Potensi Zeolit Untuk Penggunaan Pupuk Lepas Lambat (Slow Release Fertlizer) dan Membran Anorganik Oleh Ir. Mochamad Rosjidi, MSc Pusat Teknologi Industri Proses (PTIP) Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Lt.9 Gd.II BPPT Jl. M.H. Thamrin 8 Jakarta 10340
Abstrak Zeolit adalah bahan anorganik yang memiliki beberapa karakteristik unik, diantaranya adalah stabil pada temperatur tinggi, tahan terhadap pelarut organik dan bahan kimia serta sifatnya yang keras sehingga lebih tahan terhadap tekanan mekanik yang cukup tinggi apabila dibandingkan dengan bahan organik maupun polimer. Selain itu, zeolit memiliki sistim mikroporus (ukuran pori < 1 nm), dimana pada bagian dalam maupun luar sistem mikroporusnya dapat dimodifikasi dengan mudah demikian pula dengan sifat hidrophobik maupun hidrofiliknya dapat diubah. Komposisi zeolit terdiri dari unit-unit bangun tetrahedral dari TO4 ( T = Si dan Al ) yang berikatan dengan atom oksigen membentuk jaringan porus 1,2 atau 3 dimensi. Adapun kemampuan adsorpsi yang sangat selektif menjadikan material ini dapat diaplikasikan sebagai bahan molecular sieve (membran zeolit). Prinsip kerja membran zeolit adalah memisahkan berdasarkan perbedaan ukuran dan bentuk, tekanan uap, muatan ion, afinitas maupun sifat kimiawi alamiah suatu molekul. Prospek aplikasi membran zeolit antara lain untuk pemisahan gas-gas karbon dioksida – metana, karbon dioksida – nitrogen, pemisahan hidrokarbon – aromatik, pemisahan air – komponen organik, antar komponen organik, membran reaktor katalitik, dan lain sebagainya. Sedangkan aplikasi material zeolit dalam bentuk powder berpotensi untuk digunakan pada Slow Release Substances (SRS), antara lain Slow Release Fertilizer, Slow Release Herbicide, Pesticide, dan lain-lain. Karakterisasi material dan membran zeolit dapat dilakukan menggunakan X-ray diffraction, Adsorpsi-desorpsi isothermal (physisorption), pengamatan morfologi melalui SEM / TEM. 1.
Pendahuluan
Zeolit alam adalah suatu mineral alam yang tersusun dari senyawa silika-alumina yang berbentuk kristal. Karakteristiknya yang unik antara lain sangat stabil dengan kemampuan adsorpsi yang sangat tinggi dan selektif serta mempunyai struktur pori (mikroporus) aktif yang banyak sehingga memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi menyebabkan sumber daya alam tersebut sangat berpotensi untuk diproses lebih lanjut menjadi produkproduk yang luas aplikasinya antara lain sebagai katalis/supporting katalis, slow release substances dan membrane yang mempunyai ekonomi tinggi. Berdasarkan ukuran porinya, zeolit dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok utama, yaitu: a. Zeolit dengan pori kecil (small pore zeolite) Yang termasuk dalam kelompok zeolit ini adalah zeolit yang memiliki pori dengan diameter kurang dari 0,45 nm, misalnya zeolit A (LTA). b. Zeolit dengan pori medium (medium pore zeolite) Yang termasuk dalam kelompok medium pore zeolite ini adalah zeolit yang mempunyai ukuran diameter pori antara 0,45 sampai 0,55 nm, misalnya silicalite (ZSM-5)/MFI. c. Zeolit dengan pori besar (large pore zeolite) Yang termasuk dalam kelompok zeolit dengan pori besar adalah zeolit-zeolit yang memiliki ukuran diameter pori lebih dari 0,55 nm, misalnya zeolit X, Y, faujasite (FAU), mordenite (MOR). Informasi tentang spesifikasi bahan baku zeolit tersebut adalah sangat penting dalam proses disain membrane zeolit karena sangat berpengaruh terhadap spesifikasi akhir membrane zeolit. Prinsip dasar pemanfaatan zeolit sebagai bahan baku membran adalah karakteristik zeolit dalam hal kemampuan adsorpsi dan molecular sieve. Aplikasi zeolit sebagai material support untuk slow release substances (SRS) adalah dengan memanfaatkan luas permukaan zeolit dan kemampuan adsorpsinya. Release substances dari zeolit sangat dipengaruhi oleh proses difusi air pada struktur kristal zeolit tersebut. Koefisien difusifitass air di dalam zeolit tergantung pada karakteristik kristal zeolit itu sendiri.
2. Proses pemurnian, aktivasi dan karakterisasi zeolit alam 2.1. Pemurnian dan aktivasi zeolit alam Indonesia merupakan salah satu salah satu Negara yang memiliki potensi zeolit alam. Tetapi hingga saat ini exploitasi dan penggunaannya masih sangat terbatas. Untuk mengembangkannya, diperlukan teknologi proses yang mendukung terciptanya diversifikasi produk yang memanfaatkan zeolit alam sebagai bahan bakunya. Berdasarkan sifat-sifatnya yang unik, zeolit dapat dimanfaatkan sebagai bahan untuk supporting katalis, slow release substances seperti slow release fertilizer, slow release herbicide, dll serta dapat digunakan sebagai bahan baku untuk membuat membran zeolit. Salah satu problem yang dihadapi pada saat akan memproses lebih lanjut zeolit alam tersebut adalah struktur dan komposisi yang tidak sama pada suatu deposit zeolit alam dari suatu tempat terhadap tempat yang lainnya. Selain itu, tidak dapat dihindari adanya bahan pengotor (impurities) yang tidak diharapkan dan sangat berpengaruh pada karakteristik zeolit alam tersebut. Maka diperlukan teknologi proses untuk mereduksi impurities tersebut.. Metode sederhana yang digunakan untuk memisahkan kotoran-kotoran berupa batu, pasir, kerikil akar pohon, plastik, logam dan lainnya adalah dengan cara mendispersikan ke dalam air, kemudian dipisahkan dengan cara filtrasi. Setelah diperoleh filtrate berupa koloid dalam air, selanjutnya zeolit yang lebih murni dipisahkan terhadap pelarut air dengan cara sedimentasi dan dekantasi. Pelarutan zeolit dapat ditingkatkan dengan cara menaingkatkan pH larutan yang digunakan. Untuk memisahkan air yang masih tersisa pada zeolit dan dekomposisi bahan-bahan organic, dilakukan proses kalsinasi. Berdasarkan analisis TG/DTA dapat diketahui bahwa bahan-bahan organik mulai terdekomposisi pada temperature 250 ºC. Bahan-bahan organik tersebut akan terdekomposisi menjadi gas-gas O2, CO2 dan H2O kemudian menguap, meninggalkan zeolit. Kebanyakan peneliti melakukan kalsinasi pada temperature 500 atau 600 ºC agar diperoleh hasil yang sempurna karena jumlah dan tingkat ketebalan sample yang diproses. Aktivasi zeolit pada umumnya dilakukan dengan cara memberikan muatan positif yang dengan cara menambahkan H+ yang diperoleh dari asam sebagai donor protonnya. Beberapa asam yang dapat digunakan antara lain asam sulfat, asam klorida, asam fluorida dll. 2.2. Karakterisasi zeolit Komposisi deposit zeolit berbeda dari suatu tempat terhadap tempat yang lain, sehingga pengetahuan tentang karakterisasi zeolit alam adalah sangat penting untuk pengembangan aplikasi selanjutnya. Salah satu metode yang dapat digunakan adalah menggunakan X-ray diffraction (XRD). Dengan XRD dapat diketahui struktur kristal suatu zeolit, yaitu struktur geometri yang teratur yang tersusun dari molekul-molekul atau ion-ion dalam zeolit tersebut. Apabila molekul-molekul atau ion-ion tersebut tersusun tidak teratur maka disebut amorf. Hasil analisis XRD zeolit Malang dapat dilihat pada gambar 1. Metode lain yang penting juga adalah karakterisasi yang menggunakan dasar kemampuan tukar ion atau kapasitas penyerapan (adsorption capacity). Pengamatan morfologi zeolit dapat pula dilakukan menggunakan mikroskop elektron. Untuk pengamatan hingga ukuran micrometer atau 10-6 m dapat dilakukan dengan baik menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Sedangkan untuk ukuran yang lebih kecil dapat digunakan Transmission Electron Microscope (TEM). Hasil foto SEM zeolit Malang dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 1. Grafik XRD zeolit Malang
Gambar 2. Foto SEM zeolit Malang. Berdasarkan Gambar 2 terlihat adanya struktur kristal zeolit. Berarti sesuai dengan hasil analisis XRD yang ditunjukkan pada Gambar 1. 2.3. Pengaturan sifat hidrophobik dan hidrophilik Sifat alami zeolit adalah hidrophilik (mudah menyerap air) karena adanya gugus –OH pada daerah sekitar pori. Karakteristik tersebut sangat baik apabila akan digunakan untuk menyerap senyawa yang bersifat polar, tetapi tidak mendukung bila digunakan untuk menyerap senyawa non polar. Untuk keperluan itu perlu dilakukan modifikasi, antara lain dengan cara mensubstitusi gugus hidroksida menjadi gugul alkil. Metode yang digunakan antara lain vapour infiltration. Misalnya menggunakan trimethyl chlorosilane atau triethyl chlorosilane. 3. Potensi aplikasi zeolit Beberapa jenis zeolit alam yang diproduksi di dunia antara lain clinoptilolite, mordenite, erionite, chabazite, phillipsite. Produksi zeolit alam beberapa negara antara lain Amerika 39.300 ton, Bulgaria 45.000 ton, Cina 2,5 juta ton, Hungaria 10.000-20.000 ton, Italia 4000 ton, Jepang 140.000 – 160.000 ton, Kanada 4.000 ton, Kuba 500 – 600.000 ton, Rusia 10.000 ton. Sedangkan Indonesia, Argentina, Australia dan Jerman adalah negara yang memproduksi dalam jumlah kecil (Robert). Potensi aplikasi zeolit baik yang telah diaplikasikan pada skala komersial maupun masih dilakukan pada skala laboratorium dapat dilihat pada gambar 3.
INSULATION / PROTECTION FORMULATION
CEMENT SLOW RELEASE FERTILIZER
ACTIVATION
WATER / WASTE WATER TREATMENT PENYERAP LOGAM BERAT
DESINFECTION
ADDITIONS TO DIETS DRYING AGENT DESICCANT FOR REFRIGERATION GAS & WATER ADSORPTION ACTIVATION
CHELATING AGENT (NH4+), METAL ION RADIONUCLIDES, ETC. O2 AIR ENRICHMENT ADSORBENTS FOR ALCOHOLS CATALYTIC FOR METAL CONVERSION ISOMERIZATION OF OLEFINS
PURIFICATION
PAPER FILLER
FORMULATION
FUEL CELL
EXHAUSTED GAS TREATMENT (SO2)
SENSOR SUPPORT
ENERGY STORAGE
GAS SEPARATION
MEMBRANE SUPPORT/MEMBRANE
NANOFILTRATION
SLOW RELEASE FERTILIZER
ULTRAFILTRATION
HEAT STORAGE SYSTEM
MICROFILTRATION
SOLAR AIR CONDITIONING SYSTEM
ANORGANIC BATTERY
DETERGENTS
POWDERING TECHNOLOGY
ZEOLIT ALAM
NATURAL GAS CLEANING
TOOTH PASTE
MODIFICATION
MODIFIED ZEOLITE
CATALYST
ION EXCHANGE
MEMBRANE REACTOR
PETROLEUM REFINING
NANOMATERIAL
MOLECULAR SIEVE CATALYST
DEHYDROCYCLICATION OF PARAFIN
CATALYST SUPPORT
ISOMERIZATION OF AROMATIC
MOTOR OIL REFINING ACTIVATION
CATALYST FCC
AGRICULTURE
FARM
ENVIRONTMENT
Gambar 3. Teknologi proses dan potensi aplikasi zeolit
Potensi aplikasi zeolit sebagai membran molekuler antara lain untuk pemisahan gas karbon dioksida – metana, karbon dioksida – nitrogen, pemisahan hidrokarbon – aromatik, pemisahan air – komponen organik, antar komponen organik, membran reaktor katalitik, dan lain sebagainya. Zeolit sintetis seperti MFI sangat efektif untuk pemisahan isomer-isomer xylene yaitu (para-xylene terhadap orto- , meta- xylene). Saputra dkk, membuat membran reaktor zeolit MFI dengan cara melapisi katalis silika alumina dengan membran zeolit MFI yang sangat efektif untuk reaksi sekaligus pemisahan produk paraxylene terhadap isomer-isomernya. Bahan baku yang digunakan adalah toluena (Tabel 1.) Tabel 1. Pembuatan xylene dari toluene dengan membran reaktor zeolit-silika alumina No.
Sampel Katalis
Temperatur proses (˚C)
Rendemen Xylene (%)
p
Fraksi xylene (%) m
o
1.
Silika alumina
400
1,5
23
52
25
2.
Zeolit / silika alumina
400 500
0,08 0,4
100 91
0 6
0 3
3.
Zeolit
400
0
-
-
-
Penggunaan katalis silika alumina dapat mengkonversi toluene menjadi xylene tetapi terdistribusi menjadi p-, mdan 0-xylene. Sedangkan zeolit saja tidak mampu mengkonversi toluen. Penggunaan membran reaktor zeolit/silika alumina sangat efektif untuk mengkonversi toluene menjadi p-xylene. Adapun pada percobaan pemisahan i-butana dan n-butana diperoleh selektifitas sebesar 62 pada temperatur 300 K. Dalam hal ini temperatur sangat berpengaruh terhadap selektifitas dan permeabilitasnya (Gambar 4).
Permeance (mol.m-2.S-1.Pa-1)
1.E-08 n-butana 1.E-09 1.E-10 1.E-11
i-butana
1.E-12 300
320
340
360
380
Temperatur ( K) Gambar 4. Grafik hubungan permeance i-butana dan i-butana pada berbagai temperatur Berdasarkan hasil percobaan seperti yang terlihat pada gambar 4 dapat diketahui bahwa apabila temperatur ditingkatkan maka permeance komponen yang dipisahkan akan meningkat, tetapi selektifitasnya menurun. 4. Kesimpulan Komposisi dan struktur zeolit alam berbeda dari suatu tempat ke tempat deposit yang lain. Dengan sentuhan teknologi proses, dapat diperoleh diversifikasi produk yang menggunakan zeolit alam. Teknologi proses yang dimaksud meliputi proses pemurnian dan aktivasi serta modifikasi yang ditunjang oleh karakterisasi produk. Prospek aplikasi membran zeolit antara lain untuk pemisahan gas karbon dioksida – metana, karbon dioksida – nitrogen, pemisahan hidrokarbon – aromatik, pemisahan air – komponen organik, antar komponen organik, membran reaktor katalitik, dan lain sebagainya. Dengan semakin meningkatnya stabilitas struktur zeolit, luas permukaan dan pengaturan sifat hidrophilik-hidrophobiknya, maka zeolit berpotensi untuk diaplikasikan sebagai slow release substances support, membran, dll.
Daftar Pustaka 1. Drzaj, B., (1985), “Zeolites Synthesis, structure, technology and application”, Elsivier, New York, Hal 503506. 2. Dyer, A., (1988), “An introduction to Zeolite Molecular Sieves”, John Wiley & Sons, New York, Hal 38-43. 3. Kresge, C.T., M.E. Leonowicz, W.J. Roth, J.C. Vartuli, J.S. Beck, (1992), “Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism”, Nature 359, hal 710-712. 4. Nishiyama, N., A. Koide, Y. Egashira, K. Ueyama, (1998), “Mesoporous MCM-48 membrane synthesized on a porous stainless steel support”, Chem. Commun., hal. 2147-2148 5. Burggraaf, A.J, L. Cot, (1996), “Membrane Science and Technology Series”, Vol. 4, Elsevier, Netherlands. 6. Karge, H. G,J. Weitkamp, (1998), “Molecular Sieve 1”, Springer, Germany. 7. Rosjidi, M., H. Saputra, (2002), “Zeolit Sebagai Bahan Baku Membran Anorganik”, Pengkajian Industri No. 18 Tahun VII, Hal 23. 8. Saputra, H., M. Rosjidi, A. Mustafa, (2004), “Pembuatan dan Karakterisasi Membran Reaktor Zeolit”, Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2004, ITS, Hal MB02-1.
