Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015
SINTESIS PRECIPITATED CALCIUM CARBONATE (PCC) DARI BATUAN KAPUR ALAM DENGAN METODE KARBONASI (KAJIAN LAJU ALIR GAS CO2) SYNTHESIS PRECIPITATED CALCIUM CARBONATE (PCC) FROM NATURAL LIMESTONE BY CARBONATION METHOD (STUDY THE FLOW RATE OF GASEOUS CO2) Fanny Prasetia*), Noor Isnaini Azkiya, Elsa Desyta Putri, Anggita Rosiana Putri dan Sri Wardhani Jurusan Kimia FMIPA Universitas Brawijaya Jl. Veteran Malang (65145), Telp. 0341-554403 *)Email :
[email protected]
Abstrak. Sintesis Precipitated Calcium Carbonate (PCC) telah dilakukan dengan memanfaatkan batuan kapur alam sebagai bahan dasar. Sampel batu kapurberasal dari Tuban, Jawa Timur yang merupakan daerah penghasil utama batu kapur dengan kemurnian tinggi di Indonesia. Sintesis PCC dilakukan dengan metode karbonasi meliputi proses kalsinasi batu kapur, pelarutan CaO hasil kalsinasi dalam HNO3 6M, penambahan larutan amonia dan pengaliran gas CO2pada 0,5;1;1,5 dan 2L/menitke dalam filtrat yang dihasilkan. Serbuk PCC yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan Spektrofotometer FT-IR dan XRD. Penelitian ini bertujuanuntuk mengetahui pengaruh laju alir CO2 terhadap pembentukan PCC. Laju alir gas CO2 optimum ditentukan berdasarkan rendemen PCC tertinggi. Pada penelitian ini diperoleh laju alir CO2optimum pada 0,5L/menit dengan rendemen sebesar 65,5%.Berdasarkan karakterisasi menggunakanSpektrofotometer FT-IR diperoleh serapan khas yang menunjukkan serapankarbonat (CO32-) pada bilangan gelombang 713,61; 844,76 dan 1423,37cm-1. Kristalinitas PCCditentukan melalui pengujian XRD dan diketahui bahwa kristal PCC yang dihasilkan menunjukkan jenis kristal kalsit denganpuncak 2 pada 29,6; 39,6 dan 43,3˚ sesuai JCPDS 00-005-0586. Kata kunci: PCC, Batuan Kapur, Karbonasi Abstract. Precipitated Calcium Carbonate (PCC) hassynthesizedby using natural limestone as base materials. Limestone sampels are obtained from Tuban, East Java which is the main producing area of limestone with high purity in Indonesia. Synthesis of PCC was carried outby carbonation method with severals proccess includes calcination of limestone, dissolving CaO as results of calcination into HNO3 6M, adding ammonia solution and flowing of gaseous CO2at 0,5;1;1,5 and 2L/minute into the resulting filtrate. Powders of obtained PCC then characterized by Spectrophotometer FT-IR and XRD. The aim of this research is to determine the effect of gaseous CO2 flow rate in formation of PCC. Optimum flow rate determined based on the highest yield. In this research optimum flow rate obtained in 0,5L/minute with 65,5% yield. Based on characterization using Spectrophotometer FT-IR typical absorptions obtained in wavenumber713,61; 844,76 and 1423,37 cm-1 that showed carbonate (CO32-) absorptions. Crystalinity of PCC is determined by XRD test and known that obtained PCC showed type of calcite crystals with peaks of 2 in 29,6; 39,6 dan 43,3˚ according to JCPDS 00-005-0586. Keywords: PCC, Limestone, Carbonation
C-6
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015
sebesar 30-40 juta kg per tahun dan selalu mengalami peningkatan setiap tahunnya [6]. Sintesis PCC dapat dilakukan salah satunya melalui metode karbonasi. Metode ini memiliki keunggulan yaitu pemakaian kembali gas CO2 hasil kalsinasi untuk pengaliran filtrat yang dihasilkan. Metode karbonasi meliputi tahapan kalsinasi, hidrasi dan presipitasi [7].Batu kapur mula-mula dikalsinasi dan CaO hasil kalsinasi dilarutkan dalam asam nitrat. Filtrat yang dihasilkan kemudian dialiri dengan gas CO2. Pada penelitian yang telah dilakukan Lailiyah, dkk (2010) sintesis PCC dengan hasil optimum dilakukan pada laju alir 1,41 L/menit [8]. Untuk mengetahui pengaruh laju alir CO2 terhadap sintesis PCC diperlukan penelitian dengan variasi laju alir 0,5;1;1,5 dan 2L/menit.
PENDAHULUAN Batu kapur (limestone) merupakan mineral yang mengandung senyawa utama CaCO3 dengan unsur pengotor seperti S, Fe, Ba, Ni, Ti dan Cu. Batuan ini memiliki warna kuning, abu-abu kuning tua, abuabu kebiruan, jingga dan hitam dengan berat jenis 2,6-2,8 g/cm3 [1]. Mineral ini banyak terdapat di Indonesia terutama daerah Jawa Timur meliputi Tuban, Pacitan, Trenggalek, Tulungagung, Ponorogo, Ngawi, Bojonegoro, Lamongan, Nganjuk, Jember Sampang, Pamekasan, Sumenep dan Gresik. Cadangan batu kapur di Jawa Timur adalah ±1.259.438.298 m3 [2]. Melimpahnya jumlah batu kapur tersebut hanya dimanfaatkan sebagai bahan bangunan, campuran bahan pengaspal jalan, bahan campuran ubin traso dan bahan pembuatan kapur tohor. Padahal jika batu kapur ditingkatkan kualitasnya maka batu kapur dapat dimanfaatkan secara lebih luas. Salah satu cara untuk meningkatkan kualitas batu kapur alam adalah melalui sintesis Precipitated Calcium Carbonate (PCC) yang merupakan produk turunan dan hasil pemurnian dari batu kapur. PCC memiliki tiga polimorfi kristal dengan sifat dan karakteristik yang berbeda ketika disintesis dengan media air. Tiga polimorfi kristal tersebut adalah kalsit, vaterit dan aragonit. Secara termodinamika, kalsit merupakan polimorfi yang paling stabil dan disintesis pada suhu ruang. Vaterit secara termodinamika paling tidak stabil sedangkan aragonit hanya terbentuk pada suhu tinggi. Polimorfi ini bersifat metastabil dan sacara perlahan berubah menjadi kalsit [3]. Penggunaan PCC tersebar di berbagai industri antara lain industri cat, kertas, karet, makanan, kosmetik dan antibiotik [4]. Selain itu PCC secara khusus dikembangkan sebagai bahan bioaktif, drug delivery dan suplemen nutrisi [5]. Untuk berbagai industri tersebut, Indonesia masih mengimpor PCC
BAHAN DAN METODE Alat Peralatan yang digunakan antara lain peralatan gelas (beaker glass 250 mL, beaker glass 500 mL, corong gelas, pengaduk gelas, pipet tetes, labu takar 100 mL, pipet volume 25 mL, pipet ukur 10 mL), hot plate, stirer, pengaduk magnetik, termometer, neraca ohauss, ayakan mesh 150, indikator pH universal, cawan, tanur, oven, spektrofotometer FT-IR dan XRD. Bahan Bahan utama yang digunakan adalah sampel batu kapur yang diambil dari pegunungan kapur di Tuban, Jawa Timur karena diketahui memiliki kandungan kalsium yang tinggi mencapai 97%. Bahan penunjang yang digunakan antara lain aquades, HNO3 65%, NH3 25% dan gas CO2. Prosedur Penelitian Tahap Pembuatan Larutan HNO3 6M Asam nitrat 6M dibuat dengan mengambil HNO3 65% sebanyak 41,55 C-7
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015
mL dan memasukkannya dalam labu takar 100 mL kemudian ditambahkan aquades hingga tanda batas. Preparasi Sampel Batu Kapur Batu kapur dihancurkan dan dihaluskan menggunakan mortar kemudian diayak dengan ayakan 150 mesh dan dikarakterisasi dengan spektrofotometer FT-IR. Serbuk batu kapur yang dihasilkan kemudian dikalsinasi pada 900˚ C selama 20 menit hingga terbentuk CaO. Serbuk CaO yang terbentuk dikarakterisasi dengan spektrofotometer FT-IR.
Gambar 1. Spektra FT-IR CaO Berdasarkan Gambar 1 diperoleh serapan pada bilangan gelombang 426,24 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi Ca-O yang berarti batu kapur telah berubah menjadi CaO setelah proses kalsinasi. Hal ini sesuai dengan penelitian Granados, dkk, (2010) [9]. Reaksi pembentukan PCC dari batu kapur tersaji pada persamaan reaksi 1.2 dan 1.3.
Metode Karbonasi Sebanyak 5,6 gram CaO hasil kalsinasi ditambahkan 20 mL HNO3 6M dan aquades hingga volume 200 mL. Campuran diaduk selama 30 menit dengan kecepatan 700rpm sambil dipanaskan pada 65˚C. Campuran kemudian disaring dan filtrat yang terbentuk ditambahkan NH3 25% hingga pH larutan 12. Filtrat kemudian dialiri gas CO2 dengan laju alir 0,5;1;1,5 dan 2L/menit disertai pengadukan. Endapan PCC kemudian dikeringkan pada suhu 100-105˚ C hingga diperoleh massa konstan. Produk PCC dikarakterisasi dengan spektrofotometer FT-IR dan XRD.
CaO(s) + 2HNO3(l) →Ca(NO3)2(l) + H2O(l) Ca(NO3)2(l)+2NH3(l)+CO2(g)+3H2O→ CaCO3(s) + 2NH4NO3(aq) + 2H2O(l)
(1.2) (1.3)
Randemen PCC dari berbagai laju alir tersaji pada Gambar 2.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dari proses kalsinasi batu kapur pada 900˚C selama 20 menit adalah CaO sesuai dengan reaksi (1.1) berikut: Gambar 2. Grafik Rendemen PCC CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2(g)
(1.1) Rendemen PCC tertinggi diperoleh pada laju alir 0,5 L/menit yaitu 65,5%. Sehingga laju alir optimum untuk sintesis PCC adalah 0,5 L/menit. Hal ini dikarenakan selain menghasilkan randemen tertinggi juga lebih efisien jika diterapkan dalam skala besar. Sesuai dengan pendapat Perry dan Chilton (1973), kecepatan alir menentukan waktu kontak antar bahan. Jika laju alir kecil, waktu
Sebanyak 30% massa dari batu kapur terdekomposisi pada proses ini. Karakterisasi CaO hasil kalsinasi dilakukan menggunakan spektrofotometer FT-IR yang terdapat pada Gambar 1 sebagai berikut.
C-8
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015
bersinggungan makin besar sehingga lebih banyak partikel yang bereksi [10]. Berikut adalah hasil karakterisasi PCC dengan spektrofotometer FT-IR yang tersaji pada Gambar 3.
0586.Kesesuaian hasil ini juga didukung oleh penelitian Shen, et.al, (2007) dan Yanti, dkk., (2012) [12,13]. KESIMPULAN
CaCO3 karbonasi 4000 limestone
105
Hasil penelitian terangkum dalam kesimpulan berikut. Sintesis PCC berbahan dasar batuan kapur alam telah dilakukan dengan metode karbonasi. Hasil optimum diperoleh pada laju alir CO2 0,5L/menit menghasilkan PCC dengan rendemen sebesar 65,5%. Produk PCC dikarakterisasi dengan spektrofotometer FT-IR dan diperoleh serapan pada bilangan gelombang 713,61; 844,76 dan 1423,37 cm-1 yang menunjukkan adanya spesi karbonat (CO32-). Kristalinitas PCC diuji dengan XRD dan dihasilkan puncak difraktogram pada 2 sebesar 29,6; 39,6 dan 43,3˚ yang menunjukkan jenis kristal CaCO3 kalsit sesuai dengan JCPDS 00005-0586.
%T
713.61 709.76 873.69 877.55
0
1436.87 1423.37
_____PCC _____Limestone
15
551.60
821.62 1172.64
2513.07
30
1797.53 1795.60
2867.95
45
2584.44
60
2513.07
3481.27
75
2871.81
2979.82
90
-15 4000
3500
3000
2500
2000
1750
1500
1250
1000
750
500 1/cm
Gambar 3. Spektra FT-IR PCC Hasil spektra FT-IR PCC pada Gambar 3 menunjukkan adanya serapan pada bilangan gelombang 713,61; 844,76 dan 1423,37 cm-1 yang menunjukkan karakter khas dari spesi karbonat (CO32-). Hal ini berarti PCC yang dihasilkan telah merepresentasikan gugus pada senyawa CaCO3. Hasil ini telah sesuai dengan penelitian yang dilakukan Chen dan Xiang (2009) [11]. Kristalinitas PCC ditentukan melalui pengujian XRD dan difraktogram PCC yang dihasilkan tersaji pada Gambar 4 sebagai berikut.
UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih ditujukan pada DIKTI serta seluruh pihak terkait yaitu Fakultas MIPA Universitas Brawijaya atas pendanaan penelitian ini. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Dra. Sri Wardhani, M.Si selaku dosen pembimbing atas bimbingan dan dukungan hingga terselesaikannya penelitian ini.
Counts PCC K
3000
DAFTAR PUSTAKA 2000
1.Oates J.A.H.,“Lime and Limestone, Chemistry and Technology”, Production and Uses (1998) WileyVch. 2.Yuliarga, A.K., 2011, Gampang Memanfaatkan Potensi Gamping di Indonesia, Sumber:http://m.kompasiana.com,d iakses pada 23 Juli 2014 3.Sabriye, Piskin, Ozgul, DereOzdemir, 2012, Effect of Process Conditions on Crystal Structure of Precipitated Calcium Carbonate
1000
0 30
40
50
60
70
Position [°2Theta] (Copper (Cu))
Gambar 4. Difraktogram PCC Berdasarkan difraktogram PCC pada Gambar 4 diketahui bahwa terdapat puncak 2 pada 29,6; 39,6 dan 43,3˚ yang menunjukkan fasa kristallin dengan jenis CaCO3 kalsit sesuai JCPDS 00-005C-9
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN: 978-602-0951-05-8 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 3-4 Oktober 2015
(CaCO3) From Fly Ash: Na2CO3 Preparation Conditions, International Journal of Biological, Ecological and Environmental Sciences (IJBEES) Vol. 1, No. 6, 2012 ISSN 2277 – 4394 4.Soemargono, Billah M., 2007, Pembuatan Kalsium Karbonat dari Bittern dan Gas Karbon Dioksida secara Kontinyu, Reaktor, Vol.11 (1): 14-21 5.Apriliani, Nurul.F, Maliq A Baqiya, dan Darminto, 2012, Pengaruh Penambahan Larutan MgCl2 pada Sintesis Kalsium Karbonat Presipitat Berbahan Dasar Batu Kapur dengan Metode Karbonasi, Jurnal Sains dan Seni ITS Vol. 1 (1): 2301-928 6.Haryanto, B., Potensi Pembuatan PCC Dari Batu Kapur Di Sumatera Barat. Teknik kimia Universitas Bung Hatta, Sumatra Barat 7.Kemperl dan J. Macek.2009.Precipitation of Calcium Carbonate from Hydrated Lime of Variable Reactivity, Granulation and Optical Properties.Int.J.Miner.Process.93(2 009).Pp 84-88 8.Lailiyah, Q., Baqiya, MA., Darminto., 2010,”Pengaruh Temperatur dan Laju Alir Gas CO2 pada Sintesis Kalsium Karbonat Presipitat dengan Metode Bubbling”,Jurnal Sains Pomits Vol.1, No.1: 1-5 9.Granados, M.L., Poves, M.D.Z., Alonso, D.M., Mariscal, R., Galisteo, F.C., Moreno- Tost, R., Santamaría, J., dan Fierro, J.L.G., (2007), “Biodiesel from sunflower oil by using activated calcium oxide”, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 73: 317–326 10.Perry, R.H., and Chilton, C.H., (1973), “Chemical Engineers' Handbook”, 5th ed., pp.3-11, McGrawHillKogakusha, ltd., Tokyo
11.Chen J., Xiang L., 2009, Controllable synthesis of calcium carbonate polymorphs at different temperatures, Powder Technology, 189: 64 – 69 12.Shen Y., Xie A., Chen Z., Xu W., Yao H., Li S., Huang L., Wu Z., Kong X., 2007, Controlled synthesis of calcium carbonate nanocrystals with multi-morphologies in different bicontinuous microemulsions, Materials Science and Engineering A 443: 95–100 13.Yanti, P.H., Novesar J., danSyukri A., 2012, Synthesis Precipitated Calcium Carbonate (PCC) using Lisin as Directing Agent, Seminar UR-UKM Optimalisasi Riset Sains dan Teknologi Dalam Pembangunan Berkelanjutan, Repository University of Riau, 3133
C - 10
