SINTESIS ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) DARI SILIKA AMPAS TEBU (Bagasse) MENGGUNAKAN METODE STEAM ASSISTED CONVERSION (SAC) (Skripsi)
Oleh
INDAH TRI YULIANTI
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017
ABSTRAK
SINTESIS ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) DARI SILIKA AMPAS TEBU (Bagasse) MENGGUNAKAN METODE STEAM ASSISTED CONVERSION (SAC)
Oleh
Indah Tri Yulianti
Dalam penelitian ini dilakukan sintesis zeolit ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) dari silika ampas tebu (bagasse) menggunakan metode kristalisasi bantuan-uap (Steam Assisted Conversion, SAC). Ekstraksi silika dari ampas tebu dilakukan dengan metode alkali (NaOH) yang sebelumnya ampas tebu direndam menggunakan asam dengan rendemen yaitu 10%. Silika ampas tebu dikarakterisasi menggunakan X-Ray Fluorosence (XRF) menunjukkan adanya kandungan SiO2 dan Al2O3 masing-masing sebesar 70,26% dan 12,89%, Fourier Transform Infrared (FTIR) menunjukkan adanya gugus Si-O-Si, Si-OH dan Al-O serta X-Ray Diffraction (XRD) yang menunjukkan bahwa silika bersifat amorf. Sintesis zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu disintesis dengan variasi suhu, waktu, tanpa TPA-Br dan penambahan benih. Benih yang digunakan yaitu zeolit ZSM-5 dari silika komersial (LUDOX). Sintesis zeolit dari ampas tebu dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan adanya puncak sekitar 2θ=7, 8, 9, 23, 24° yang merupakan puncak karakterisasi untuk zeolit ZSM-5. Zeolit ZSM-5 dapat disintesis menggunakan silika dari ampas tebu selama 120 jam pada suhu 170 oC menggunakan benih ZSM-5 sebanyak 5% dan TPA-Br yang menghasilkan tingkat kristalinitas yang baik. Berdasarkan hasil analisis X-Ray Fluorosence (XRF) diperoleh rasio Si/Al zeolit hasil sintesis silika ampas tebu yaitu 7,41. Scanning Electron Microscope (SEM) menunjukkan bahwa morfologi kristal zeolit ZSM-5 berbentuk segi enam. Jadi dapat disimpulkan bahwa pada penelitian ini silika dari ampas tebu dapat digunakan untuk sintesis zeolit ZSM-5.
Kata Kunci : ampas tebu, ekstraksi, silika ampas tebu, SAC, zeolit ZSM-5.
ABSTRACT
SYNTHESIS OF ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) FROM SILICA SUGARCANE (Bagasse) USING STEAM ASSISTED CONVERSION (SAC) METHOD
By
INDAH TRI YULIANTI
In this study, ZSM-5 zeolite (Zeolite Secony Mobile-5) synthesis of bagasse silica used crystallization method from steam assisted conversion (SAC) method. The extraction from bagasse silica with alkaline method (NaOH) which previously washed bagasse using acid with a yield of 10%. Silica bagasse characterized using X-Ray Fluorescent (XRF) showed the SiO2 and Al2O3 content of 70,26 % and 12.89%, Fourier Transform Infrared (FTIR) shows the presence of Si-O-Si, Si-OH and Al-O and X-Ray Diffraction (XRD) showed the bagasse that are amorphous silica. The synthesis of ZSM-5 zeolite from silica bagasse was synthesized with temperature, time, without TPA-Br and seed addition. The seeds used are ZSM-5 zeolite from commercial silica (LUDOX). The synthesis of zeolite from bagasse was characterized using X-Ray Diffraction (XRD) showing a peak of about 2θ = 7, 8, 9, 23, 24° which is the peak characterization for ZSM-5 zeolite. ZSM-5 zeolite can be synthesized using silica from bagasse for 120 hours at a temperature of 170 °C using 5% ZSM-5 seed and TPA-Br which produces a good level of crystallinity. Based on the results of X-Ray Fluorosence analysis (XRF) obtained Si/Al zeolite ratio of silica bagasse synthesis is 7,41. Scanning Electron Microscope (SEM) shows that ZSM-5 zeolite crystal morphology is hexagonshaped. So it can be concluded that the zeolite ZSM-5 from bagasse silica was successfully synthesized.
Keywords : bagasse, extraction, silica sugarcane, SAC, ZSM-5 zeolite.
SINTESIS ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) DARI SILIKA AMPAS TEBU (Bagasse) MENGGUNAKAN METODE STEAM ASSISTED CONVERSION (SAC) Oleh Indah Tri Yulianti
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA SAINS pada Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pringsewu tanggal 24 Juli 1995, anak ketiga dari tiga bersaudara, dari Alm. Bapak Yatino Mahmudi dan Ibu Nur’aini. Penulis mulai menempuh pendidikan dimulai pada tahun 1999 di TK Aisyiah Bustanul Athfal Pringsewu, lalu melanjutkan di SD Negeri 1 Pringsewu dan lulus pada tahun 2007, kemudian penulis melanjutkan pendidikan di SMP AlKautsar Bandar Lampung dan lulus pada tahun 2010. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di SMA Negeri 1 Gadingrejo dan lulus tahun 2013. Penulis melanjutkan pendidikan di Universitas Lampung Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam jurusan Kimia pada tahun 2013.
Selama menjadi mahasiswa, penulis pernah mengikuti aktivitas organisasi Kader Muda (KAMI) HIMAKI tahun 2013-2014 FMIPA Unila dan menjadi Anggota Biro Usaha Mandiri (BUM) HIMAKI FMIPA Unila pada tahun 2014-2015. Penulis juga pernah menjadi Asisten Dosen pada praktikum Kimia Anorganik II angkatan 2014 pada tahun 2016 dan Kimia Anorganik I angkatan 2015 pada tahun 2017. Tahun 2016 penulis telah menyelesaikan praktik kerja lapangan yang berjudul Sintesis Zeolit dari Silika Ampas Tebu (Bagasse) Menggunakan Metode Non-Hidrotermal di Laboratorium Kimia Anorganik/Fisik Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung. Penulis melaksanakan kegiatan KKN PPM (Pembelajaran
Pemberdayaan Masyarakat) di Sumberjaya Kabupaten Lampung Barat pada bulan JuliAgustus 2016.
“Sebaik-baik manusia adalah yang paling banyak memberikan manfaat bagi orang lain”
“Be as yourself as you want”
Atas Rahmat Allah SWT Kupersembahkan Karya Sederhanaku ini Teruntuk Alm. Bapak dan Ibuku tercinta yang senantiasa memberikan do’a, kasih sayang, perhatian, dukungan, motivasi dan semangat kepada ananda selama ini Seluruh keluarga besarku, mas dan mbakku tercinta yang selalu mendoakan keberhasilanku Dr. Mita Rilyanti, M.Si dan semua Dosen Jurusan Kimia yang telah membimbing dan mendidik ananda selama menempuh pendidikan di kampus Sahabat dan teman-temanku yang selalu berbagi kebahagiaan Almamater tercinta Universitas Lampung
SANWACANA
Alhamdulillah tsummal hamdulillah, segala puji hanya bagi Allah, Rabb semesta alam yang telah memberikan nikmat-Nya. Shalawat serta salam semoga tetap terlimpahkan kepada Nabi Muhammad SAW yang memberikan syafa’atnya kepada seluruh umatnya di dunia dan di akhirat, Aamiin.
Berbekal pengetahuan dan pengalaman yang telah diperoleh penulis mampu menyelesaikan skripsi yang berjudul “SINTESIS ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) DARI SILIKA AMPAS TEBU (Bagasse) MENGGUNAKAN METODE STEAM ASSISTED CONVERSION (SAC)”. Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
Teriring do’a yang tulus, penulis mengucapkan terimakasih yang sebesarbesarnya kepada : 1. Alm. Bapak dan ibu tercinta yang telah memberikan limpahan kasih sayang kepada penulis. Pak, bu terimakasih banyak atas semua do’a yang tak pernah berhenti, perjuangan, kerja keras, nasehat, semangat, motivasi, dukungan dan
segalanya yang telah diberikan kepada penulis, semoga Allah senantiasa menjaga dan melindungi kalian. Aamiin ya Allah… 2. Untuk kakak-kakaku Mas Arief, Mbak Fera, Kak Ridho, dan Mbak Irna terimakasih atas segala do’a, motivasi, dukungan, nasehat, semangat, saran, dan uang jajan :D selama ini. Aku sayang kalian semoga Allah selalu memberikan kesehatan dan kebahagiaan kepada kalian. 3. Keponakan-keponakan ante Annisa, Caca, Aliya, Keisya dan Queen. Terimakasih atas keceriaannya dan yang selalu menghibur. Ante sayang kalian :* 4. Ibu Dr. Mita Rilyanti, M.Si. selaku Dosen Pembimbing Utama penelitian penulis yang telah membimbing, mendidik, dan mengarahkan penulis dengan sangat-sangat sabar, nasehat, ilmu, dan kasih sayang yang tulus sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Maaf kalau indah sedikit bandel ya bu, hehe. Semoga barokah Allah selalu menyertai ibu. 5. Bapak Prof. Suharso, Ph.D selaku pembimbing II penulis yang telah membimbing penulis dengan penuh kesabaran dan keikhlasan sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Semoga Allah membalasnya dengan kebaikan. 6. Ibu Prof. Dr. Buhani, M.Si selaku pembahas penulis yang telah memberikan bimbingan, arahan, kritik, saran dan nasihat kepada penulis sehingga skripsi ini dapat terselesaikan. Semoga Allah membalasnya dengan keberkahan. 7. Ibu Noviany, Ph.D selaku pembimbing akademik penulis yang telah memberikan motivasi, arahan, dan nasihat sehingga penulis dapat menempuh pendidikan dengan baik di Jurusan Kimia FMIPA Unila. Semoga Allah selalu memberikan rahmat kepadanya.
8. Prof. Warsito, Ph.D. selaku dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung. 9. Dr. Eng. Suripto Dwi Yuwono, M.T. selaku Ketua Jurusan Kimia FMIPA Unila dan seluruh Bapak/Ibu dosen Jurusan Kimia FMIPA Unila. 10. Seluruh civitas akademik Jurusan Kimia FMIPA Universitas Lampung khususnya Mbak Liza selaku laboran Laboratorium Kimia Anorganik/Fisik, dan Pak gani selaku staf administrasi, terimakasih atas bantuannya selama ini. 11. Teruntuk partner dari segala partner Anggi Widiawati, S.Si., terimakasih atas kekompakan dan kesetiaannya, yang selalu bareng-bareng dari awal sampai akhir, susah senang bareng, bandel bareng, meskipun kamu nyebelin dan ngeyel :D tapi tetep jadi partner terbaik, semoga kita sukses bareng yaa Aamiin. 12. Partner penelitian terbaik Nur Hastriana, S.Si. dan Fatimah, S.Si., terimakasih atas bantuannya, nasehat, motivasi, keceriaan, semangat, buku-buku catatan setiap mau seminar :D dan kalian yang katanya partner tapi selalu seminar duluan, akhirnya kita wisuda bareng yahh yeayy :D 13. Sahabat-sahabat terbaikku yang katanya CCS (Cewe-Cewe Solehah) Aamiin :D, Atun, Ocoy, Mba Yuli, Jambu (Anggi), Bebeb Nurma, dan Eka Setioso terimakasih atas segala kekompakannya, kegilaannya, perhatiannya, berbagi kesedihan dan kebahagiaan, semangat, nasihat, motivasi selama ini. Jaga terus silaturahim dan semoga kita semua sukses yaa. Aku sayang kalian :* 14. Temen 5000an dapet 3, Dian, S.Si., Chilipuk (Dona), Cabe (Anton), Paul, Mega, Siti, Mb Ismi, S.Si., Yuni, Dicky, Bara, Febri, Arief, terimakasih atas
ke’receh’annya, motivasi, semangat dan bantuan. Semoga dilancarkan penelitiannya, dan yang belum S.Si semoga cepat menyusul… 15. Teman-teman Laboratorium Kimia Anorganik/Fisik, Nova Tri Irianti, S.Si (praktikan kesayangan :*), Eka Setioso Sari, Yulia Arizawati, Murnita Anggraini, S.Si., Fentri Haryati, Megafhit Puspitarini, Melita Sari, Radho Alkautsar, S.Si., Ismi Ambalika, S,Si., Febri Ardhiansyah, S.Si., Kartika Agus Kusuma, S.Si., Della Mita Andini, S.Si., Mita Sasta Viana, Awan Gunaefi, Arief Aulia Rahman, Renita Susanti, Widya Aryani M., Esti Sandra P., Siti Nabila S., Mega Mawarti, Linda Wati, dan Dewi Rumondang C.PCS., terimakasih kalian sudah membuat suasana Lab tidak pernah sepi, terimakasih atas kebersamannya selama ini. 16. Teman-teman se-angkatan keluargaku tercinta Kimia 2013 (CHETIR), Dona, Diky, Paul, Aulia, Celli, Citra, Dian, Erva, Fatimah, Fika, Khalimah, Febri, Khomsatun, Maya, Megafhit, Mia, Nabilla, Nita, Riyan W, Shelta, Gita, Nisa, Vicka, Wahyuni, Yuvica, Eky, Ana, Inggit, Widya, Awan, Arief, Dewi, Korina, Esti, Nora, Fera, Vyna, Bara, Yunitri, Dilla, Badi, Nova, Linda, Shela, Renita, Ridho, Kurnia, Nurma, Ismi, Eka, Herma, Ines, Anita, Siti, Oci, Yulia, Murnita, Fentri, Riska, Rian, Verdi, Dodi, Yolanda, Eka M, Nia, Uut, Nurul, Kiki, Netty, Gesa, Yuni, Tyas, Anggun, Mawar, Della, Radho, Arni, Mita, Sinta, Anton, Melita, Melia, Monica, Lulu, Kartika, Ezra, dan Tika, terimakasih telah menjadi keluarga yang selalu memberikan keceriaan dan kasih sayang kepada penulis. Semoga tali silaturahmi kita tetap terjaga, dan semoga kita semua sukses yaa, aamiin.
17. Adik-adik seperbimbingan Bagasse Research, Devi, Rica, Arum, Ainun, Cindy, terimakasih atas semangat dan keceriaannya, nurut sama Bu Mita jangan bandel yaa hihi, semoga dilancarkan menuju S.Si nya, dan jaga terus kekompakan kalian 18. Kakak-kakak angkatan 2012 atas bantuan dan persaudaraan yang terjalin selama ini. 19. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu secara tulus memberikan bantuan moril dan materil kepada penulis.
Akhir kata, penulis memohon maaf kepada semua pihak apabila skripsi ini masih terdapat kesalahan dan kekeliruan, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat sebagaimana mestinya, Aamiin.
Bandar Lampung, Juli 2017 Penulis
Indah Tri Yulianti
i
DAFTAR ISI
Halaman DAFTAR ISI ...............................................................................................
i
DAFTAR TABEL ......................................................................................
iii
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................
v
I.
PENDAHULUAN A. Latar Belakang .............................................................................. B. Tujuan Penelitian ........................................................................... C. Manfaat Penelitian .........................................................................
1 6 6
II. TINJAUAN PUSTAKA A. B. C. D.
Ampas Tebu .................................................................................. Abu Ampas Tebu .......................................................................... Silika ............................................................................................. Ekstraksi Silika dari Ampas Tebu ................................................ 1. Metode Pembakaran (Thermal) ................................................ 2. Metode Tanpa Pembakaran (Non-thermal) ............................. E. Zeolit ............................................................................................. 1. Zeolit Alam .............................................................................. 2. Zeolit Sintetik ........................................................................... F. Sintesis Zeolit ................................................................................ G. Zeolit ZSM-5 ................................................................................ H. Fourier Transform Infra-Red (FTIR) .......................................... I. X-Ray Fluoresence (XRF) .............................................................. J. X-Ray Diffraction (XRD) ............................................................... K. Scanning Electron Microscopy (SEM) ......................................... III.
7 9 10 11 12 12 13 14 15 16 20 22 24 25 27
METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ....................................................... B. Alat dan Bahan .............................................................................. C. Prosedur Kerja............................................................................... 1. Ekstraksi Silika dari Abu Ampas Tebu ......................................
30 30 31 31
ii
2. Karakterisasi Silika .................................................................... 3. Sintesis Zeolit............................................................................. a. Sintesis benih Zeolit ZSM-5.................................................. b. Sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan silika ampas tebu ........ 4. Karakterisasi Zeolit .................................................................... IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN A. Ekstraksi Silika dari Ampas Tebu ................................................. B. Karakterisasi Silika Hasil Ekstraksi .............................................. 1. X-Ray Fluoresence (XRF) ........................................................ 2. Fourier Transform Infra-Red (FTIR) ....................................... 3. X-Ray Diffraction (XRD).......................................................... C. Sintesis Zeolit ................................................................................ 1. Sintesis Benih Zeolit ZSM-5 .................................................... 2. Sintesis Zeolit ZSM-5 menggunakan Silika Ampas Tebu ........ D. Karakterisasi Zeolit ....................................................................... 1. X-Ray Diffraction (XRD).......................................................... a. Benih Zeolit ZSM-5 ............................................................. b. Zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu .................................... 2. X-Ray Fluoresence (XRF) ........................................................ 3. Scanning Electron Microscope (SEM) .....................................
V.
32 32 32 33 36
37 41 42 43 45 46 46 48 49 49 50 51 57 59
KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ................................................................................... B. Saran .............................................................................................
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
61 62
iii
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
1. Komposisi kadar abu ampas tebu, sekam padi, dan abu terbang (fly ash) ....................................................................................................
10
2. Contoh zeolit alam ..................................................................................
15
3. Rumus oksida beberapa jenis zeolit sintetik ...........................................
16
4. Data zeolit tipe ZSM-5 ............................................................................
21
5. Komposisi molar pereaksi untuk sintesis benih zeolit ZSM-5 ...............
33
6. Perhitungan komposisi molar peraksi untuk sintesis benih zeolit
ZSM-5 .....................................................................................................
33
7. Komposisi molar pereaksi untuk sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan silika ampas tebu .....................................................................................
34
8. Perhitungan komposisi molar peraksi untuk sintesis zeolit ZSM-5
menggunakan silika ampas tebu.............................................................
34
9. Komposisi senyawa dalam silika ampas tebu .........................................
42
10. Komposisi benih zeolit ZSM-5 dari silika komersial dan zeolit dari silika ampas tebu ....................................................................................
58
11. Data pola XRD benih zeolit ZSM-5.......................................................
76
12. Data puncak XRD benih zeolit ZSM-5 ..................................................
76
iv
13. Data puncak XRD zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 150 oC selama 48 jam ...................................................................
79
14. Data puncak XRD zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 170 oC selama 48 jam ....................................................................
81
15. Data puncak XRD zeolit ZSM-5 silika ampas tebu menggunakan benih ZSM -5 suhu 170 oC selama 120 jam ...........................................
83
16. Data puncak XRD zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 170 oC selama 120 jam ..................................................................
86
17. Data puncak XRD zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa TPA-Br suhu 170 oC selama 120 jam............................................................................
89
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
1. Ampas tebu .............................................................................................
7
2. Struktur kimia zeolit................................................................................
13
3. Autoklaf (alat sintesis secara hidrotermal) ..............................................
17
4. Difraktogram standar zeolit ZSM-5 .......................................................
22
5. SEM dari zeolit ZSM-5 ...........................................................................
22
6. Prinsip XRF.............................................................................................
25
7. Skematik dasar perhitungan Bragg .........................................................
26
8. Skema dasar SEM ...................................................................................
29
9. Ampas tebu yang telah dicuci dengan asam sitrat 5% ............................
38
10. Abu ampas tebu hasil pembakaran suhu 600°C ....................................
39
11. (a) Abu ampas tebu, (b) Abu ampas tebu yang diekstraksi dengan NaOH dengan cara dipanaskan, (c) Hasil ekstraksi abu ampas tebu setelah dibiarkan selama 12 jam, dan (d) Hasil ekstraksi ampas tebu yang sudah disaring berwarna kecoklatan ...............................................
40
12. (a) Natrium silikat yang ditambahkan larutan HCl 1 M tetes demi tetes menggunakan buret, (b) Terbentuk 2 fasa (pelarut dan silika gel) dan (c) Silika berwarna putih ..................................................................
41
13. Spektra FTIR dari silika hasil ekstraksi ................................................
43
vi
14. Difraktogram hasil ekstrak sisilika ampas tebu ....................................
45
15. Benih zeolit ZSM-5 dari silika komersial (LUDOX) ...........................
47
16. Zeolit ZSM-5 menggunakan silika ampas tebu yang disintesis pada suhu 170 oC selama 120 jam .................................................................
49
17. (a) Standar zeolit ZSM-5 dan (b) Benih zeolit ZSM-5 .........................
50
18. (a) Standar zeolit ZSM-5, zeolit yang disintesis selama 48 jam pada suhu (b) 150 °C dan (c) 170 °C.............................................................
51
19. (a) Standar zeolit ZSM-5, zeolit hasil sintesis pada suhu 170 °C selama (b) 48 jam dan (c) 120 jam ....................................................................
53
20. (a) Standar zeolit ZSM-5, (b) Standar zeolit mordenit, zeolit yang disintesis (c) dengan, dan (d) tanpa penambahan benih ZSM-5 ...........
54
21. (a) Standar zeolit ZSM-5, zeolit hasil sintesis (b) dengan dan (c) tanpa penambahan TPA-Br .............................................................................
56
22. (a dan b) SEM zeolit ZSM-5 dari silika komersial, (c dan d) SEM zeolit ZSM-5 dari silika hasil ekstraksi ampas tebu pada suhu 170 °C selama 120 jam dengan penambahan benih ZSM-5 dan TPA-Br .........
59
23. SEM zeolit ZSM-5 ................................................................................
60
24. Data XRF silika ampas tebu..................................................................
73
25. Grafik XRF silika ampas tebu ...............................................................
74
26. Grafik FTIR silika ampas tebu ..............................................................
74
27. Difraktogram benih zeolit ZSM-5 .........................................................
76
28. Difraktogram sintesis zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 150 oC selama 48 jam .......................................................
79
vii
29. Difraktogram sintesis zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 170 oC selama 48 jam .......................................................
81
30. Difraktogram sintesis zeolit ZSM-5 silika ampas tebu menggunakan benih ZSM-5 suhu 170 oC selama 120 jam ...........................................
83
31. Difraktogram sintesis zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5 suhu 170 oC selama 120 jam ............................................
86
32. Difraktogram sintesis zeolit ZSM-5 silika ampas tebu tanpa TPA-Br suhu 170 oC selama 120 jam ...................................................
89
33. Data XRF benih zeolit ZSM-5 dari silika komersial ............................
91
34. Data XRF zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu tanpa TPA-Br ............
91
1
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Tebu yang bernama ilmiah Saccharum Officanarum L. ini merupakan keluarga graminae atau sejenis dengan suku rumput-rumputan. Bentuk pohon dari tanaman tebu yaitu batang yang berbentuk memanjang ke atas, terdapat ruas-ruas di batangnya, dan daunnya terdapat pada setiap ruasnya. Tebu tumbuh lebih di 200 negara, India adalah produsen gula terbesar kedua di dunia, sedangkan penghasil terbesarnya adalah Brazil. Di negara Karibia, tebu diolah menjadi falernum dan dipergunakan sebagai bahan campuran koktail. Di Indonesia tanaman tebu banyak dihasilkan di Pulau Jawa dan Sumatera. Tanaman ini hanya tumbuh di daerah beriklim tropis dan digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan gula (FAO, 2006). Tanaman tebu memiliki manfaat yang sangat banyak. Baik dari segi kesehatan, segi industri, segi konsumsi rumah tangga, segi transportasi, segi peternakan, dan segi industri rumah tangga (Wijayanti, 2008). Pada industri gula, proses ekstraksi cairan tebu yang diolah memiliki hasil samping berupa ampas tebu (bagasse).
Ampas tebu merupakan limbah padat hasil gilingan pabrik gula, diproduksi dalam jumlah 32% tebu, atau sekitar 10,5 juta ton per tahun atau per musim
2
giling se-Indonesia. Ampas tebu juga dapat dikatakan sebagai produk pendamping, karena ampas tebu sebagian besar dipakai langsung oleh pabrik gula sebagai bahan bakar ketel yaitu sekitar 10,2 juta ton per tahun (97,4 % produksi ampas). Sisanya (sekitar 0,3 juta ton per tahun) terhampar di lahan pabrik sehingga dapat menyebabkan polusi udara, pandangan dan bau yang tidak sedap di sekitar pabrik gula (Oktavia, 2011).
Limbah ampas tebu diperlukan pemanfaatan yang tepat agar dapat dihasilkan suatu produk yang bernilai jual tinggi dan dapat mengurangi pencemaran limbah padat terhadap lingkungan. Ampas tebu yang dihasilkan dari satu pabrik gula sekitar 35 - 40% dari berat tebu yang digiling. Untuk pabrik gula di Lampung berdasarkan hasil survey di PT. Gunung Plantations, Lampung, minimal ampas tebu yang dihasilkan dari industri gula mencapai 100 ton/tahun, dan diperkirakan untuk PT. Gula Putih Mataram dan PT. Indo Lampung juga memiliki kapasitas ampas tebu yang sama (Wyman, 1994). Hasil penelitian menunjukkan bahwa abu bagasse dari limbah pabrik gula dapat diolah menjadi silika (Hanafi dan Nandang, 2010). Ampas tebu mengandung air 48 - 52, gula 3,3 dan serat 47,7%. Abu ampas tebu memiliki kandungan silika yang tinggi yaitu sekitar 50-70%. Kandungan tersebut lebih tinggi dibandingkan dengan abu terbang (fly ash) (33,54%) (Paiton, 2002), namun tidak lebih tinggi dari sekam padi (94,40%) (Folleto, 2006). Karena pemanfaatan ampas tebu masih sedikit dan kandungan silika yang dihasilkan tinggi, sehingga pada penelitian ini digunakan ampas tebu sebagai sumber silika sebagai prekursor dalam sintesis zeolit selain alumina. Silika dari abu
3
ampas tebu bersifat amorf dan terbentuk dengan dikalsinasi pada suhu pengabuan 500-600 selama 4 jam (Hanafi dan Nandang, 2010).
Silika atau silikon dioksida (SiO2) adalah oksida dari silikon yang terdapat di alam dalam dua macam bentuk yaitu amorf dan kristallin. Kandungan silika dalam kulit bumi adalah sekitar 75% dari keseluruhan komponen pembentuk kulit bumi. Secara umum silika digunakan di berbagai industri (industri pasta gigi, perawatan kulit, dan pelapisan kertas) baik sebagai produk akhir maupun sebagai bahan penunjang proses industri (Affandi et al., 2009). Dalam bidang kimia, silika dapat digunakan sebagai adsorben untuk senyawasenyawa polar, desikan, pengisi kolom pada kromatografi, sebagai katalis (Hindryawati, dan Alimuddin, 2010; Mujiyanti et al., 2010) dan dapat digunakan sebagai dasar pembuatan zeolit sintesis (Halimaton, 1996; Ramli et al., 1996; dan Scherzer, 1990). Oleh karena itu, abu ampas tebu yang memiliki kandungan silika tinggi (sekitar 50-70%) dapat dimanfaatkan sebagai prekursor dalam sintesis zeolit (Moises et al., 2013). Zeolit berasal dari kata “zeinlithos” yang berarti batuan berbuih. Zeolit merupakan material kristalin yang tersusun atas unit struktur tetrahedral alumina [AlO4]- dan silika [SiO4] membentuk kerangka tiga dimensi berpori dengan ukuran pori mikro (< 2 nm). Zeolit merupakan suatu kelompok mineral yang dihasilkan dari proses hidrotermal pada batuan beku basa. Mineral ini biasanya dijumpai mengisi celah-celah ataupun rekahan dari batuan tersebut. Selain itu zeolit juga merupakan endapan dari aktivitas vulkanik yang banyak mengandung unsur silika. Pada saat ini penggunaan
4
mineral zeolit semakin meningkat, dari penggunaan dalam industri kecil hingga dalam industri berskala besar. Zeolit menjadi suatu material serba guna terkait dengan karakteristik yang dimilikinya. Zeolit telah diaplikasikan dalam berbagai bidang sebagai absorben, katalis, penukar ion, penyaring molekul serta aplikasi baru dalam bidang sensor kimia, elektronik, magnetik, dan kesehatan (Cejka et al., 2007).
Penelitian sebelumnya telah dilakukan sintesis zeolit dengan sumber silika alam yaitu dari abu bagasse, mensintesis zeolit Y dari silika ampas tebu menggunakan metode hidrotermal dengan suhu 100 oC selama 24 jam (Sang et al., 2005). Zeolit Y memiliki rumus oksidasi Na2O·Al2O3·2,5SiO2·6H2O dan memiliki rentang rasio molar 1-3 (Saputra, 2006). Selain daripada itu juga telah dilakukan sintesis zeolit analsim menggunakan abu ampas tebu (bagasse) sebagai sumber silika menggunakan metode hidrotermal. Analsim memiliki morfologi trapezohedral tidak teratur (irregular trapezohedral) yang tersusun atas cincin delapan, enam, dan empat (Aisyah, 2015). Zeolit Y maupun zeolit analsim memiliki rasio Si/Al rendah sehingga aplikasinya terbatas, oleh karena itu dibutuhkan zeolit dengan rasio Si/Al tinggi seperti ZSM-5 yang aplikasinya lebih luas.
ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) yaitu zeolit dengan rasio silika dan alumina yang tinggi (Si/Al 5-100) (Cejka et al., 2007) dan umum digunakan sebagai katalis dalam sintesis organik, pemurnian petroleum dan industri petrokimia. ZSM-5 memiliki rumus umum Nan(AlO2)n(SiO2)96-n.16 H2O. Sifat katalis zeolit ini timbul dari keasamannya sedangkan keunikan sistem porinya
5
menghasilkan katalis dengan karakter tertentu. Sejak penemuan zeolit ZSM5 dengan kandungan silika tinggi dan potensi pemanfaatannya dalam beberapa aplikasi, berbagai penelitian telah dilakukan untuk meningkatkan metode sintesis dan kualitas produk serta mengurangi biaya produksi pembuatan zeolit ZSM-5 (Petushkov et al., 2011).
Metode steam assisted conversion (SAC) yaitu metode kristalisasi bantuanuap. Teknik SAC melibatkan proses kristalisasi zeolit dalam fasa padat dengan bantuan air menggunakan prekursor berupa gel kering. Metode ini dapat digunakan sebagai metode alternatif untuk sintesis ZSM-5. Penelitian sebelumnya telah mensintesis zeolit ZSM-5 dari silika komersial yaitu LUDOX menggunakan metode SAC (Mita et al., 2016). Hal yang sama juga dilakukan oleh Cheng X et al. (2014) mensintesis zeolit Beta dengan bantuan benih dan menggunakan metoda SAC.
Silika dari abu bagasse memiliki banyak keuntungan, seperti banyaknya kandungan mineral-mineral yang berupa Si, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Cu, Zn dan P, sehingga berpotensi sebagai bahan baku pembuatan silika gel yang mempunyai nilai tambah yang lebih dengan memanfaatkan limbah padat yang dihasilkan oleh pabrik gula. Memiliki nilai ekonomis yang tinggi karena memanfaatkan limbah tebu yang sudah tidak terpakai (Miftakhul, 2012).
Berdasarkan uraian tersebut, dilakukan penelitian pemanfaatan abu bagasse sebagai sumber silika untuk sintesis zeolit menggunakan metode kristalisasi bantuan-uap (steam assisted conversion, SAC).
6
B. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini antara lain : 1. Mengekstraksi dan mengkarakterisasi silika dari ampas tebu (bagasse). 2. Mempelajari cara sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan metode steam assisted conversion (SAC) dengan sumber silika dari ampas tebu. 3. Mengkarakterisasi zeolit hasil sintesis.
C. Manfaat Penelitian
Manfaat dari dilakukannya penelitian ini adalah untuk memberikan informasi tentang pemanfaatan ampas tebu (bagasse) sebagai sumber silika untuk mensintesis zeolit menggunakan metode steam assisted conversion (SAC).
7
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Ampas Tebu (Sugarcane Bagasse/SCB)
Ampas tebu atau lazimnya disebut bagasse, merupakan limbah yang dihasilkan dari proses pemerahan atau ekstraksi batang tebu. Ampas tebu yang dihasilkan dari satu pabrik gula sekitar 35 - 40% dari berat tebu yang digiling. Hasil penelitian menunjukkan bahwa abu bagasse dari limbah pabrik gula dapat diolah menjadi silika. Bagasse mengandung air 48 – 52, gula 3,3 dan serat 47,7% (Hanafi & Nandang, 2010). Ampas tebu merupakan sumber daya alam yang mengandung SiO2 cukup tinggi (Azizah, 2012).
Gambar 1. Ampas Tebu
8
Ampas tebu berbentuk serat-serat pendek yang mengandung air dan sejumlah kecil padatan yang dapat larut (Gambar 1). Secara umum, ampas tebu memiliki ukuran panjang 1,2 mm (Hajiha et al., 2015).
Ampas tebu termasuk biomassa yang mengandung lignoselulosa sangat dimungkinkan untuk dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif seperti bioetanol atau biogas. Ampas tebu memiliki kandungan selulosa 52,7; hemiselulosa 20,0; dan lignin 24,2% (Samsuri et al., 2007). Dalam satu kali proses ekstraksi dihasilkan ampas tebu sekitar 35-40% dari berat tebu yang digiling secara keseluruhan. Dari sekian banyak ampas tebu yang dihasilkan, baru sekitar 50% yang sudah dimanfaatkan misalnya sebagai bahan bakar dalam proses dan transportasi tebu dari lahan pertanian ke tempat pemerahan (Birowo, 1992).
Limbah ampas tebu telah dimanfaatkan sebagai bahan penguat dalam material komposit karena berhubungan dengan sifat mekanik dan termal selain berbiaya rendah dan juga ramah lingkungan (green processes) (Loh et al., 2013). Selain itu, ampas tebu juga dimanfaatkan dalam memproduksi senyawa kimia seperti furfural atau hidroksimetil furfural (HMF), senyawa fenolik, dan bahan pembuat kertas (Ju et al., 2011). Secara tradisional ampas tebu digunakan sebagai bahan bakar pada tangki pemanas di pabrik gula. Namun karena rendahnya kalori yang dihasilkan, pemanfaatan ini menjadi tidak efisien. Sehingga biasanya dibutuhkan lahan kosong untuk pembuangan ampas tebu yang menyebabkan salah satu masalah penanganan dampak lingkungan (Verma et al., 2012).
9
B. Abu Ampas Tebu (Sugarcane bagasse ash/SCBA)
Abu ampas tebu (SCBA) merupakan hasil dari pembakaran ampas tebu pada produksi gula yang biasanya tidak terpakai dan dianggap sebagai limbah pabrik (waste product). Proses pembakaran ampas tebu itu sendiri berlangsung pada grate (pengapian) dan furnace (ruang pembakaran) dimana ampas tebu yang dijatuhkan dari corong ke grate. Di grate inilah akan terjadi timbunan ampas tebu yang menyerupai kerucut bahan bakar dan akan berlangsung 4 proses yakni proses pengeringan, pembentukan karbon, pembakaran, dan yang terakhir menjadi abu (abu ampas tebu) (Hernawati et al., 2010).
Abu pembakaran ampas tebu merupakan hasil perubahan secara kimiawi dari pembakaran ampas tebu murni yang memiliki kandungan senyawa silika (SiO2) cukup tinggi yaitu lebih dari 50% yang berpotensi untuk digunakan sebagai bahan baku pada pembuatan silika gel (Affandi et al., 2009). Silika dari ampas tebu (bagasse) lebih tinggi dibandingkan dengan abu terbang (fly ash), namun tidak lebih tinggi dari sekam padi. Kompisisi kandungan pada abu ampas tebu, sekam padi, dan abu terbang (fly ash) terdapat pada Tabel 1 sebagai berikut :
10
Tabel 1. Komposisi kadar abu ampas tebu, sekam padi, dan abu terbang (fly ash) (Folleto, 2006; Panturau dan Setyawan, 2006; Paiton, 2002) Komposisi SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O P2O3
sekam padi 94,40 0,61 0,03 0,83 1,21 1,06 1,50
% berat ampas tebu abu terbang 73,50 33,54 7,60 19,15 2,70 16,70 3,00 13,98 2,60 6,73 7,10 0,97 1,70 2,19
C. Silika
Silikon dioksida atau silika adalah salah satu senyawaan kimia yang paling umum. Silika murni terdapat dalam dua bentuk yaitu kuarsa dan kristobalit. Silikon selalu terikat secara tetrahedral kepada empat atom oksigen, namun ikatan-ikatannya mempunyai sifat yang cukup ionik. Dalam kristobalit, atom-atom silikon ditempatkan seperti halnya atom-atom karbon dalam intan dengan atom-atom oksigen berada ditengah dari setiap pasangan. Dalam kuarsa terdapat heliks sehingga terbentuk kristalenansiomorf. Kuarsa dan kristobalit dapat saling dipertukarkan apabila dipanaskan. Proses ini lambat karena dibutuhkan pemutusan dan pembentukan kembali ikatan-ikatan dan energi pengaktifannya tinggi. Silika relatif tidak reaktif terhadap Cl2, H2, asam-asam dan sebagian besar logam pada suhu 25oC atau pada suhu yang lebih tinggi, tetapi dapat diserang oleh F2, HF aqua, hidroksida alkali dan leburan-leburan karbonat (Cotton, 1989).
Silika banyak terdapat pada tumbuhan sebagai diatom dan pada hewan sebagai radiolaria. Silika yang terakumulasi di dalam makhluk hidup, baik
11
hewan atau tumbuhan memiliki bentuk amorf, berbeda dengan silika yang tidak berasal dari makhluk hidup seperti batuan dan debu yang memiliki struktur silika kristalin. Silikat sendiri merupakan bentuk mineral dari silika atau dengan kata lain senyawa silika yang bereaksi dengan unsur lain. Dari ikatan bangunnya dapat dibedakan menjadi nesosilikat/silikat pulau tunggal (tetrahedron), sorosilikat/silikat pulau ganda (dua ujung tetrahedron yang bertumpuk), cyclosilikat/silikatcincin, inosilikat/silikat rantai tunggal dan rantai ganda, phyllosilikat/silikat lembaran, dan tectosilikat/silikat bingkai (Jones, 2000). Biasanya bentuk ikatannya adalah tetrahedron dan yang diikat adalah natrium, potassium, kalsium, magnesium, besi, dan aluminium.
D. Ekstraksi Silika dari Ampas Tebu
Untuk memproduksi silika dari biomassa dapat dilakukan dengan proses leaching secara kimia dan proses pembakaran untuk menghilangkan karbon (Atta et al., 2012). Leaching adalah peristiwa pelarutan terarah dari satu atau lebih senyawa dari suatu campuran padatan dengan cara mengontakkan dengan pelarut cair. Pelarut akan melarutkan sebagian bahan padatan sehingga bahan terlarut yang diinginkan dapat diperoleh. Metode ini memiliki 3 variabel penting, yaitu temperatur, area kontak dan jenis pelarut (Firdaus, 2012). Beberapa peneliti telah banyak melakukan penelitian tentang ekstraksi silika dengan proses ekstraksi dengan pelarut alkali dan pengendapan silika dengan asam. Pada tahun 2000, Kalapathy mengekstrak silika dari sekam padi menggunakan NaOH 1 N dengan metode ekstraksi dua siklus dan menghasilkan kandungan silika sekitar 80%. Metode pembakaran
12
dan tanpa pembakaran merupakan metode untuk mendapatkan silika murni dari suatu biomassa. Reaksi yang terjadi yaitu: SiO2(s) + NaOH(aq) → Na2SiO3(aq) + H2O(l) (Moises et al., 2013).
1. Metode Pembakaran (Thermal) Untuk memperoleh silika dari ampas tebu didahului dengan proses pembakaran (Atta et al., 2012). Pembakaran bertujuan mengubah senyawa organik berupa selulosa, hemiselulosa, dan lignin dalam ampas tebu menjadi karbon yang kemudian dapat dipisahkan melalui penyaringan. Penghilangan senyawa organik dalam ampas tebu memudahkan proses ekstraksi sehingga didapatkan silika dengan kemurnian yang tinggi (Candra et al., 2012). 2. Metode Tanpa Pembakaran (Non-thermal) Proses non-thermal menggunakan asam dapat dilakukan sebagai perlakuan awal ampas tebu yang akan sangat membantu menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi. Menurut Chakraverty (1988), zat-zat inorganik pengotor dalam sekam padi seperti mineral-mineral dalam jumlah yang sedikit dapat dihilangkan melalui perlakuan dengan asam menggunakan H2SO4, HCl, atau HNO3. Senyawa-senyawa inorganik ini harus dihilangkan sebelum pembakaran dilakukan karena dapat menghambat pembentukan silika yang memiliki struktur amorf (Umeda, 2008). Selain senyawa anorganik, perlakuan dengan asam juga dapat menghilangkan senyawasenyawa organik seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Melalui hidrolisis terjadi pemecahan ikatan kimia polisakarida. Namun demikian, metode nonthermal jarang digunakan karena proses penghilangan pengotor
13
berlangsung relatif lama, oksidator asam dapat menyebabkan korosi, butuh perlakuan khusus untuk pembuangan limbah sehingga membutuhkan biaya yang cukup tinggi (Candra et al., 2012). Untuk menghindari hal tersebut, penggunaan asam organik, seperti asam sitrat yang lebih ramah lingkungan, tidak berbahaya bagi manusia, dan lebih ekonomis mulai dikaji (Umeda, 2008).
E. Zeolit
Zeolit adalah mineral kristal alumina silikat berpori terhidrat yang mempunyai struktur kerangka tiga dimensi terbentuk dari tetrahedral [SiO4]4dan [AlO4]5-. Kedua tetrahedral di atas dihubungkan oleh atom-atom oksigen, menghasilkan struktur tiga dimensi terbuka dan berongga yang didalamnya diisi oleh atom-atom logam biasanya logam-logam alkali atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas (Breck, 1974; Chetam, 1992; Scot et al., 1993). Umumnya, struktur zeolit adalah suatu polimer anorganik berbentuk tetrahedral unit TO4, dimana T adalah ion Si4+ atau Al3+ dengan atom O berada diantara dua atom T, seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Struktur kimia zeolit
14
Struktur zeolit memiliki rumus umum Mx/n [(AlO2)x(SiO2)y].wH2O, dimana M adalah kation alkali atau alkali tanah, n adalah jumlah valensi kation, w adalah banyaknya molekul air per satuan unit sel, x dan y adalah angka total tetrahedral per satuan unit sel, dan nisbah y/x biasanya bernilai 1 sampai 5, meskipun ditemukan juga zeolit dengan nisbah y/x antara 10 sampai 100 (Bekkum, 1991). Dikenal dua jenis zeolit, yakni zeolit alam dan zeolit sintetis.
1. Zeolit Alam Zeolit alam terbentuk karena adanya proses kimia dan fisika yang kompleks dari batuan-batuan yang mengalami berbagai macam perubahan di alam. Para ahli geokimia dan mineralogi memperkirakan bahwa zeolit merupakan produk gunung berapi yang membeku menjadi batuan vulkanik, batuan sedimen dan batuan metamorfosa yang selanjutnya mengalami proses pelapukan karena pengaruh panas dan dingin (Lestari, 2010). Sebagai produk alam, zeolit alam diketahui memiliki komposisi yang sangat bervariasi, namun komponen utamanya adalah silika dan alumina. Di samping komponen utama ini, zeolit juga mengandung berbagai unsur minor, antara lain Na, K, Ca (Bogdanov et al., 2009), Mg, dan Fe (Akimkhan, 2012). Berikut merupakan contoh zeolit alam (Tabel 2).
15
Tabel 2. Contoh zeolit alam (Subagyo, 1993). No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Zeolit Alam Analsim Kabasit Klinoptilotit Erionit Ferrierit Heulandit Laumonit Mordenit Filipsit Natrolit Wairakit
Komposisi Na16(Al16Si32O96)·16H2O (Na2,Ca)6(Al12Si24O72)·40H2O (Na4K4)(Al8Si40O96)·24H2O (Na,Ca5K)(Al9Si27O72)·27H2O (Na2Mg2)(Al6Si30O72)·18H2O Ca4(Al8Si28O72)·24H2O Ca(Al8Si16O48)·16H2O Na8(Al8Si40O96)·24H2O (Na,K)10(Al10Si22O64)·20H2O Na4(Al4Si6O20)·4H2O Ca(Al2Si4O12)·12H2O
2. Zeolit Sintetik Zeolit sintetik adalah zeolit yang dibuat secara rekayasa yang sedemikian rupa sehingga didapatkan karakter yang lebih baik dari zeolit alam. Prinsip dasar produksi zeolit sintetik adalah komponennya yang terdiri dari silika dan alumina, sehingga dapat disintesis dari berbagai bahan baku yang mengandung kedua komponen di atas. Komponen minor dalam zeolit juga dapat ditambahkan dengan mudah menggunakan senyawa murni, sehingga zeolit sintetik memiliki komposisi yang tetap dengan tingkat kemurnian yang tinggi (Georgiev et al., 2009). Zeolit sintetik dapat dibedakan berdasarkan jumlah silikonnya diantaranya zeolit dengan kadar silikon tinggi bersifat higroskopis sehingga baik sebagai katalisator asam hidrokarbon seperti ZSM11, ZSM-21 dan ZSM-5 (Saputra, 2006). Dengan perkembangan penelitian, dewasa ini telah dikenal beragam zeolit sintetik, dan beberapa diantaranya disajikan dalam Tabel 3.
16
Tabel 3. Rumus oksida beberapa jenis zeolit sintetik (Georgiev et al., 2009). Zeolit Zeolit A Zeolit N-A Zeolit H Zeolit L Zeolit X Zeolit Y Zeolit P Zeolit O Zeolit Zeolit ZK-4 Zeolit ZK-5
Rumus Oksida Na2O·Al2O3·2SiO2·4,5H2O (Na,TMA)2O·Al2O3·4,8SiO2·7H2O TMA – (CH3)4N+ K2O·Al2O3·2SiO2·4H2O (K2Na2)O·Al2O3·6SiO2·5H2O Na2O·Al2O3·2,5SiO2·6H2O Na2O·Al2O3·4,8SiO2·8,9H2O Na2O·Al2O3·2-5SiO2·5H2O (Na,TMA)2O·Al2O3·7SiO2·3,5H2O TMA – (CH3)4N+ (Na,TMA)2O·Al2O3·7SiO2·5H2O TMA – (CH3)4N+ 0,85Na2O·0,15(TMA)2O· Al2O3·3,3SiO2·6H2O (R,Na2)O·Al2O3·4-6SiO2·6H2O
F. Sintesis Zeolit
Zeolit dapat terbentuk dialam secara alami dan ditambang secara global namun juga dapat disintesis dalam skala laboratorium. Dalam mensintesis zeolit dapat menggunakan berbagai metode seperti metode hidrotermal maupun non-hidrotermal. Metode hidrotermal biasanya terjadi dalam pelarut air dengan kondisi suhu dan tekanan yang tinggi (>100 °C, >1 bar). Metoda hidrotermal telah banyak dikembangkan tidak hanya untuk sintesis material berpori seperti zeolit tetapi juga untuk material anorganik penting seperti superionik konduktor, sensor kimia, keramik oksida kompleks, dan material magnetik (Cejka et al., 2007). Alat sintesis hidrotermal dapat dilihat pada Gambar 3 berikut:
17
Gambar 3. Autoklaf (alat sintesis secara hidrotermal)
Metoda hidrotermal sebelumnya telah diterapkan dalam sintesis zeolit analsim diantaranya penelitian yang dilakukan oleh Ghobakar et al., (1999) mengidentifikasi efek temperatur sintesis terhadap bentuk kristal zeolit analsim dengan waktu reaksi yang cukup panjang yaitu selama enam minggu secara hidrotermal (Ghobakar, et al.,1999).
Metode steam assisted conversion (SAC) yaitu metode kristalisasi dalam fasa padat dengan bantuan uap air (Mita et al., 2016). Metode SAC telah menerima banyak perhatian tidak hanya karena kebutuhan template yang sedikit organik tetapi juga metode ini dapat digunakan untuk mempersiapkan membran zeolit dengan berbagai struktur topologi, seperti MFI dan MOR (Nishiyama et al., 1998).
Menurut Cejka et al. (2007), ada beberapa faktor yang mempengaruhi proses pembentukan kristal dalam sintesiszeolit, diantaranya: 1. Komposisi molar pereaksi Komposisi molar campuran pereaksi memberikan peranan penting terhadap
18
kristalisasi zeolit. Hal-hal yang berkaitan dengan komposisi molar pereaksi adalah sumber prekursor, rasio Si/Al, alkalinitas (kebasaan), jumlah H2O, kation anorganik, dan template organik. 2. Sumber Si dan Al Sumber silika yang biasa digunakan dalam sintesis zeolit diantaranya; silika koloid (LUDOX), tetraetil orto silikat (TEOS), Cab-O-Sil (fumed silica), tetrametil orto silikat (TMOS), dan natrium silikat (Na2SiO3). Karakteristik suatu polisilikat akan berbeda dengan sumber silika yang lain. Karakteristik ini memainkan peran penting dalam proses nukleasi dan kristalisasi zeolit. Perbedaan luas permukaan dari sumber silikon akan memberikan efek terhadap laju pengkristalan, ukuran kristal, dan distribusi ukuran partikel terhadap zeolit hasil sintesis. Silika dengan luas permukaan yang besar sangat mudah larut dalam medium basa dibandingkan dengan silika yang luas permukaannya kecil. Silika jenis ini lebih mudah membentuk kristal dengan ukuran yang lebih kecil sedangkan kristal dengan luas permukaan kecil dan kelarutan rendah lebih cenderung membentuk kristal besar. Selain sumber silika, sumber alumina juga memberikan pengaruh besar terhadap laju pengkristalan zeolit. Sumber alumina yang biasa digunakan antara lain: natrium alumina (NaAlO2), aluminium hidroksida (NaOH), pseudo-boehmite (AlO(OH)), aluminium isopropoksida (C9H21AlO3), aluminium nitrat (Al(NO3)3), aluminium sulfat (Al2(SO4)2), atau logam aluminium (bubuk Al atau foil). 3. Rasio Si/Al Rasio Si/Al berperan dalam menentukan struktur dan komposisi dari kristal
19
produk. Secara umum, zeolit dengan perbandingan Si/Al yang rendah (Si/Al ≤ 5) seperti zeolit A (LTU), X (FAU), dan hidroksisodalit (SOD) disintesis dengan campuran reaksi Si/Al rendah dan alkali kuat. Sementara itu, zeolit dengan rasio Si/Al tinggi (Si/Al > 5) seperti zeolit beta (BEA), ZSM-11 (MEL), dan ZSM-5 (MFI) dipreparasi dari gel dengan rasio Si/Al tinggi dan tingkat kebasaan yang rendah atau dalam medium F. 4. Alkalinitas (kebasaan) Alkalinitas memberikan kontribusi terhadap rasio OH-/Si atau rasio H2O/Na2O. Sifat alkali yang tinggi meningkatkan kelarutan silika dan alumina serta mempercepat polimerisasi dari ion polisilikat dan aluminat. Proses induksi, nukleasi, dan kristalisasi dapat dipercepat dengan meningkatkan alkalinitas. Disamping itu, tingkat kebasaan juga dapat mempengaruhi ukuran partikel dan morfologi zeolit. 5. Jumlah H2O Dalam sintesis zeolit secara hidrotermal, air berperan sebagai pelarut. Jumlah air dalam suatu campuran reaksi akan mempengaruhi konsentrasi dari reaktan sehingga berpengaruh juga kepada proses kristalisasi zeolit. Dengan demikian mengubah jumlah air akan mengubah laju kristalisasi zeolit. 6. Kation anorganik Kation anorganik berasal dari basa hidroksida logam alkali (MOH) sebagai sumber basa dalam sintesis zeolit. Basa logam alkali yang biasa digunakan adalah natrium hidroksida (NaOH) dan kalium hidroksida (KOH). Perbedaan kation anorganik akan mempengaruhi pembentukan unit kerangka penyusun zeolit yang tentunya juga akan mempengaruhi jenis zeolit yang dihasilkan.
20
Beberapa zeolit seperti: ANA, CAN, FAU (X danY), MOR, LTA, dan SOD terbentuk dengan kehadiran ion Na+ sebagai kation anorganik. Sedangkan zeolit NAT, PAU, OFF, dan PHI terbentuk dengan adanya kation K+. Hal ini dikarenakan kation anorganik juga berperan sebagai agen pengarah struktur. 7. Cetakan (template) organik Kation organik dapat berperan sebagai pengisi ronggga kosong yang mengarahkan pembentukan struktur spesifik zeolit (structure directing agent/SDA). Antara kerangka zeolit dengan SDA terjadi interaksi karena adanya gaya Van der Waals. Dengan demikian, hidrofobisitas dan hidrofilisitas ion organik yang berperan sebagai SDA, sangat berpengaruh terhadap rasio Si/Al dalam sintesis zeolit.
G. Zeolit ZSM-5
ZSM-5 (Zeolite Secony Mobile-5) adalah salah satu jenis zeolit yang banyak digunakan. ZSM-5 merupakan zeolit yang memiliki rasio Si/Al tinggi (Si/Al 5-100) (Cejka et al., 2007) (dengan bentuk framework MFI dan rumus umum Nan(AlO2)n(SiO2)96-n·16H2O. ZSM-5 merupakan material yang seluruh strukturnya mempunyai struktur pori dua dimensi yang menyilang. ZSM-5 mempunyai dua jenis pori, keduanya dibentuk oleh oksigen cincin enam. Jenis pori yang pertama berbentuk lurus dan elips. Jenis pori yang kedua porinya lurus pada sudut kanan, polanya zig-zag dan melingkar. ZSM-5 merupakan salah satu zeolit dengan kerangka tipe MFI, memiliki diameter pori 0,54. Zeolit ini biasa disintesis dengan menggunakan kation Na+ sebagai ion penyeimbang kerangka yang bermuatan negatif. Ion Na+ dapat ditukar dengan
21
kation lain yang dapat memasuki pori dalam modifikasi zeolit (Petushkov et al., 2011). Data mengenai zeolit ZSM-5 yang diambil dari International Zeolite Association (IZA) ditampilkan pada Tabel 4.
Tabel 4. Data zeolit tipe ZSM-5 Rumus Kimia
[Na+n (H2O)16] [AlnSi96-n O192]- MFI, n<27
Parameter Sel
a=20,07 Å;
b=19,92 Å;
c=13,42 Å
α= 90.0o;
β=90.0o;
γ =90.0o
Massa Jenis Kerangka
17,9 T/1000 Å 3
Saluran Sistem
{[100] 10 5,1 x 5,5 <-> [010] 10 5,3 x 5,6}⃰ ⃰ ⃰ (3-dimensional)
Zeolit ZSM-5 memiliki difraktogram (pola difraksi sinar X) standar yang digunakan sebagai sidik jari atau identifikasi. Zeolit ZSM-5 ini memiliki puncak-puncak karakteristik yaitu pada 2θ = 7.96, 8.86, 9.08, 23.16, 23.30, dan 23.98° yang merupakan puncak khas dari zeolit ZSM-5. Berikut ini difraktogram standar ZSM-5 berdasarkan International Zeolite Association (IZA) :
Intensitas (a.u.)
22
2θ (o) Gambar 4. Difraktogram standar zeolit ZSM-5 (Anonim, 2016).
Berdasarkan data SEM yang diperoleh, morfologi kristal ZSM-5 berbentuk segi enam, yang dapat dilihat pada Gambar 5 :
Gambar 5. SEM dari zeolit ZSM-5 (Anonim, 2017).
H. Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
FTIR adalah kependekan dari Fourier Transform Infra-Red, yaitu metode analisis material dengan menggunakan spektroskopi sinar infra merah. FTIR merupakan alat yang dipergunakan untuk menganalisis secara kuantitatif
23
maupun kualitatif, untuk kuantitatif adalah berdasarkan gugus fungsi yang ada dengan menggunakan standar. Pada umumnya sampel yang dianalisis dapat berupa padatan, cairan dan gas, masing-masing mempergunakan sel yang berbeda-beda (Stevens, 2011). Beberapa spektrum sampel yang dapat dianalisis menggunakan FTIR adalah organik, aromatik, alifatik dan karbonil. Pada prinsipnya FTIR/IR digunakan untuk menentukan gugus-gugus fungsional yang ada pada suatu senyawa, sehingga dapat digunakan untuk menentukan suatu senyawa yang belum diketahui identitasnya (Fessenden, 1999).
Sinar infra merah memiliki rentang panjang gelombang dari 2.5 - 25 m. Adapun frekuensi sinar infra merah memiliki rentang dari 400 - 4000 cm-1. Pengujian FTIR memiliki 3 fungsi, yaitu (1) untuk mengidentifikasi material yang belum diketahui, (2) untuk menentukan kualitas sampel, dan (3) untuk menentukan intensitas suatu komponen dalam sebuah campuran. FTIR menghasilkan data berupa grafik intensitas dan frekuensi. Intensitas menunjukkan tingkatan jumlah senyawa sedangkan frekuensi menunjukkan jenis senyawa yang terdapat dalam sebuah sampel (Alfaruqi, 2008).
Beberapa penelitian yang menggunakan FTIR telah dilakukan, diantaranya mengamati gugus fungsional pada silika yang diperoleh dari sekam padi. Hasil yang diperoleh menunjukan bahwa puncak utama yang berkaitan dengan gugus fungsi pada silika adalah pada bilangan gelombang 3444,6 cm-1 yang merupakan gugus –OH (gugus hidroksil) yang menunjukkan adanya gugus hidroksil dari molekul air yang terhidrasi (Daifullah, 2004). Selain itu
24
puncak bilangan gelombang 1095,5 cm-1 menunjukkan adanya gugus fungsi Si-O-Si (Adam et al., 2006). Adanya gugus fungsi Si-O-Si diperkuat dengan adanya puncak bilangan gelombang 470,6 cm-1 yaitu ikatan Si-O (Lin, 2001).
I.
X-Ray Fluoresence (XRF)
XRF merupakan instrumen yang digunakan untuk menganalisis komposisi kimia beserta konsentrasi unsur-unsur yang terkandung dalam suatu sampel dengan menggunakan metode spektrometri. XRF biasanya digunakan untuk menganalisa elemen dengan kemampuan yang unik, antara lain dapat menentukan elemen utama dengan akurasi yang tinggi dan analisis kualitatif terhadap sampel dilakukan tanpa menggunakan standar serta minimalnya preparasi terhadap sampel. Limit deteksi untuk mendeteksi elemen berat sekitar 10 – 100 ppm, sedangkan untuk elemen yang lebih ringan daripada natrium sangat sulit bahkan tidak mungkin terdeteksi (Aurelia, 2005).
Prinsip kerja XRF adalah foton yang memiliki energi tinggi (X-rays) menembak elektron pada kulit dalam (biasanya kulit K atau L) yang menyebabkan elektron tersebut berpindah ke lapisan kulit luarnya. Pada saat yang bersamaan, kulit dalam terjadi kekosongan elektron dan menyebabkan keadaan yang tidak stabil sehingga elektron dari kulit di atasnya berpindah mengisi kekosongan dengan mengemisikan sinar (fluorescence), dengan energi sebesar perbedaan energi dari kedua keadaan dan panjang gelombang yang sesuai dengan karakteristik dari tiap elemen. Intensitas sinar yang diemisikan sebanding dengan konsentrasi dari tiap elemen (Aurelia, 2005). Hal ini dapat dilihat pada Gambar 6.
25
Gambar 6. Prinsip XRF (Fansuri, 2010)
J.
X-Ray Diffraction (XRD)
Dasar dari prinsip pendifraksian sinar X yaitu difraksi sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan difraksi sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg: n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,... dimana: d = jarak antar bidang kisi (Ǻ) θ = sudut difraksi λ = panjang gelombang (Å) n = orde (1,2,3……n)
Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki
26
panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinarX untuk hampir semua jenis material (Smallman, 2000).
Gambar 7. Skematik dasar perhitungan Bragg.
Prinsip kerja XRD secara umum yaitu XRD terdiri dari tiga bagian utama, yaitu tabung sinar-X, tempat objek yang diteliti, dan detektor sinar-X. SinarX dihasilkan di tabung sinar-X yang berisi katoda untuk memanaskan filamen, sehingga menghasilkan elektron. Perbedaan tegangan menyebabkan percepatan elektron akan menembaki objek. Ketika elektron mempunyai tingkat energi yang tinggi dan menabrak elektron dalam objek sehingga dihasilkan pancaran sinar-X. Objek dan detektor berputar untuk menangkap
27
dan merekam intensitas refleksi sinar-X. Detektor merekam dan memproses sinyal sinar-X dan mengolahnya dalam bentuk grafik (Smallman, 2000). Sinar-X memiliki beberapa kegunaan dalam berbagai bidang antara lain: 1. Perobatan Sinar-X lembut digunakan untuk mengambil gambar foto yang dikenal sebagai radiograf. Sinar-X boleh menembusi badan manusia tetapi diserap oleh bagian yang lebih tumpat seperti tulang. Gambar foto sinar-X digunakan untuk menscan kecacatan tulang, menscan tulang yang patah dan menyiasat keadaan organ-organ dalam tubuh, sedangkan sinar-X keras digunakan untuk memusnahkan sel-sel kanker. Istilah ini dikenal sebagai radioterapi. 2. Perindustrian dalam bidang perindustrian, sinar-X dapat digunakan untuk: a. Menscan kecacatan dalam struktur binaan atau bagian-bagian dalam mesin. b. Menyelidiki struktur hablur dan jarak pemisahan antara atom-atom dalam suatu bahan hablur. c. Memeriksa retakan dalam struktur plastik dan getah (Smallman, 2000).
K. Scanning Electron Microscopy (SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) dapat digunakan untuk mengetahui morfologi permukaan bahan. Karakterisasi bahan menggunakan SEM dimanfaatkan untuk melihat struktur topografi permukaan, ukuran butiran, cacat struktural, dan komposisi pencemaran suatu bahan. Hasil yang diperoleh dari karakterisasi ini dapat dilihat secara langsung pada hasil SEM berupa scanning electron micrograp yang menyajikan bentuk tiga dimensi
28
berupa gambar atau foto. Mikroskop ini digunakan untuk mempelajari struktur permukaan obyek, yang secara umum diperbesar antara 1.000-40.000 kali. Hasil SEM yang berupa gambar topografi menyajikan bentuk permukaan bahan dengan berbagai lekukan dan tonjolan.
Prinsip kerja dari alat ini adalah sumber elektron dari filamen yang terbuat dari tungsten memancarkan berkas elektron. Jika elektron tersebut berinteraksi dengan bahan (spesimen) maka akan menghasilkan elektron sekunder dan sinar-X karakteristik. Scanning pada permukaan bahan yang dikehendaki dapat dilakukan dengan mengatur scanning generator dan scanning coils. Elektron sekunder hasil interaksi antara elektron dengan permukaan spesimen ditangkap oleh detektor SE (secondary slectron) yang kemudian diolah dan diperkuat oleh amplifier dan kemudian divisualisasikan dalam monitor sinar katoda (CRT). Skema dasar SEM disajikan pada Gambar 8.
29
Gambar 8. Skema dasar SEM (Smallman, 2000).
30
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan selama ± 5 bulan (Januari 2017 sampai Mei 2017) di Laboratorium Kimia Anorganik dan Fisik FMIPA Universitas Lampung. Karakterisasi sampel menggunakan X-Ray Fluoresence (XRF) dilakukan di Laboratorium Instrumen Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Padang, Spektrofotometer Fourier Transform Infra Red (FTIR) dilakukan di Laboratorium Terpadu Universitas Islam Indonesia Yogyakarta, X-Ray Diffraction (XRD) dilakukan di Pusat Sains dan Teknologi Bahan Maju (PSTBM)-BATAN dan Scanning Electron Microscope (SEM) di UPT-LTSIT Fakultas MIPA Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini diantaranya pipet tetes, kaca arloji, cawan penguap, wadah plastik (polipropilen), botol yang terbuat dari teflon, neraca analitik, oven, gelas kimia, gelas ukur, spatula, corong kaca, hotplate stirrer, erlenmeyer, tanur, spinbar, batang pengaduk, labu ukur, seperangkat autoklaf, mortal dan alu.
31
Bahan-bahan yang diperlukan dalam proses ekstraksi silika antara lain ampas tebu, larutan natrium hidroksida (NaOH 2 M), larutan asam klorida (HCl 1 M), akuades, kertas saring biasa, kertas saring Whatman no.42, dan indikator universal. Adapun bahan-bahan yang diperlukan dalam mensintesis zeolit diantaranya silika dari ampas tebu, LUDOX, NaAlO2, natrium hidroksida (NaOH 50% (w/w)), H2O (akuades), tetrapropilamonium bromida (TPA-Br), kertas saring Whatman no.42, oil bath dan akuades.
C. Prosedur Kerja
1. Ekstraksi Silika dari Abu Ampas Tebu
Untuk mendapatkan silika dari abu ampas tebu maka terlebih dahulu dilakukan proses pembakaran ampas tebu. Ampas tebu yang sebelumnya dicuci dengan asam sitrat 5% sebanyak 250 mL sambil diaduk dan dipanaskan sampai mendidih (kurang lebih selama 1 jam). Selanjutnya dikeringkan dengan oven suhu 100 °C kemudian ditanur pada suhu 600 °C selama ±5 menit. Sebanyak 5 gram abu ampas tebu dengan 125 mL larutan NaOH 2 M sambil diaduk dan dipanaskan sampai mendidih (kurang lebih selama 1 jam). Selanjutnya campuran dibiarkan mencapai suhu kamar selama 24 jam untuk memaksimalkan proses pengekstraksian. Kemudian disaring menggunakan kertas Whatman no.42 sehingga diperoleh filtrat yang berwarna kecoklatan. Filtrat kemudian ditambahkan larutan HCl 1 M tetes demi tetes sehingga terbentuk hidrogel sampai dengan pH 6. Hidrogel kemudian dibiarkan 24 jam untuk memaksimalkan pembentukan gel. Gel kemudian disaring dan dicuci dengan akuades dan selanjutnya dikeringkan
32
dengan oven pada suhu 90 °C selama 24 jam. Silika yang didapatkan selanjutnya dikarakterisasi dan dijadikan prekursor untuk sintesis zeolit menggunakan metode steam assisted conversion (SAC).
2. Karakterisasi Silika
Silika yang diperoleh dari proses ekstraksi dikarakterisasi menggunakan XRay Fluoresence (XRF, PAN analytical Epsilon 3) untuk mengetahui komposisi senyawa yang dihasilkan dari proses ekstraksi. Analisis Spektrofotometer Fourier Transform Infra Red (FTIR) untuk mengetahui gugus fungsi penyusun kerangka silika. Analisis X-Ray Diffraction (XRD, PAN analytical X’Pert PRO, Cu Kα, λ = 1,5406 Å) juga dilakukan untuk menetukan fasa dari silika hasil ekstraksi serta menetukan tingkat kristalinitas.
3. Sintesis Zeolit
a. Sintesis Benih Zeolit ZSM-5
Pada sintesis benih zeolit ZSM-5 digunakan sumber silika komersial yaitu LUDOX dan sumber alumina yaitu NaAlO2. Zeolit ZSM-5 ini disintesis dengan perbandingan molar pereaksi 1 SiO2: 0,020 NaAlO2: 0,069 NaOH: 0,084 TPA-Br: 7,670 H2O. Secara rinci komposisi molar dari masing-masing pereaksi dapat dilihat pada Tabel 5 dibawah ini:
33
Tabel 5. Komposisi molar pereaksi untuk sintesis benih zeolit ZSM-5 Komposisi
SiO2 NaOH
Molar MW (g/mol) ρ (g/mL) W (g)
1 60 60
0,06 40 2,76
H2 O
NaAlO2 TPA-Br
7,67 18 138,06
0,02 81,97 1,64
0,08 266,26 22,36
Kemudian disiapkan komposisi campuran seperti pada Tabel 6, diaduk dengan pengaduk magnetik selama 30 menit dan setelah tercampur semua dipindahkan ke dalam teflon autoklaf untuk disintesis secara hidrotermal dengan suhu 170 °C selama 72 jam. Selanjutmya crude product disaring dan dicuci dengan akuades. Padatan hasil sintesis dikeringkan dengan oven pada suhu 90 °C.
Tabel 6. Perhitungan komposisi molar peraksi untuk sintesis benih zeolit ZSM-5
Bahan ) SiO2 (dari LUDOX) NaAlO2 NaOH 50% (w/w) TPA-Br H2O dari NaOH H2O ditambahkan
Ρ Kemurnian MW (g/mL (%) (g/mol)
Massa (g)
Massa untuk 1 autoklaf (g)*
-
50
60,08
120,06
18,68
-
100
81,97
1,64
0,25
1,515
50
40
8,363
1,30
-
99 -
266,26 18 18
22,59 5,60 72,30
3,51 11,24
*massa yang dihitung merupakan massa untuk 1 teflon ukuran 25 mL
b. Sintesis Zeolit ZSM-5 menggunakan Silika Ampas Tebu
Sintesis zeolit menggunakan metode steam assisted conversion (SAC). Zeolit disintesis dengan perbandingan molar pereaksi 1 SiO2: 0,108 Al2O3:
34
0,229 NaOH: 0,240 TPA-Br: 30,00 H2O. Secara rinci komposisi molar dari masing-masing pereaksi dapat dilihat pada Tabel 7.
Tabel 7. Komposisi molar pereaksi untuk sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan silika ampas tebu Komposisi Molar MW (g/mol)
SiO2 1,00
NaOH
H2 O
TPA-Br
0,10
0,22
30,00
0,24
60,00 102,00
40,00
18,00
266,26
-
-
-
9,16 540,00
63,90
ρ (g/mL) W (g)
Al2O3
-
-
60,00
11,01
Tabel 8. Perhitungan komposisi molar peraksi untuk sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan silika ampas tebu
Bahan SiO2 (dari SCBA) Al2O3(dari SCBA) NaOH 50% (w/v)
Massa untuk ρ Kemurnian MW Massa 1 autoklaf (g/mL) (%) (g/mol) (g) (g)* 70,26 60,00 85,40 2,13 12,89 102,00 1,51
50,00
40,00
18,34
0,45
TPA-Br
-
100,00
266,26
63,90
1,59
H2O dari NaOH
-
-
18,00
9,17
-
H2O ditambahkan
-
-
18,00 530,83
13,27
*massa yang dihitung merupakan massa untuk 1 teflon ukuran 25 mL.
Komposisi campuran pada Tabel 8 dimasukkan ke dalam wadah plastik (botol polipropilen) kemudian wadah tersebut dimasukkan ke dalam panci yang berisi oil bath, dipanaskan sambil diaduk selama 30 menit sambil ditutup agar homogen. Kemudian dibuka penutupnya agar menguap. Suhu yang digunakan yaitu 60 oC selama 2 hari atau sampai diperoleh gel kering (dry gel). Selanjutnya tahap sintesis zeolit dilakukan dengan memasukkan 0,5 gram gel kering ke dalam botol kecil (teflon). Botol
35
tersebut kemudian dimasukkan ke dalam autoklaf yang sudah diisi air sebanyak 10 ml. Kemudian disintesis zeolit menggunakan metode SAC dengan beberapa variasi sebagai berikut: 1. Sintesis zeolit dengan variasi suhu Zeolit disintesis dengan suhu 150 dan 170 °C selama 48 jam. Selanjutmya crude product disaring dan dicuci dengan akuades. Padatan hasil sintesis dikeringkan dengan oven pada suhu 90 °C. 2. Sintesis zeolit dengan variasi waktu Zeolit disintesis dengan suhu 170 °C dengan menggunakan benih zeolit ZSM-5 selama 48 jam dan 120 jam. Selanjutmya crude product disaring dan dicuci dengan akuades. Padatan hasil sintesis dikeringkan dengan oven pada suhu 90 °C. 3. Sintesis zeolit dengan variasi benih Benih zeolit ZSM-5 sebanyak 5% atau 0,11 gram dimasukkan ke dalam wadah plastik (polipropilen) dengan campuran prekursor yang selanjutnya diuapkan untuk membuat gel kering. Kemudian disintesis dengan suhu 170 °C selama 120 jam. Selanjutmya crude product disaring dan dicuci dengan akuades. Padatan hasil sintesis dikeringkan dengan oven pada suhu 90 °C. 4. Sintesis zeolit dengan variasi TPA-Br Zeolit disintesis dengan suhu 170 °C dengan menggunakan benih zeolit ZSM-5 namun tanpa penambahan TPA-Br selama 120 jam. Selanjutmya crude product disaring dan dicuci dengan akuades. Padatan hasil sintesis dikeringkan dengan oven pada suhu 90 °C.
36
4. Karakterisasi Zeolit
Zeolit hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengkonfirmasi kristal hasil sintesis. X-Ray Fluoresence (XRF, PAN analytical Epsilon 3) untuk mengetahui komposisi senyawa yang dihasilkan dari proses sintesis. Dan Scanning Electron Microscope (SEM) digunakan untuk melihat morfologi kristal zeolit hasil sintesis.
61
IV. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Ekstraksi silika dari ampas tebu berhasil dilakukan dengan perlakuan awal dicuci menggunakan asam dengan rendemen sebesar 10% dan bersifat amorf.
2. Sintesis zeolit ZSM-5 dengan metode SAC telah berhasil dilakukan menggunakan silika ampas tebu secara sederhana dan ramah lingkungan (tanpa TPA-Br).
3. Terdapat pengotor atau puncak lain yang mirip dengan zeolit mordenit pada hasil XRD zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu tanpa benih ZSM-5.
4. Hasil morfologi zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu tanpa penambahan benih dengan TPA-Br yaitu berbentuk kristal segi enam yang merupakan cirri khas ZSM-5.
62
B. Saran
Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, maka penelitian selanjutnya disarankan untuk mensintesis zeolit ZSM-5 dari silika ampas tebu menggunakan metode kristalisasi bantuan-uap (steam assisted conversion, SAC) dengan tanpa penambahan benih atau template dengan rasio Si/Al yang tinggi sehingga didapatkan zeolit ZSM-5 yang murni atau tidak adanya pengotor.
63
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2016. Framework MFI. http://izacs-mirror.la.asu.edu/fmi/xsl/IZASC/ftc_fw.xsl?-db=Atlas_main&-lay=fw&-max=25&STC=MFI&-find. Diakses pada 23 Oktober 2016. Anonim. 2017. http://www.researchgate.net/figure/258342427_fig1_Figure-1SEM-micrographs-of-the-parent-ZSM-5-crystals. Diakses pada tanggal 23 Januari 2017. Adam, F., Kandasamy, K., dan Batakrismanan, S. 2006. Iron Incorporate Heterogeneous Chatalyst from Rice Husk Ash. Journal of Colloid and Interface Science. 304: 137-143. Affandi, S., dkk. 2009. A Facile Method for Production of High Purity Silica Xerogels from Bagasse Ash. Advanced Powder Technology. 20:468–472 Zeolit. Agustin, R. 2013. Ekstraksi dan Penentuan Kadar Silika (SiO2) Hasil Ekstraksi dari Abu Terbang (Fly Ash) Batubara. [Skripsi]. Universitas Jember. Jawa Timur. Alfaruqi, M.H. 2008. Pengaruh Konsentrasi Hidrogen Klorida (HCl) dan Temperature Perlakuan Hidrotermal Terhadap Kristalinitas Material Silika SBA-15. [Skripsi]. Universitas Indonesia. Jakarta. Aisyah, J.S. 2015. Ekstraksi Silika dari Ampas Tebu Sebagai Prekursor dalam Sintesis Zeolit Analsim. [Tesis]. Institut Teknologi Bandung. Bandung. Akimkhan, A. M. 2012. Structural and Ion-Exchange Properties of Natural Zeolite. Lisence in tech. Aurelia, I. 2005. Studi Modifikasi Glassy Carbon dengan Teknik Elektrodeposisi Iridium Oksida untuk Aplikasi sebagai Elektroda Sensor Arsen (III) [Skripsi]. Universitas Indonesia. Jakarta. Azizah, N., Al-Baarii, A, N., dan Mulyani, S. 2012. Pengaruh Lama Fermentasi Terhadap Kadar Alkohol, pH, dan Produksi Gas pada Proses Fermentasi Bioetanol dari Whey dengan Substitusi Kulit Nanas. Jurnal Aplikasi Teknologi Pangan vol 1 no.2.
64
Atta, A.Y., Jibril, B.Y., Aderemi, B.O., dan Adefila, S.S. 2012. Preparation of Analsim from Local Kaolin and Rice Husk Ash. Applied Clay Science, 61, 8-13. Bekkum V.H. 1991. Interduction to Zeolite Science and Practic. Elsevier Science Publishers B.V. Netherlands. Birowo, A.T. 1992. Seri Manajemen Usaha Perkebunan Gula Edisi Pertama. LPP. Yogyakarta. Bogdanov, B., D. Georgiev., K. Angelova,. and Y. Hristov. 2009. Synthetic Zeolites and Their Industrial and Environmental Applications Review. International Science conference. Volume IV Natural & Mathematical science. Breck, D.W. 1974. Zeolite Molecular Sieve: Structure Chemistry and Use. Jhon Wiley. New York. Candra, A., Miryanti, Y.I.P.A., Widjaja, L.B., dan Pramudita, A. 2012. Isolasi dan Karakterisasi Silika dari Sekam Padi. Universitas Katolik. Prahayangan. Cejka, J., Bekkum H., Corma, A., dan Schuth, F. 2007. Introduction to Zeolite Science and Practice- 3rd Revised Edition, 39-103. Chakraverty, A., Mishra, P., and Banerjee, D. 1988. Investigation of Combustion of Raw and Acid-Leached Rice Husk for production of Pure Amorphous White Silica. Journal of Materials Science, Vol.23, pp.21-24. Chetam, D.A. 1992. Solid State Compound. Oxford University Press. USA. Cheng, X., et al. 2014. Fast Synthesis of Nanosized Zeolite Beta from A LowSeeded, Lowlated Dry Gel with A Seeding-Steam-Assisted Conversion Method. Journal of Materials Chemistry. 2(5): p. 1247-1251. Cotton dan Wilkinson. 1989. Kimia Anorganik Dasar Cetakan Pertama. UI-Press. Jakarta. Daifullah, A.A.M., Awward, N.S., and El-Reefy, S.A. 2004. Purification of Wet Phosphoric Acid from Ferric Ions Using Modified Rice Husk. Chemical Engineering and Processing. Vol. 43, pp. 193-201. Fabiani, V.A. 2014. Sintesis dan Karakterisasi Zeolit MFI pada Suhu Rendah menggunakan Prekursor Silika Alam. Institut Teknologi Bandung. Bandung. Fansuri, H. 2010. Modul Pelatihan Operasional XRF. Laboratorium Energi dan Rekayasa. LPPM ITS. Surabaya.
65
Fessenden, R. J., Fessenden, J. S. 1999. Kimia Organik Jilid 1 Edisi ketiga. Penerbit Erlangga. Jakarta. Firdaus, M. Y. 2012. http://muhammadyusuffirdaus.wordpress.com/2012/01/28/ leaching/. Diakses 5 Maret 2017 pukul 20.30 WIB. Folleto, E.L., Ederson, G., Leonardo, H.O., dan Sergio,J. 2006. Conversion of Rice Husk Ash Into Sodium Silicate. Material Research. 9(3): 335-338. Food Agriculture Organization [FAO]. 2006. Major Food and Agricutural Commodities and Producers: Sugar Cane 2006 [terhubungberkala] http://www.fao.org/es/ess/top/commodity.html. [10 November 2016]. Georgiev, et al. 2009. Syntetic Zeolit-Structure Classification, Currebt Trends in Zeolit Synthetis. International Science Conference. Volume VII. Bulgaria, hal 1. Ghobakar, H., dan Schaf, O. 1999. Effect of Temperature on Hydrothermal Synthesis of Analcime and Viseite. Materials Science and Engineering B. 60, 163-167. Hajiha, H., dan Sain, M. 2015. The Use of Sugarcane Bagasse Fibres as Reinforcements in Composites. Biofiber Reinforcements in Composite Material. 525-549. Halimaton Hamdan. 1996. Si MAS NMR, XRD and FESEM Studies of Rice Husk Silica For The Synthesis of Zeolites. Journal of Non-Crystalline Solids. Elsevier Science B.V., pp. 135. Hanafi, A. dan Nandang.A. 2010. Studi Pengaruh Bentuk Silika dari Abu Ampas Tebu Terhadap Kekuatan Produk Keramik. Jurnal Kimia Indonesia. Volume 5 : 35-38. Universitas Sebelas Maret. Surakarta. Hernawati dan Indarto, D.N. 2010. Pabrik Silika dari Ampas Tebu dengan Proses Presipitasi. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. Hindryawati, N. dan Alimuddin. 2010. Sintesis dan Karakterisasi Silika Gel dari Abu Sekam Padi dengan Menggunakan Natrium Hidroksida (NaOH). Jurnal Kimia Mulawarman. Vol. 7, No. 2.ISSN 1693-5616. Husaain, A. 2000. Penentuan Kapasita dan Jenis Pencerapan Zeolit Asli Terhadap Bahan Pencelup Sintetik. Malaysian Journal of Analytical Sciences. Inada, M., Eguchi, Y., Enomoto, N., dan Hojo, J. 2005. Synthesis of Zeolit from Coal Fly Ashes with Different Silica–Alumina Composition, Fuel, 84, 299-304. Jones, W. 2000. Noni Blessing Holdings. Food quality Analysis. Oregon.
66
Ju, Y.H., Huynh, L.H., Kasim, N.S., Guo, T.J., Wang, J.H., dan Fazary.A.E. 2011. Analysis of Soluble and Insoluble Fractions of Alkali and Subcritical Water Treated Sugarcane Bagasse. Carbohydrate Polymers. 83, 591-599. Kalapathy, U., Proctor, A., and Shultz, J. 2000. A Simple Method for Production of Pure Silica from Rice Hull Ash. Biosource Technology. Vol 73, pp 257-264. Kirk, R.E., and Othmer. 1984. Encyclopedia of Chemical Technology Fouth Edition. Vol. 21, John Wiley and Sons, Inc. New York. Lestari, D.Y. 2010. Kajian Modifikasi dan Karakterisasi Zeolit Alam dari Berbagai Negara. Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia. Yogyakarta. Lin, J., Siddiqui, J.A. & Ottenbrite, M. 2001. Surface Modification of Inorganic Oxide Particles with Silane Coupling Agent and Organic Dyes. Polymer Advance Technology. 12:285–292. Loh, Y.R., Sujan, D., Rahman, M.E., dan Das, C.A. 2013. Sugarcane Bagasse The Future Composite Material. A Literature Review, Resources, Conservation and Recycling. 75, 14-22. Ma, X., J. Yang, H. Ma, C. Liu, and P. Zhang. 2015. Synthesis and Characterization of Analsim Using Quartz Syenite Powder by Alkalihydrothermal Treatment. Microporous and Mesoporous Materials. 201: 134-140. Meier, W. M. and D. H. Olson. 1992. Atlas of Zeolites Structure Types 3rd Ed. Heinemann. Butterworth. Miftakhul, M. 2012. Adsorpsi-Desorpsi Senyawa Paraquat Diklorida dengan Silika Gel dari Limbah Ampas Tebu. Jurnal Skripsi Kimia. UIN Sunan Kalijaga. Yogyakarta. Mita.R, Rino .R. M, Hadi.N, dan Ismunandar. 2016. Sintesis ZSM-5 Pori Hirarki Tanpa Penambahan Templet Organik Menggunakan Metoda Steam Assisted Conversion (SAC). Prosiding Seminar Nasional Kimia-Lombok. Universitas Mataram. Moises, M. P., Cleiser, T. P. S., Meneguin, J.G., Girotto, E.M., dan Radovanoic, E. 2013. Synthesis of Zeolit NaA from Sugarcane Bagasse Ash. Materials Letters. 108, 243-246.
67
Mujiyanti, D. R., K. Nuryono, dan E. S. Kunarti. 2010. Sintesis dan Karakterisasi Silika Gel dari Abu Sekam Padi yang Diimobilisasi dengan 3(Trimetoksisilil)-1-Propantiol. Sains dan Terapan Kimia. 4 (2): 150-167. Nishiyama, N., A. Koide, Y. Eashira, K. Ueyama. 1998. Mesoporous MCM-48 Membrane Synthesized on A Porous Stainless Steel Suppor. Chem Commun. hal. 2147-2148. Oktavia, D. 2011. Pengolahan Limbah Pabrik Gula. http//:blogspot.com. Pengolahan-Limbah-Pabrik-Gula.html. Diakses tanggal 13 Juni 2016. Paiton, PJB. 2002. Material Safety Data Sheet. PT. Pembangkitan Jawa Bali Unit Pembangkitan Paiton. Probolinggo. Panturau dan Setyawan. 2006. Product of the Cane Sugar Industry. Elserver. Amsterdam. Petushkov, A., Yoon, S., dan Larsen,S.C. 2011. Synthesis of Hierarchical nanocrystalline ZSM-5 with Controlled Particle Size and Mesoporosity. Micropor, Mesopor, Mater. 137, 92-103. Ramli.Z, Listiorini E., Hamdan H. 1996. Optimization and Reactivity Study of Silica in The Synthesis of Zeolites from Rice Husk. Jurnal Teknologi, bil.25. Universiti Teknologi Malaysia. Samsuri, M, dkk. 2007. Pemanfaatan Sellulosa Bagasse untuk Produksi Ethanol Melalui Sakarifikasi dan Fermentasi Serentak dengan Enzim Xylanase. Universitas Indonesia. Depok. Sang, S., Liu, Z., Tian, P., Liu, Z., Qu, L., dan Zhang, Y. 2006. Synthesis of Small Crystals Zeolite NaY. Material Letters. 60.1131-1133. China. Sapei.L., Miryanti.A., Widjaja.L.B. 2012. Isolasi dan Karakterisasi Silika dari Sekam Padi dengan Perlakuan Awal menggunakan Asam Klorida. Prosiding SINTECH-1 The First Symposium in Industrial Technology. Fakultas Teknologi Industri UPN Veteran Yogyakarta A-8 – A-16. ISSN: 2302-8033. Saputra., R. 2006. Pemanfaatan Zeolit Sintesis sebagai Alternatif Pengolahan Limbah Industri. Jurnal Hibah Bersaing. Jakarta. Sastrohamidjojo, H. 1992. Spektroskopi Inframerah. Liberty. Yogyakarta. Scherzer J. 1990. Octane – Enhancing Zeolitic FCC Catalysis. Marcel Dekker. Inc. New York. Scott, R. P. W. 1993. Silika Gel and Bonded Phases. John Wiley and Son’s Ltd. Chicester.
68
Smallman, RE dan RJ Bishop. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material. Erlangga. Jakarta. Subagyo. 1993. Zeolit 1 Struktur dan Sifat - Sifatnya. Warta Insinyur Kimia Jakarta. Vol.2, hal.43. Sriyanti, Taslimah, Nuryono, dan Narsito. 2005. Pengaruh Keasaman Medium dan Imobilisasi Gugus Organik pada Karakterisasi Silika Gel dari Abu Sekam Padi. JSKA. Vol. 8, No. 3. Stevens, M.P. 2011. Kimia Polimer Edisi Dua. Diterjemahkan oleh Sopyan. Pradnya Paramita. Hal 613. Jakarta. Treacy, M.M.J., dan J.B. Higgins. 2001. Collection of Simulated XRD Powder Patterns for Zeolites. Elsevier. Amsterdam. Umeda, J. and Kondoh, K. 2008. High Purity Amorphous Silica Originated in Rice Husks via Carboxylic Acid Leaching Process. Journal of Materials Science. Vol. 43, No. 22. Pp. 7084-7090. Verma, D., Gope, P.C., Maheshwari, M.K., dan Sharma, R.K. 2012. Bagasse Fiber Composites-A Review. Journal of Materials and Environmental Science. 3, 6, 1079-1092. Wijayanti, W. A. 2008. Pengelolaan Tanaman Tebu (Saccharum Officinarum L.) di, Pabrik Gula Tjoekir Ptpn X, Jombang, Jawa Timur. Institut Pertanian Bogor. Bogor. Wustoni, S., R. R. Mukti, A. Wahyudi, dan Ismunandar. 2011. Sintesis Zeolit Mordenit dengan Bantuan Benih Mineral Alam Indonesia. Jurnal Matematika & Sains. 16 (3): 158-160. Wyman, C.E. 1994. Ethanol from Lignocellulosic Biomass: Technology, Economics, and Opportunities. Bioresource Technology. 50: 3-16. Yusri, S. 2012. Sintesis dan Karakterisasi Zeolit ZSM-5 Mesopori dengan Secondary Template dan Studi Awal Katalis Oksidasi Metana. [Skripsi]. Universitas Indonesia. Depok.
