SINTESIS ZEOLIT ZSM-5 DENGAN METODE HIDROTERMAL: STUDI KOMPREHENSIF Happy Bunga N.S., Fildzah ‘Adany, Alfia D. Masyitoh
Laboratorium Kimia Material dan Energi, Departemen Kimia Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
ABSTRAK Zeolit ZSM-5 (Zeolit Socony Mobile-5) dapat disintesis secara hidrotermal, baik dengan atau tanpa penambahan template organik. Kaolin, diatomit dan RHA dapat digunakan sebagai sumber silika. Campuran bahan-bahan baku direaksikan dalam autoclaf stainless steel pada suhu dan waktu reaksi yang berbeda-beda. Kata kunci: Hidrotermal, ZSM-5, Kaolin, Diatomit, RHA
1.
PENDAHULUAN Zeolit merupakan material aluminosilikat berpori dengan struktur pori 3-dimensi yang
sangat bermanfaat dalam bidang industri [1]. Zeolit ZSM-5 banyak digunakan sebagai adsorben, katalis, molecular sieve, serta diaplikasikan pada proses petrokima, pemisahan gas dan liquid, maupun konversi hidrokarbon [3]. Sintesis ZSM-5 pada umumnya dilakukan secara hidrotermal pada suhu di atas 100 °C, baik dengan maupun tanpa template organik, dari berbagai jenis sumber silika. Pada studi ini, digunakan kaolin, diatomit dan RHA sebagai sumber silika dalam sintesis ZSM-5. Kaolin merupakan bahan tambang alam yang merupakan salah satu jenis tanah lempung (clay). Tanah lempung jenis ini berwarna putih keabu-abuan. Mineral ini terdiri dari aluminasilikat dengan struktur kristal yang terdiri dari lapisan yang terikat lemah [1]. Sementara diatomit atau biasa dikenal sebagai tanah diatom, terbentuk dari proses pengendapan alga bersel satu (diatom) yang terakumulasi sebagai sedimen. Silika penyusun diatom merupakan silika amorf dengan kadar 80-95%, sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai sumber silika terutama dalam sintesis zeolit dengan rasio Si/Al yang tinggi seperti ZSM-5. Terdapat dua metode dalam sintesis zeolit dari diatomit yaitu, metode in situ dan non-insitu. Metode insitu menggunakan sebagian diatomit sebagai raw material dan sebagian lainnya sebagai matriks agar terbentuk material berpori, sedangkan dalam metode non-insitu diatomit digunakan sebagai raw material yang berfungsi meningkatkan fungsi dari raw material dan mendapatkan ZSM-5 dengan kristalinitas yang tinggi [4].
Selain kaolin dan diatomit, abu sekam padi atau RHA (rice husk ash) juga umum digunakan dalam sintesis ZSM-5. Sekam padi mudah diperoleh dari proses penggilingan padi sebagai bahan buangan yang masih dapat digunakan kembali. Kandungan silika pada abu sekam padi (rice husk ash atau RHA) mempunyai struktur amorf yang dapat berubah menjadi silika kristalin ketika dipanaskan pada temperatur tinggi [8].
2.
METODE DAN HASIL SINTESIS
2.1 Sintesis ZSM-5 dari kaolin Mohiuddin dkk [1] melakukan sintesis dengan metode hidrotermal menggunakan kaolin yang berasal dari Kota Grahams, Afrika Selatan, pada variasi hidrotermal 120, 150 dan 190 °C. Larutan natrium silikat yang dicampur dengan TPABr sebagai template, dipanaskan selama 24, 48 dan 96 jam di bawah tekanan normal. Hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa kristalinitas semakin meningkat dan selektivitas yang baik terhadap hidrokarbon olefin. Namun, adanya fasa kuarsa yang ditunjukkan oleh hasil karakteriasi difraksi sinar-X (XRD) dan Scanning Electron Microscopy (SEM) menunjukkan sifatnya sebagai pengganggu. Suhu dan waktu sangat berpengaruh terhadap kristalinitas ZSM-5 yang dihasilkan. Semakin tinggi suhu yang digunakan kristalinitasnya meningkat. Sedangkan Wang dkk [2] menggunakan perlit/kaolin untuk aromatisasi FCC naptha. Perlit dan kaolin digunakan sebagai satu-satunya sumber alumina, natrium silikat digunakan sebagai sumber silika tambahan, sedangkan H2SO4 atau larutan NaOH digunakan untuk menyesuaikan pH pada reaksi dengan rasio Na2O/SiO2. ZSM-5 (P) yang disintesis dari perlit dilakukan selama 14 jam dengan komposisi 7Na2O.Al2O3.5SiO2.978H2O pada suhu 180 °C. ZSM-5 (K) disintesis dari kaolin dengan waktu reaksi selama 24 jam dengan komposisi 1,3Na2O.Al2O3.5SiO2.132H2O pada suhu 180 °C. Produk bentuk ZSM-5 (P) dan ZSM-5 (K) serta derajat kristalinitas disesuaikan dengan pola referensi sampel ZSM-5. Hasilnya menunjukkan bahwa pori yang dihasilkan berukuran besar dan keasaman yang dihasilkan sesuai dengan reaksi katalitik, sehingga katalis ZSM-5 (P) dan ZSM-5 (K) berpotensi sebagai katalis yang baik untuk aromatisasi FCC nafta. Hartanto dkk [3] menggunakan kaolin yang berasal dari Bangka, Indonesia, sebagai sumber alumina dalam sintesis ZSM-5, tanpa template organik tetapi menggunakan teknik seeding. Sintesis dimulai dengan menimbang kaolin yang ditambahkan dengan LUDOX®, pengarah kristal (silikalit dan ZSM-5) dan larutan NaOH sambil diaduk dengan kecepatan pengadukan yang meningkat selama 24 jam (waktu aging) untuk menumbuhkan benih kristal. Proses hidrotermal dilakukan pada suhu 175 °C selama 72 jam. Untuk melihat pengaruh dari
komposisi prekursor, dilakukan variasi konsentrasi air sebesar (1500, 1800, 2000 dan 2500 mol) dan konsentrasi NaOH (2, 4, 6, 8, 10 dan 12 mol) serta kristal pengarah (crystal seed). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa kristalinitas rasio Si/Al yang dihasilkan dari teknik seeding meningkat. Konsentrasi dari NaOH merupakan faktor penting dalam sintesis ZSM-5 karena dapat menghancurkan dan melarutkan kaolin, sehingga terdeposit pada silikalit untuk membentuk ZSM-5. 2.2 Sintesis ZSM-5 dari diatomit Li dkk [4] melakukan sintesis dengan metode non-insitu tanpa menggunakan tambahan sumber silika selain diatomit. Proses sintesis dilakukan pada suhu hidrotermal 180 ºC selama 40 jam dengan penambahan TPABr sebagai template. Hasilnya menunjukkan bahwa zeolit yang terbentuk memiliki luas permukaan yang besar. Kestabilan termal dan sisi asam yang dihasilkan juga lebih banyak jika dibandingkan dengan diatomit. Sementara, Zhang dkk [5] dan Sahuenza dkk [6] menerapkan metode non-insitu. Zhang dkk [5] melakukan sintesis pada suhu hidrotermal 170 ºC selama 24 jam. Proses sintesis dilakukan dengan penambahan TPAOH template sekaligus agar terbentuk ZSM-5 yang memiliki pori hirarki. Sahuenze dkk [6] melakukan sintesis pada suhu 180 ºC selama 40 jam. Proses sintesis dilakukan dengan penambahan dan tanpa penambahan DEA. DEA berfungsi sebagai template akan tetapi hasil sintesis menunjukkan bahwa template tidak begitu berpengaruh karena diatomit dapat berfungsi sebagai sumber silika maupun sebagai template. 2.3 Sintesis ZSM-5 dari RHA Prasetyoko dkk [8] melakukan sintesis tanpa template. Mula-mula sekam padi dicuci bersih dengan air destilat dan dikeringkan pada suhu 100 °C selama 24 jam. Selanjutnya sekam padi kering dikalsinasi pada suhu 600 °C selama 4 jam di udara. Campuran reaktan terdiri dari NaOH, natrium aluminat, RHA dan H2O serta silikalit-1 sebagai kristal pengarah (crystal seed), dengan rasio komposisi 10Na2O : 100SiO2 : 2Al2O3 : 1800H2O. Campuran tersebut diaduk selama 6 jam kemudian dilakukan aging selama 12 jam pada suhu ruang dan dituang pada autoclaf stainless stell. Reaksi hidrotermal dilakukan pada suhu 175 °C dengan variasi waktu kristalisasi 6, 12, 24, 48 dan 96 jam. Setelah dingin, padatan yang diperoleh kemudian dicuci dan disaring dengan air destilat hingga pH filtrat netral untuk selanjutnya dikeringkan pada suhu 110 °C selama 12 jam. Hasilnya menunjukkan bahwa fasa ZSM-5 mulai terbentuk pada lama kristalisasi hidrotermal 12 jam. Kristalinitas dan kemurnian maksimum dicapai pada lama kristalisasi 24 jam. Dey dkk [9] juga melakukan sintesis tanpa template. Sekam padi yang telah dicuci dan kering, dikalsinasi pada suhu 700 °C selama 6 jam pada atmosfer udara. Selanjutnya reaktan
yang terdiri dari natrium aluminat, NaOH, RHA dan H2O dicampur dengan komposisi molar 100SiO2 : 0,5Al2O3 : 20Na2O : 3000H2O dan diaduk selama 20 jam. Campuran tersebut kemudian dituangkan pada autoclaf stainless steel dan dilakukan reaksi hidrotermal pada suhu 150 °C selama 48-96 jam. Padatan yang diperoleh selanjutnya dipisahkan dengan cara sentrifugasi kemudian dikeringkan pada suhu 80 °C selama 4 jam, diikuti dengan kalsinasi pada suhu 550 °C selama 5 jam. Hasil sintesis menunjukkan bahwa derajat kristalisasi meningkat dengan semakin meningkatnya waktu reaksi dari 72 sampai 96 jam, sedangkan ukuran mesopori berkurang seiring dengan meningkatnya waktu reaksi. Berbeda dengan sebelumnya, Panpa dan Jinawath [7] melakukan sintesis dengan penambahan template organik. Campuran reaktan dibuat dari RHA, NaOH, natrium aluminat, H2O dan TPABr sebagai template dengan rasio SiO2/Al2O3 tertentu. Produk sintesis dipisahkan dengan cara sentrifugasi lalu dicuci dengan air destilat dan dikeringkan pada suhu 80 °C selama 12 jam. Selanjutnya padatan dikalsinasi pada suhu 550 °C selama 5 jam untuk menghilangkan template. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa zeolit ZSM-5 dari RHA dapat disintesis dengan yield maksimum sebanyak 84% padai rasi molar SiO2/Al2O3 = 80, sedangkan transisi dari ZSM-5 menjadi silikalit terjadi pada rasio molar SiO2/Al2O3 > 200.
3.
KESIMPULAN Zeolit ZSM-5 dapat disintesis dengan metode hidrotermal dari natrium aluminat, NaOH,
H2O sebagai pelarut, serta silikat yang berasal dari kaolin, diatomit maupun RHA. Reaksi dilakukan dalam autoclaf stainless steel pada suhu di atas titik didih air selama beberapa variasi waktu. Penambahan TPABr atau TPAOH berfungsi sebagai template organik, sedangkan pada sintesis tanpa template biasanya dilakukan penambahan pengarah kristal (crystal seed) seperti silikalit-1 atau ZSM-5 standar. Produk yang diperoleh sangat dipengaruhi oleh rasio komposisi molar reaktan, suhu dan waktu reaksi hidrotermal.
DAFTAR PUSTAKA [1] Mohiuddin, E., Makarfi, Y., Isa., Mdleleni, M, M., Sincadu, N., Key, D., dan Tshabalala, T., (2016), “Synthesis of ZSM-5 from Impure and Beneficiated Grahamstown Kaolin : Effect of Kaolinite Content, Crystallisation Temperatures and Time,” Apllied Clay Science, Vol. 119, hal. 213-221. [2] Wang, P., Shen, B., Shen, D., Peng, T., dan gao, J., (2007), “Synthesis of ZSM-5 zeolite from expanded perlite/kaolin and its catalytic performance for FCC naphtha aromatization,” Catalysis Communication, Vol. 8, hal. 1452-1456.
[3] Hartanto, D., Yuan, L, S., Sari, S, M., Sugiarso, D., Murwani, I, K., Ersam, T., Prasetyoko, D., dan Nur, H., (2016), “Can Kaolin Function as Source of Alumina in The Synthesis of ZSM-5 Without an Organic Template Using a Seeding Technique?” Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol. 12, hal. 85-90. [4] Li, Y., Sun, H., Feng, R., Wang, Y., Subhan, F., Yan, Z., Zhang, Z., dan Liu, Z., (2015), “Synthesis of ZSM-5 zeolite from diatomite for fluid catalytic cracking (FCC) application,” Petrochem Res Vol 5, hal. 347. [5] Ke, Z., Yunqi, L., Jinchong, Z., dan Chenguang, L., (2012), “Hierarchical Porous ZSM-5 Zeolite Synthesized by in situ Zeolitization and Its Coke Deposition Resistance in Aromatization Reaction,” Chin. J. Chem, Vol. 30, hal. 597-603. [6] Sanhueza, V., Kelm, U., Cid, R., dan L´opez-Escobar1, L., (2004), “Synthesis of ZSM-5 from diatomite: a case of zeolite synthesis from a natural material,” J Chem Technol Biotechnol, Vol. 79, hal. 686–690. [7] Panpa, W. dan S. Jinawath, (2009), “Synthesis of ZSM-5 zeolite and silicalite from rice husk ash.” Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 90, hal. 389-394. [8] Prasetyoko, D., Neneng A., Hamzah F., Djoko H., dan Zainab R., (2012), “Phase transformation of rice husk ash in the synthesis of ZSM-5 without organic template,” ITB J. Sci., Vol. 44, No. 3, hal. 250-262. [9] Dey, Kartick P., S. Ghosh, Milan Kanti N., (2013), “Organic template-free synthesis of ZSM-5 zeolite particles using rice husk ash as silica source,” Ceramic International, Vol. 39, hal. 2153-2157.
