alkali fusion yang dilakukan pada pasir silika dan kuarsit dilakukan dengan tujuan untuk dibandingkan dengan hasil nanopartikel silika yang telah diperoleh dengan metode milling. Pada metode ini nanopartikel silika disintesis dengan cara dilebur terlebih dahulu dan kemudian ditumbuhkan kembali molekul-molekul kristalnya. Ukuran partikel yang diperoleh setelah mengalami proses fusion pada beberapa temperatur fusion diukur dengan alat PSA sebagaimana tampak pada Tabel 6 berikut.
25
Tabel 6. Ukuran partikel rata-rata pasir silika dan kuarsit pada beberapa temperatur fusion Temperatur Fusion
400 0C
500 0C
600 0C
900 0C
1100 0C
Ukuran
P. Silika
56 nm
52 nm
50 nm
48 nm
46 nm
partikel
Kuarsit
63 nm
60 nm
58 nm
47 nm
44 nm
Berdasarkan hasil pada tabel tersebut tampak bahwa proses alkali fusion berjalan efektif dalam mensintesis nanopartikel silika, terlihat pada seluruh temperatur fusion yang dilakukan membentuk partikel dengan ukuran < 100 nm, dengan kecenderungan semakin tinggi suhu fusion maka semakin kecil ukuran partikel yang terbentuk, sebagaimana tampak pada kurva Gambar 23.
Berbeda dengan produk alkali fusion felspar yang mengalami
sintering pada suhu 700 0C, sehingga partikel menyatu menjadi lebih besar, untuk alkali fusion pasir silika dan kuarsit tidak mengalami sinter pada suhu tersebut karena titik lebur pasir silika cukup tinggi, yaitu 1.715 0C [1].
65 Kuarsit
60 Ukuran Partikel (nm)
P. Silika 55 50 45 40 35 200
400
600
800
Temparatur Fusion
1000
1200
(0C)
Gambar 23. Kurva ukuran partikel rata-rata pasir silika dan kuarsit pada beberapa temperatur fusion
26
5.4 Perbandingan Produk Nano Silika Hasil Milling dan Hasil Alkali Fusion Berdasarkan hasil sintesis nanopartikel dari pasir silika dan kuarsit tampak bahwa sintesis nano silika dengan metode alkali fusion diperoleh ukuran partikel yang lebih kecil (~40 nm) daripada dengan metode milling (~80 nm). Hal ini didukung dengan data foto TEM yang diperoleh, yaitu nano silika hasil proses alkali fusion kuarsit tampak terdistribusi lebih homogen dan relatif terdispersi sempurna (Gambar 24), berbeda dengan produk nano silika hasil milling yang cenderung masih teraglomerasi dan kurang terdistribusi secara homogen (Gambar 19). Perbedaan ini disebabkan karena nano silika produk milling cenderung mengalami aglomerasi (menggumpal) akibat adanya gaya Van der Walls antar partikel, sehingga antar partikel tidak terdispersi dengan sempurna [15]. Keterbatasan kedua adalah masalah ketidakhomogenan produk milling yang relatif susah mencapai 100% ukuran homogen (maksimal 80%). Sedangkan untuk nano silika hasil alkali fusion, produk yang dihasilkan memiliki karakteristik yang lebih baik, ukuran partikel yang lebih kecil, lebih homogen dan terdispersi dengan baik. Hal ini dikarenakan pada proses alkali fusion partikel diubah ke bentuk larutan terlebih dahulu dan kemudian ditumbuhkan kristal-kristalnya sehingga nano partikel yang terbentuk dapat lebih homogen dan terdispersi dengan baik (tidak menggumpal), dengan luas pemukaan yang dihasilkan mencapai 183 m2/g (metode BET).
Gambar 24. Foto TEM produk nano silika hasil alkali fusion kuarsit (keterangan: partikel tampak homogen dan terdispersi dengan baik)
27
5.5 Pengembangan ke Depan (Aplikasi Nanopartikel Silika) Nanopartikel silika yang dihasilkan pada penelitian ini berpotensi untuk dikembangkan sebagai bahan aditif beton untuk aplikasi material UHPC (ultra high performace concrete) [18]. Beton UHPC dapat mengantisipasi bahaya yang dapat ditimbulkan oleh adanya rongga-rongga kecil (void) yang selama ini terjadi pada campuran semen-agregat. Ronggarongga ini dapat menjadi jalan masuknya air atau bahan agresif lainnya ke dalam beton dan dapat menyerang struktur tulangan baja di dalamnya yang dapat mengakibatkan korosi.
“Beton Tradisional” Air
Agregat
Pori Kapiler
Air
Semen Hidrasi
Semen Fasa CSH
“Beton Mutu Tinggi”
Etringit
Portlandit
Fasa CSH
Agregat
Nano Silika Etringit
Portlandit
Gambar 25. Perbedaan campuran beton: dengan dan tanpa menggunakan nano silika [18]
Untuk mengatasi rongga-rongga ini maka perlu ditambahkan material yang berukuran sangat halus sehingga beton dapat menjadi lebih padat dan kompak. Para peneliti di Jerman [19] menggunakan nanopartikel silika untuk mengisi ruang kosong tersebut dan dihasilkan beton dengan kekedapan yang baik sehingga dapat menahan air atau bahanbahan agersif lainnya dan memiliki nilai kuat tekan yang lebih tinggi, dapat mencapai 2-3 kali beton biasa [19]. Dengan demikian beton jenis ini sangat tepat diaplikasikan pada bangunan/pondasi terendam air, khususnya untuk lingkungan yang agresif seperti air laut, rawa, dll.
28
VI. PENUTUP 6.1 Kesimpulan 1. Kadar SiO2 dalam pasir silika asal P. Bangka dan kuarsit asal Riau cukup tinggi, yaitu sekitar 98%. 2. Dengan metode pelindian dengan asam sulfat, kadar SiO2 dalam pasir silika dan kuarsit dapat ditingkatkan hingga mencapai 99,7%. 3. Sintesis nanopartikel silika dari pasir silika dan kuarsit dengan metode milling (top-down) menghasilkan nano silika dengan ukuran partikel rata-rata 80 nm; partikel tampak teraglomerasi dan kurang homogen. 4. Sintesis nanopartikel silika dari pasir silika dan kuarsit dengan metode alkali fusion (bottom-up) menghasilkan nano silika dengan ukuran partikel rata-rata 40 nm; partikel tampak homogen dan terdispersi dengan baik.
6.2 Saran Perlu dilakukan uji coba penggunaan nano silika yang dihasilkan untuk aplikasi bahan aditif beton untuk aplikasi pondasi terendam air.
DAFTAR PUSTAKA 29
[1] Sudrajat, Adjat, Supriatna Suhala dan M. Arifin, 1997. Pasir Kuarsa: Bahan Galian Industri. Pusat Penelitian dan Pengembangan Mineral. 260-279. [2] Bimantoro, D.A., 2008, Pemanfaatan Nanosilika sebagai Beton Kuat Tekan Tinggi, Skripsi: Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya [3] Quercia, G. and H.J.H. Brouwers, 2010, Application of Nano-Silica in Concrete Mixtures, 8th fib PhD Symposium in Kgs. Lyngby, Denmark. [4] Chen, Ying, et.al., 2008, Natural Rubber Nanocomposite Reinforced with Nano-Silica, J. Polymer Engineering and Science, p. 1674-1677. [5] Zhou, Hong Jun, et.al., 2007, Role of Reactive Compatibilization in Preparation of NanoSilica/Polypropylene Composites, p. 409-509. [6] www.radarbanjarmasin.co.id, diakses tanggal 5 Nopember 2011 [7] Ditjen Minerbapabum, 2009, Indonesia Mineral, Coal, Geothermal and Ground Water Statistics 2009. [8] Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2009, Sumber Daya Geologi Indonesia, Buku 3: Pulau Jawa. [9] Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2009, Sumber Daya Geologi Indonesia, Buku 2: Pulau Sumatera. [10] Paul, K. Thomas, et.al., 2007, Preparation and Characterization of Nano structured Materials from Fly Ash: A Waste from Thermal Power Station, by High Energy Ball Milling, J. Nanoscale Research Letters, p. 397-404. [11] Rochani, Siti. 2009, Peran Pemrosesan Mineral dalam Pengembangan Ilmu Bahan, Orasi Pengukuhan Profesor Riset Bidang Kimia (Pemrosesan Mineral), Puslitbang Tekmira. [12] Arryanto, Yateman., Siti Amini, M.F. Rosyid, Arif Rahman, Pedy Artsanti, 2007, Iptek Nano di Indonesia, Deputi Bidang Perkembangan Riptek, Kementrian Negara Riset dan Teknologi. [13] Dutta, J., H. Hofmann, 2003. Nanomaterials, E-book, 37-39. [14] Alacova A, Ficeriova J, dan Golja M. 2004, Mechanochemistry and preparation of nanocrystalline materials, Metalurgija 43 (4) 305-309
30
[15] Suryanarayana, C., 2001. Mechanical Alloying and Milling. Progeress in Material Science. [16] Yamagata, Chieko, Joao B.A., Valter U., Nelson B.L., Jose O.A.P., 2010, High purity zirkonia and silica powders via wet process: alkali fusion of zirkon sand, 6th international Latin-American conference of powder technology, Brazil. [17] Anonim, 2002, Powder Metallurgy – Sintering and Sintering Furnaces, The European Powder Metallurgy Association, www.azom.com [18] Anonim, 2008, Traditional vs High Performance Concrete, www.observatorynano.eu. [19] Buitelaar, Peter, 2004, Ultra High Performance Concrete: Developments and Applications during 25 years, Plenarry Session International
Symposium on UHPC,
Germany.
LAMPIRAN I 31
PENGAMBILAN SAMPEL PASIR SILIKA DI KAB. SUNGAI LIAT, PROV. KEP. BANGKABELITUNG
Kunjungan dan diskusi dengan Ka.Bag. Penambangan Umum Dinas Pertambangan dan Energi Prov. Kepulauan Bangka Belitung, Ir. Rusbani
Tumpukan pasir kuarsa hasil pencucian (kiri) dan pengambilan sampel konsentrat (kanan)
Tumpukan tailing pencucian pasir kuarsa (kiri) dan pengambilan sampel tailing secara grab (kanan)
32
LAMPIRAN II PENGAMBILAN SAMPEL KUARSIT DI KAB. ROKAN HULU, PROV. RIAU
Jalan menuju lokasi pengambilan sampel batuan kuarsit
Lokasi I pengambilan batuan kuarsit berada di tebing
Lokasi II pengambilan batuan kuarsit berada di tebing, tampak deretan batuan kuarsit menempel di tebing
33
LAMPIRAN III PENGAMBILAN SAMPEL FELSPAR DI KAB. BANJARNEGARA, PROV. JAWA TENGAH
Kunjungan dan diskusi ke Dinas Pengelolaan Sumber Daya Air dan Energi, Sumber Daya Mineral, Kab. Banjarnegara, Prov. Jawa Tengah
Sampling felspar di beberapa stok pile di kec. Bawang dan kec. Purwonegoro
Peralatan pencucian felspar di sebuah industri pengolahan felspar secara sederhana di Banjarnegara
34
LAMPIRAN IV ANALISA UKURAN PARTIKEL PASIR SILIKA; WAKTU MILLING 20 JAM
35
LAMPIRAN V ANALISA UKURAN PARTIKEL KUARSIT; WAKTU MILLING 50 JAM
36
LAMPIRAN VI ANALISA UKURAN PARTIKEL SILIKA GEL; TEMPERATUR ALKALI FUSION FELSPAR 500 0C
37
LAMPIRAN VII ANALISA UKURAN PARTIKEL SILIKA GEL; TEMPERATUR ALKALI FUSION PASIR SILIKA 1100 0C
38
LAMPIRAN VIII ANALISA UKURAN PARTIKEL SILIKA GEL; TEMPERATUR ALKALI FUSION KUARSIT 1100 0C
39
