Prosiding Tugas Akhir Semester Genap 2009/2010
SK 091304
STUDI ADSORPSI NOx PADA ZEOLIT Cr-NaA YANG DISINTESIS DARI SEKAM PADI Myrna Tunjung Sari * , Irmina Kris Murwani1 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
ABSTRAK Pada penelitian ini telah dipelajari adsorpsi gas NOx pada adsorben zeolit NaA dan (3, 6, 9, 12 dan 15%) Cr-NaA yang disintesis dari sekam padi. Zeolit NaA dan Cr-NaA hasil sintesis dikarakterisasi strukturnya dengan XRD dan dilakukan penentuan luas permukaan dengan metode spektrofotometri menggunakan pewarna metilen biru. Hasil karakterisasi struktur menunjukkan bahwa tidak terdapat perbedaan struktur antara zeolit NaA dengan Cr-NaA. Luas permukaan zeolit NaA, 3, 6, 9, 12, dan 15% Cr-NaA adalah 18,22; 17,97; 18,11; 18,25; 18,32 dan 18,04 m2/g. Konsentrasi NOx yang teradsorp pada adsorben ditentukan dengan metode spektrofotometri. Uji adsorpsi gas NOx memperlihatkan bahwa adsorben 9% Cr-NaA memiliki adsorptivitas optimum untuk gas NO dan 3% Cr-NaA untuk gas NO2 dengan jumlah gas NO dan NO2 teradsorpsi sebesar 0,0259 dan 0,0748 mmol secara berurutan. Hasil uji adsorpsi mengindikasikan bahwa kemampuan adsorpsi adsorben tidak dipengaruhi oleh struktur dan luas permukaan adsorben, melainkan dipengaruhi oleh doping logam Cr yang cenderung memberikan adsorptivitas selektif terhadap gas NO. Kata kunci : Sekam Padi, Zeolit NaA, Cr-NaA, Adsorpsi NOx, Spektrofotometri ABSTRACT NOx gas adsorption has been studied on NaA zeolite adsorbent and (3, 6, 9, 12 and 15%) Cr-NaA synthesized from rice husk. The synthesized Zeolite NaA and Cr-NaA structures were characterized by XRD, and surface area determination performed by spectrophotometric method using methylene blue dye. Structural characterization results showed that there is no difference between the structure of zeolite NaA and Cr-NaA. The surface area of zeolite NaA, 3, 6, 9, 12, and 15% Cr-NaA is 18,22; 17,97; 18,11; 18,25; 18,32 and 18,04 m2/g. The adsorbed NOx concentration in the adsorbent was determined by spectrophotometric method. NOx gases adsorption test showed that the adsorbent 9% Cr-NaA has optimum adsorptivity for NO gases and 3% CrNaA for NO2 gases with amount of NO and NO2 gases adsorbed at 0,0259 and 0,0748 mmol sequentially. The results of adsorption test indicating that the adsorptivity was not influenced by the structure and surface area of adsorbent, but influenced by Cr doping which are likely to provide selective adsorptivity of NO gas. Keywords : Rice Husk, Zeolite NaA, Cr-NaA, NOx Adsorption, Spectrophotometry
PENDAHULUAN Gas nitrogen oksida (NOx) merupakan salah satu gas yang merupakan sumber pencemar udara, dan sumber greenhouse effect. Sumber gas nitrogen oksida dapat diklasifikasikan menjadi tiga, yaitu kendaraan bermotor, tanaman, dan sumber lainnya (industri, pembuangan atau pembakaran pabrik bahan kimia, dll). Dari ketiga sumber tersebut, emisi dari kendaraan * Corresponding author Phone : 08179110746 e-mail:
[email protected] 1 Alamat sekarang : Jur Kimia, FMIPA,ITS, Surabaya. e-mail:
[email protected]
bermotor menyumbang 50% dari total keseluruhan emisi nitrogen oksida (NOx), selain pembakaran, emisi industri, dan reaksi kimia (Inglezakis, 2006). Nitrogen oksida (NOx), bersama dengan senyawa-senyawa volatil hidrokarbon lainnya (VOC), memainkan peranan sebagai prekursor untuk reaksi ozon troposferik dan kabut fotokimia. Dimana ozon troposferik memiliki efek negatif terhadap kesehatan (reduksi fungsi paru-paru) dan lingkungan (perubahan
iklim akibat efek gas rumah kaca yang ditimbulkan) (Taschner, 1991). Reduksi kadar NOx di udara melalui adsorpsi merupakan salah satu solusi dengan metode reduksi selektif nonkatalitik (SCNR). Dimana penelitianpenelitian yang telah dilakukan sebelumnya menyebutkan bahwa gas NOx mampu diadsorpsi oleh katalis heterogen yang didukung oleh penambahan logam. Beberapa penelitian yang berkaitan dengan adsorpsi nitrogen oksida menyebutkan bahwa penggunaan zeolit dan Al2O3 berpendukung logam sebagai adsorben mampu mengurangi kadar NOx dalam udara (Akolekar, 2000; Brazlaukas, 2008; Chi, 2000; Fridell, 1999; Seker, 2000; Yang, 2008). Salah satu jenis zeolit yang dapat digunakan sebagai adsorben adalah zeolit dengan tipe A (zeolit A). Zeolit A merupakan katalis yang dikenal luas di industri sebagai adsorben (dengan variasi molecular sieving, komposisi Si/Al, tipe kation, derajat pertukaran (exchange degree), dan keadaan hidrasi maupun dehidrasinya), yang tidak bergantung pada tipe strukturnya (Song, 1987). Sintesis zeolit NaA (zeolit A) dalam beberapa penelitian sebelumnya, telah dilakukan dengan menggunakan sekam padi sebagai sumber silika (SiO2). Silika dari sekam padi dapat diperoleh dengan pembakaran sekam padi menjadi abunya pada 600 700°C, dengan kandungan silika sebesar 87 – 97% dengan sedikit alkali dan elemen lainnya yang dapat terdeteksi (Muthadi, 2006). Sintesis zeolit NaA dari sekam padi pada penelitian sebelumnya menggunakan teknik hidrotermal, dengan mencampurkan larutan silika, yang dibuat dari abu sekam padi, dengan perbandingan mol tertentu terhadap gel aluminat dan kemudian dilakukan pengadukan dalam reaktor pada suhu dan waktu yang telah ditentukan (Nur, 2001). Penelitian lebih lanjut mengenai zeolit NaA sebagai adsorben menunjukkan bahwa zeolit NaA murni dapat ditingkatkan kapasitas adsorpsinya dengan menambahkan logam, baik logam alkali (Ba, Mg), logam mulia (Pt, Pd, Rh), maupun logam golongan transisi (Cu, Ce, Co) (Akolekar; 2000; Brazlaukas, 2008; Fridell, 1999; Seker, 2000). Pada penelitian ini sekam padi digunakan sebagai sumber silika untuk sintesis zeolit NaA. Zeolit NaA disintesis dengan menggunakan metode hidrotermal dari campuran gel silikat dan gel aluminat dengan perbandingan yang telah ditentukan. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bahwa kapasitas adsorpsi zeolit NaA dapat ditingkatkan dengan menambahkan logam dengan cara impregnasi dan dopping. Penelitian sebelumnya (Febriana, 2009 dan Suraidah, 2009) menyatakan bahwa impregnasi logam Cu dan Cr pada zeolit NaA belum mampu
menghasilkan adsorptivitas maksimum zeolit NaA terhadap gas NOx. Sehingga perlu dilakukan penelitian mengenai konsentrasi logam Cr yang didopping pada zeolit NaA untuk meningkatkan adsorptivitasnya terhadap gas NOx. METODOLOGI Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan gelas dan instrumen. Peralatan gelas sederhana yang digunakan antara lain botol timbang, beaker glass, cawan, corong gelas, corong buchner, erlenmeyer, gelas ukur, kaca arloji, lumpang, pengaduk, pipet volume, pipet ukur, pipet tetes, termometer dan tabung reaksi. Instrumen yang digunakan adalah hot plate dengan magnetic stirrer, oven, neraca analitik, spektronik Genesys 20 dan UV1100, dan Phillips X’Pert Diffractometer (XRD). Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bahan-bahan kimia dengan grade p.a. (pro analisis) seperti natrium hidroksida (NaOH), natrium aluminat (NaAlO2), padatan CrCl3.6 H2O, asam klorida (HCl), hidrazin sulfat (N2H4.H2SO4), asam sulfanilamida, larutan fosfat (H3PO4), N-1naftalindiamin dihidroklorida (NED), CuSO4.5H2O, asam nitrat (HNO3), metilen biru. Juga bahan kimia lain seperti kertas saring merk Whatman no.41, kertas indikator universal Merck, sekam padi, dan aquades. Prosedur Kerja 1.Persiapan Adsorben Pada penelitian ini prekusor SiO2 untuk sintesis zeolit NaA berasal dari sekam padi. Sintesis zeolit NaA pada penelitian ini dibuat dengan cara mencampurkan larutan gel dari silikat dan aluminat dengan perbandingan 3,9 Na2O:Al2O3:1,8 SiO2·270 H2O. Campuran kemudian dioven pada temperatur 100°C selama 12 jam. Hasil sintesis kemudian disaring, dicuci dengan aquades hingga netral, kemudian dioven pada temperatur 100°C selama 24 jam, dikalsinasi pada temperatur 450C selama 4 jam sehingga didapatkan padatan putih. Padatan zeolit NaA kemudian digunakan sebagai adsorben. Doping logam Cr3+ pada zeolit NaA dilakukan dengan penambahan 3, 6, 9, 12 dan 15% berat (w/w) Cr3+ ke dalam campuran gel silikat dan gel aluminat pada prosedur di atas, kemudian campuran dioven pada temperatur 100°C sesuai dengan waktu optimum yang diperoleh pada sintesis zeolit NaA. Hasil sintesis kemudian disaring, padatan dicuci dengan aquades hingga pH netral, kemudian dioven pada temperatur 100°C selama 24 jam. Padatan
dikalsinasi pada temperatur 450°C selama 4 jam. Hasil yang diperoleh adalah padatan putih kekuningan. 2. Karakterisasi Struktur Adsorben Zeolit hasil sintesis dikarakterisasi strukturnya menggunakan XRD dengan sumber sinar Cu2Ká pada 2è = 5-70° dengan increment 0,02° per detik. 3. Karakterisasi Luas Permukaan Adsorben Karakterisasi luas permukaan adsorben dilakukan metode adsorpsi metilen biru dibagi menjadi 3 tahap, yaitu penentuan panjang gelombang maksimum metilen biru, pembuatan kurva kalibrasi metilen biru dan penentuan luas permukaan adsorben. 4. Uji Adsorpsi Padatan zeolit NaA dan 3-15% Cr-NaA hasil preparasi digunakan untuk adsorpsi gas NOx. Adsorben dialiri gas NOx, NOx yang teradsorp kemudian diekstraksi dengan aquades. Nitrat dalam ekstrak direduksi menjadi nitrit dengan hidrazin sulfat dan penentuan konsentrasi NO2- dilakukan dengan metode spektroskopi UV-Vis menggunakan reaksi diazotasi Griess (Kil, 2006) . HASIL DAN PEMBAHASAN Difraktogram hasil sintesis zeolit NaA, Cr2O3 dan 3-15% Cr-NaA terlihat pada Gambar 1.
0222. Dari Gambar 1. (b) dapat terlihat bahwa zeolit NaA memiliki puncak-puncak karakteristik pada 2è = 7,22; 10,2; 12,5; 16,14; 21,72; 24,04; 27,14; 30 dan 34,22° dengan tipe kristal kubus. Pada difraktogram (c) – (e) terlihat bahwa dengan doping logam Cr, puncakpuncak karakteristik zeolit NaA tidak mengalami perubahan secara signifikan. Hal ini ditunjukkan dengan tidak terlihat adanya puncak-puncak baru. Meskipun demikian, perubahan intensitas dapat diamati sejak penambahan logam Cr sebesar 3% hingga 15%. Hal ini sesuai dengan pernyataan (Hu et.al., 2008), bahwa difraktogram yang terdeteksi tidak akan mengalami perubahan karena adanya doping logam sampai batas konsentrasi tertentu. Namun, seperti yang dapat diamati pada difraktogram (f), penambahan logam Cr 15% mengakibatkan adanya puncak baru () yang merupakan puncak karakteristik dari Cr2O3. Adanya puncak baru tersebut menandakan bahwa pada penambahan logam Cr sebesar 15% kapasitas substitusi logam Cr pada kerangka zeolit NaA telah terlampaui. Sebagai akibatnya, logam Cr akan bermigrasi dari kerangka dan mengisi rongga (cavity) dan permukaan dari zeolit NaA, sehingga akan muncul puncak pada difraktogram yang terbaca sebagai puncak karakteristik Cr2O3 (Kucherov, Slinkin et.al., 1987; Kumar et.al., 2009). Luas permukaan yang diukur dengan spektroskopi UV-Vis dengan menggunakan metilen biru dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Luas Permukaan Adsorben
NaA
Luas Permukaan (m2/ gram) 18,22
3% Cr-NaA
17,97
6% Cr-NaA
18,11
9% Cr-NaA
18,25
12% Cr-NaA
18,32
15% Cr-NaA
18,04
Adsorben
Hasil uji adsorpsi gas NOx pada masingmasing adsorben terlihat pada Gambar 2. Gambar 1. Difraktogram Cr2O3 (a), zeolit NaA (b), 3% Cr-NaA (c), 6% Cr-NaA (d), 9% Cr-NaA (e). dan 15% Cr (f). Gambar 1. (a) menunjukkan difraktogram Cr2O3 yang berasal dari kalsinasi CrCl3.6H2O pada suhu 450°C selama 4 jam. Sementara Gambar 1. (b) menunjukkan difraktogram zeolit NaA yang dibuat melalui proses hidrotermal selama 12 jam, dan telah dicocokkan dengan data base zeolit NaA PDF 39-
memiliki adsorptivitas optimum untuk gas NO dan 3% Cr-NaA untuk gas NO2 dengan jumlah gas NO dan NO2 teradsorpsi sebesar 0,0259 dan 0,0748 mmol secara berurutan.
UCAPAN TERIMA KASIH 1. 2. 3. 4.
Allah SWT atas semuanya berkah dan karuniaNya. Dr. rer. nat. Irmina Kris Murwani sebagai dosen pembimbing Tugas Akhir. Dra Yulfi Zetra, MS sebagai koordinator Tugas Akhir. Semua pihak yang telah membantu selama penyusunan Tugas Akhir ini.
Gambar 2. Uji adsorpsi gas NOx pada masing-masing adsorben Berdasarkan pada Gambar 2. ternyata pada penelitian ini luas permukaan tidak berpengaruh signifikan terhadap adsorptivitas. Karena dengan luas permukaan adsorben yang hampir sama menunjukkan adsorptivitas yang berbeda. Gambar 3. juga memperlihatkan perbedaan adsorptivitas untuk NO2dan NO3-. Dari Gambar 3. dapat dilihat bahwa pada adsorben dengan doping logam Cr sebesar 9% memiliki adsorptivitas yang tertinggi terhadap NO2-, dimana NO2- tersebut diduga berasal dari gas NO yang berikatan dengan air pada saat proses ekstraksi berlangsung. Sedangkan adsorptivitas NO3-, yang berasal dari gas NO2, tidak secara langsung dipengaruhi oleh doping logam. Hal ini ditunjukkan oleh adsorptivitas NO3- pada zeolit NaA dan 3% CrNaA yang tidak jauh berbeda, seperti yang tampak pada Gambar 3. Berdasarkan Gambar 3. dapat diketahui bahwa semakin besar adsorptivitas gas NO, maka adsorptivitas gas NO2 dalam adsorben yang sama akan semakin kecil. Dalam hal ini, doping logam Cr dalam adsorben akan cenderung memberikan adsorptivitas selektif terhadap gas NO. Sehingga, dapat dikatakan bahwa doping logam Cr pada adsorben akan mempengaruhi jenis gas yang diserap tetapi tidak mempengaruhi jumlah gas yang diserap.
KESIMPULAN Zeolit NaA, zeolit NaA dengan doping logam Cr sebesar 3 - 15% dan Cr2O3 dapat digunakan sebagai adsorben gas NOx, dengan urutan kemampuan adsorpsi zeolit NaA > 3% Cr-NaA > 6% Cr-NaA > 15% CrNaA > Cr2O3 > 9% Cr-NaA > 12% Cr-NaA. Luas permukaan dan struktur adsorben tidak berpengaruh pada adsorptivitas Cr-NaA. Adsorben 9% Cr-NaA
DAFTAR PUSTAKA Akolekar, Deepak B., Suresh K. Bhargava, (2000), “Adsorption of NO and CO on SilverExchanged Microporous Material”, Journal of Molecular Catalysis A : Chemical 157, 199-206 Braslaukaz, Marius, saulius Kitry S, (2008), “Synthesis and Properties of CuO/ Zeolit Sandwich Type Adsorbent Catalyst”, Chinese Journal of Catalysis 29, 25-30 Chi, Yawu, Steven S. C. Chuang, (1999), “Infrared Study of NO Adsorption and Reduction with C3H6 in The Presence of O2 over CuO/Al2O3”, Journal of Catalysis 190, 75-91 Febriana, Adhita, (2009), “Adsorpsi NOx Pada Logam Cr Berpendukung Zeolit Yang Disintesis Dari Sekam Padi”, Tesis Mahasiswa PascaSarjana Jurusan Kimia, ITS, Surabaya Fridell, Erik, et.al., (1999), “NOx Storage in BariumContaining Catalysts”, Journal of Catalysis 183, 196-209 Hu, Y.M., Y. T. Chen, Z. X. Zhong, et.al., (2008), “The Morphology and Optical Properties of Cr-doped ZnO Films Grown Using The Magnetron Co-sputtering Method”, Applied Surface Chemistry 254, 3873-3878 Inglezakis, Vassilis J., Poulopoulos, Stavros G., (2006), Adsorption, Ion Exchange, and Catalysis : Design of Operations and Environmental Applications, Elsevier B.V. Kil, J. K., Nam, I. S., Park, J-H, Park, S. J., (2006), “Quantitative Analysis of Nitrogen Oxides Occluded in Heterogeneous Catalysis”, United States Patent Application Publication, US 2006/0024836 A1 Kucherov, A. V., A. A. Slinkin, (1987), “Introduction of Cr(V), Mo(V) and V(IV) Ions in Cationic
Positions of High-Silica Zeolites by SolidState Reaction”, Zeolites 7, 38-42 Kumar, M. Santosh, Nina Hammer, Magnus Rønning, et.al., (2009), “The Nature of Active Chromium Species in Cr-Catalyst for Dehydrogenation of Propane : New Insight by A Comprehensive Spectroscopic Study”, Journal of Catalysis 261, 116-128 Muthadi, A., Anitha, R., Kothandaraman, Dr. S., (2006), “Rice Husk Ash – Properties and Its Uses : A Review”, IE(I) Journal – CV, 50-57 Nur, Hadi, (2001), “Direct Synthesis of NaA Zeolit from Rice Husk and Carbonaceous Rice Husk Ash”, Indonesian Journal of Agricultural Science 1, 40-45 Seker, Erol, Erdogan Gulari, (2000), “Activity and N2 Selectivity of Sol-Gel Prepared Pt/Alumina Catalyst for Selective NOx Reduction”, Journal of Catalysis 194, 4-13 Song, Mee Kyung, Hakze Chon, Mu Shik John, (1987), “A Theoritical Study of The Stability of Barium-Exchanged Na-A Type Zeolits”, Journal of Molecular Catalysis 47, 73-86 Suraidah, Chusnul, (2009), “Adsorpsi NOx Pada Zeolit NaY Yang Dibuat Dari Sekam Padi, Cu-NaY dan CuO/NaY”, Tesis Mahasiswa PascaSarjana Jurusan Kimia, ITS, Surabaya Taschner, Karola, A. Crucg (ed.), (1991), “Enviromentalists’ Viewa on Automotive Exhaust Gas”, Catalysis and Automotive Pollution Control, Elsevier Science Publisher B.V., Amsterdam Yang, Jing, Ting Ting Zhuang, Feng Wei, dkk., (2008), “Adsorption of Nitrogen Oxides by The Moisture-Saturated Zeolits in Gas Stream”, Journal of Hazardous Material, 1-8
