Wahyuningsih, dkk ISSN

Wahyuningsih, dkk

ISSN 0216 - 3128

75

PEMBENTUKAN TIO2 MESOPORI DARI TIOSO4 HASIL PELARUTAN ILMENITE Wahyuningsih, S., Ramelan, A. H., Rinawati, L., Munifa, R. M. I., Saputri, L. N. M. Z., Hanif, Q. A., Pranata, H. P., Ismoyo, Y. A. Grup Riset Material Organik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret Jl.Ir. Sutami 36A, Jebres, Kentingan, Surakarta, Jawa Tengah email: [email protected]

ABSTRAK PEMBENTUKAN TiO2 MESOPORI DARI TiSO4 HASIL PELARUTAN ILMENITE. Telah dilakukan penelitian tentang pembentukan TiO2 mesopori dari prekursor TiOSO4 melalui proses pemaanggan, pelarutan dan hidrolisis homogen dari ilmenite. Analisis X-ray Diffraction (XRD) menunjukkan karakteristik ilmenite, hematite, dan rutile. Setelah proses pemanggangan mineral ilmenite dengan penambahan Na2S pada suhu 800 °C diperoleh hasil karakterisasi XRD yang menunjukkan puncak karakteristik hematite, TiO 2 anatase, TiO2 rutile, Na2SO4, NaFeS2, dan NaFeO2. Pada proses pelarutan ilmenite hasil pemanggangan dengan asam kuat H2SO4 6; 7,2; 9; 12, dan 18 N diperoleh filtrat TiOSO4. Hasil menunjukkan bahwa semakin meningkat konsentrasi H2SO4 maka semakin meningkatkan kelarutan ilmenite dengan kelarutan optimum pada 6 M. Pembentukan TiO2 mesopori dari TiOSO4 dilakukan dengan metode hidrolisis homogen menggunakan template urea dan pengarah surfaktan F-127. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan puncak dominan TiO2 anatase. Ukuran kristal yang diperoleh sebesar 3,2 nm dan hasil karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) menunjukkan bahwa adanya urea dan surfaktan mampu membentuk struktur pori. Kata Kunci: hidrolisis homogen, ilmenite, TiO2 mesopori

ABSTRACT FABRICATION OF MESOPORUS TiO2 FROM TiOSO4 FROM LEACHED ILMENITE. The fabrication of mesoporous TiO2 from TiOSO4 precursor through roasted process, leaching, and homogeneous hydrolysis of ilmenite had been done. Analysis of X-ray Diffraction (XRD) showed the characteristics of ilmenite, hematite and rutile. After roasting the mineral ilmenite with the addition of Na 2S at a temperature of 800 °C the XRD characterization showed peaks characteristic for hematite, TiO2 anatase, TiO2 rutile, Na2SO4, NaFeS2, and NaFeO2. Leaching processes of roasted ilmenite which maintained with an addition of strong acid H 2SO4 6; 7.2; 9; 12, and 18 N were obtained TiOSO4 filtrate. The results indicated that the more concentration of H2SO4 the more solubility of ilmenite, where optimum solubility was achieved when H 2SO4 concentration was 12 N. The fabrication of mesoporous TiO2 from TiOSO4 was conducted with homogeneous hydrolysis method used urea and surfactant template F-127. XRD characterization results indicated the dominant peak of TiO2 anatase. Crystallite size of 3.2 nm was obtained and the results of Scanning Electron Microscopy (SEM) showed that the presence of urea and surfactant be able to arrange porosity. Keywords: homogeneous hydrolysis, ilmenite, TiO2 mesoporous

PENDAHULUAN

I

lmenite merupakan mineral alam yang terdiri dari kombinasi mineral titanium, besi, dan mineral lainnya. Ilmenite memiliki kandungan TiO2 dalam kisaran 35% sampai 65%. Pemanfaatan ilmenite yang paling berpotensi adalah untuk TiO2, logam titanium dan produksi besi. Di Indonesia pada umumnya ilmenite terdiri dari dua kategori yaitu ilmenite yang ditemukan bersama dengan mineral lain atau bijih timah dan ilmenite sebagai mineral tunggal. Ilmenite yang ditemukan bersama dengan bijih timah terdapat di P. Bangka dan P, Belitung dengan kandungan ilmenite hingga 90 % [1, 2], sedangkan ilmenite sebagai mineral tunggal berasal dari P.

Kalimantan yaitu dari Kalimantan Barat, Kalimantan Tengah dan Kalimantan Timur. Berdasarkan Badan Tenaga Nuklir Nasional, Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan, di Kalimantan Tengah, ditemukan kandungan ilmenite pada daerah aliran sungai (DAS) di antaranya DAS Katingan terdapat ilmenite sebanyak 1,0%, DAS Kahayan terdapat ilmenite sebanyak 55,5% dan DAS Sekoyer terdapat 6,6% ilmenite. Proses pemisahan TiO2 dari ilmenite dikategorikan menjadi proses pirometalurgi dan hidrometalurgi. Proses pemisahan dengan hidrometalurgi dilakukan menggunakan penambahan asam [3]. Di dunia industri terdapat tiga metode yang digunakan yaitu metode sulfat, metode klorida, dan proses Becher. Proses sulfat

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2016 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, BATAN – Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, UNS Surakarta, 9 Agustus 2016

76

ISSN 0216 - 3128

telah dikenal sejak 1918 oleh Jebsen dengan melarutkan bijih ilmenite dalam larutan asam sulfat, kemudian akan terbentuk titanium sulfat yang selanjutnya dihidrolisis dan dihasilkan TiO2 [4]. Proses sulfat dihasilkan TiOSO4 yang merupakan prekursor utama dalam pembuatan TiO2 dan FeSO4. Dalam proses preparasi pembentukan titania mesopori dari prekursor TiOSO4. Tian et al. (2008) memanfaatkan template tri-block kopolimer (P-123) yang bertindak sebagai agen pengarah surfaktan dan agen pembentuk pori. Titania mesopori nanokristal dapat disintesis dengan metode solgel, seperti yang telah dilakukan oleh Fuchs et al. (2008) dengan mengkombinasikan metode solgel dengan urea sebagai template. Pada penelitian ini dilakukan proses pelarutan ilmenite dengan variasi konsentrasi pelarut asam sulfat H2SO4 membentuk TiOSO4 serta pembentukan TiO2 mesopori menggunakan template urea dan agen pengarah surfaktan F-127 dari prekursor TiOSO4.

TATA KERJA 1.

Preparasi TiOSO4 Bijih ilmenite terlenih dahulu dikeringkan dengan oven pada suhu 100 – 120 °C. Pasir ilmenite dihaluskan sampai lolos ayakan 180 mesh agar ukuran partikel ilmenite homogen dan dikeringkan pada suhu 120 °C lalu dianalisis dengan menggunakan XRF. Preparasi awal dilakukan dengan menambahkan Na2S dengan 3 variasi perbandingan berat (1:1 ; 1:1,5 ; 1:2) ke dalam 100 gram ilmenite, dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1.Formula variasi perbandingan berat ilmenite dan Na2S Sampel (g) No Formula Ilmenite Na2S 1. ILM1 100 100 2. ILM2 100 150 3. ILM3 100 200 Kemudian dilakukan pemanggangan ilmenite dilakukan pada suhu 800 oC selama 2 jam. 100 gram ilmenit hasil kalsinasi dicuci dengan air pada suhu 90oC selama 2 jam. Kemudian disaring dan dihasilkan filtrat dan endapan. Endapan yang diperoleh kemudian dilakukan leaching menggunakan H2SO4 dengan variasi konsentrasi, 6; 7,2; 9; 12, dan 18 N. Sebanyak 200 mL H2SO4 dalam labu leher tiga dipanaskan disertai refluks pada 90o C. Saat suhu mencapai 90o, sebanyak 10 gram ilmenite (endapan hasil pencucian dengan air) dimasukkan dalam labu

Wahyuningsih, dkk

leher tiga, proses refluks dilakukan selama 2 jam. Selanjutnya akan diperoleh larutan campuran awal. Campuran yang diperoleh didiamkan beberapa menit agar antara larutan dan endapan terpisah kemudian disaring untuk memisahkan larutan dan endapannya. Filtrat yang dihasilkan merupakan TiOSO4 kemudian dianalisis menggunakan ICP-OES untuk mengetahui mengetahui unsur yang terdapat dalam larutan. Variasi pelarutan tersebut dimaksudkan mendapatkan komposisi yang paling efektif untuk pemisahan TiO2 dilihat dari ilmenite yang paling banyak terlarut. 2.

Hidrolosis Homogen dengan Penambahan Urea dan Surfaktan F-127 Sebanyak 50 mL filtrat TiOSO4 hasil pelarutan ilmenite ditambahkan aquades hingga mencapai pH ~1,2. Setelah itu ditambahkan surfaktan F-127 (1,5 gram ; 1 gram ; 0,5 gram) dan 50 gram urea kemudian di stirrer selama 6 jam pada suhu 100 oC. Endapan yang dihasilkan kemudian dicuci dengan aquades dan dikeringkan pada suhu 110 oC. Selanjutnya dilakukan kalsinasi pada suhu 400C selama 2 jam dan dianalisis dengan XRD, XRF dan SEM.

HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi awal ilmenite dilakukan dengan analisis menggunakan XRF untuk mengetahui komposisi kandungan dalam ilmenite. Dalam penelitian ini digunakan ilmenite yang diperoleh dari Kalimantan yang ditemukan sebagai mineral tunggal. Hasil karakterisasi XRF menunjukkan komponen penyusun yang dominan dalam ilmenite adalah TiO2 sebanyak 45,35 % dan Fe2O3 31,48 %, Na2O 3,86 %, ZrO2 3,57 %, SiO2 3,29 %, Al2O3 2,35 %, dan lain sebagainya. Difraktogram pada Gambar 1 menunjukkan adanya puncak-puncak yang muncul pada sudut difraksi (2) tertentu. Puncak utama ilmenite terdapat pada 23,95; 26,62; 32,73; 33,88; 35,40; 37,94. Puncak pada 24,17(d012); 33,88(d104); 35,40(d110); 40,89(d113) menunjukkan adanya hematite yang sesuai dengan JCPDS No. 89-0599. Sementara puncak TiO2 rutile ditunjukkan pada 26,62 yang sesuai dengan JCPDS No. 87-0710. Proses pemanggangan ilmenite dilakukan dengan menambahkan garam alkali Na2S, perlakuan ini mengacu pada penelitian Hasan et al. (2007) dengan hasil optimum ditunjukkan pada suhu pemanggangan 800 C. Penambahan Na2S akan mempermudah proses ekstraksi TiO2 dan meningkatkan perolehan TiO2, yang selanjutnya akan dilakukan pada proses pelarutan menggunakan H2SO4 dengan variasi


Wahyuningsih, dkk

ISSN 0216 - 3128

konsentrasi. Reaksi yang terjadi ditunjukkan pada persamaan 1 dan 2. (1) 5TiO2(s)+ 2Na2S(s)+ 4O2(g)⇌Na4Ti5O12(s) + 2SO3(g) 3Fe2O3(s) + 3Na2S(s)+ 2O2(g)⇌5NaFeO2(s) + NaFeS2(s) + SO3(g)

(2)

Analisis XRD secara kualitatif telah dilakukan terhadap ilmenite hasil pemanggangan pada suhu 800 oC yang ditunjukkan pada difraktogram pada Gambar 2. Analisis data XRD dilakukan dengan membandingkan nilai 2θ ilmenite dengan JCPDS (Joint Commite Powder

77

Diffraction Standard) Na2SO4, NaFeS2 NaFeO2, Fe2O3, TiO2 anatase dan TiO2 rutile. Difraktogram (Gambar 2) menunjukkan ilmenite hasil pemanggangan terdekomposisi menjadi hematite, TiO2 anatase, TiO2 rutile dan garamgaram kompleks. Puncak pada 23,85º d012 ; 32,85º d104 menunjukkan puncak karakteristik dari hematite sesuai dengan standar JCPDS No. 88-2359. Puncak-puncak pada nilai 25,53 d101 dan 37,79º d004 sesuai dengan puncak-puncak karakteristik TiO2 anatase standar JCPDS No. 21-1272. Puncak pada 36,15º d101 ; 54,43º d211 menunjukkan puncak karakteristik dari TiO2 rutile sesuai dengan standar JCPDS No. 87-0710

Gambar 1. Skema flue gas treatment menggunakan berkas elektron

Gambar 2. Difraktogram Ilmenite hasil pemanggangan 800 oC. N= Na2SO4 ; S= NaFeS2 ; O= NaFeO2 ; H= Fe2O3 ; A= TiO2 anatase ; R= TiO2 rutile Proses pelarutan atau leaching bertujuan untuk memecahkan bijih dari bahan yang akan diekstraksi untuk menghasilkan mineral yang lebih murni. Pada proses ini ilmenite didestruksi menggunakan asam sulfat, sehingga diperoleh titanil sulfat (TiOSO4) dan ferro sulfat (FeSO4). Pada penelitian ini, variasi konsentrasi asam sulfat yang digunakan adalah adalah 6 N, 7,2 N, 9 N, 12 N dan 18 N. Reaksi yang

mungkin terjadi dalam proses pelarutan dengan asam sulfat adalah: (Fouda et al ,2010). FeTiO3(s) + 2H2SO4 → FeSO4(aq) + (3) TiOSO4(aq) + 2H2O(l)


78

ISSN 0216 - 3128

Wahyuningsih, dkk

Tabel 2. Data hasil analisis ICP-OES filtrat hasil proses pelarutan Hasil Analisa ICP gram / liter No Sampel Fe Ti Cu

Mn

1

Asam Sulfat : Air = 1 : 1

4.5624

6.4425

0.0076

0.3567

2


4.3373

6.2595

0.0066

0.3014

3

Asam Sulfat : Air = 1 :3

4.8408

6.6153

0.0085

0.3799

4


4.9271

5.8653

0.0078

0.3917

5


3.8826

4.3614

0.0083

0.3151

Konsentrasi asam sulfat berpengaruh dalam proses pelarutan ilmenite. Semakin tinggi konsentrasi asam yang digunakan maka semakin besar persen kelarutannya. Presentase kelarutan ilmenite yang paling tinggi, 88,7 % adalah pada sampel ILM1 dengan konsentrasi asam sulfat 12 N. Dari proses ini, hasil dengan presentase kelarutan paling tinggi yang selanjutnya akan dipreparasi lebih lanjut menjadi TiO2. Analisis filtrat hasil pelarutan menggunakan ICP-OES (Tabel 2) dilakukan untuk mengetahui kadar Fe dan Ti dalam sampel. Diperoleh kandungan Ti dalam sampel rata-rata mencapai 6.000 ppm, sementara kandungan Fe dalam sampel rata-rata adalah sebesar 4.000 ppm.

Proses Preparasi TiO2 dari Titanil Sulfat (TiOSO4) Dalam proses sintesis TiO2 sebagai material pori, surfaktan memiliki peranan penting sebagai agen pembentuk pori. Penggunaan surfaktan baik baik surfaktan kationik, anionik ataupun non-ionik sebagai template atau agen pembentuk struktur berpori. Triblok pluronik kopolimer merupakan surfaktan non-ionik yang digunakan sebagai template. Pluronik memiliki susunan struktur triblok kopolimer PEO-PPO-PEO, di mana PEO (Polyethilene oxide) sebagai hidrofilik dan PPO (polypropylene oxide) sebagai hidrofobik [8]. Misel dapat terbentuk karena adanya proses termal, ketika suhu dinaikkan blok PPO akan kehilangan hydration sphere sehingga akan timbul interaksi antar blok PPO. Sementara blok PEO tetap mempertahankan interaksinya dengan air. Ketika penambahan surfaktan dilakukan dibawah konsentrasi kritis misel, maka akan terbentuk

unimer dan terjadi adsorpsi surfaktan pada antarmuka air dan udara, sedangkan ketika penambahan surfaktan dilakukan diatas konsentrasi kritis misel, maka surfaktan akan merakit diri menjadi misel sperikal dengan mempertahankan bagian hidrofilik surfaktan agar tetap berinteraksi dengan air dan melindungi bagian hidrofobik tetap berada dalam inti misel (Alexanderis, 1994). Ilustrasi terbentuknya misel dapat dilihat pada Gambar 3.

Hidrolisis Homogen dengan Penambahan Urea dan Surfaktan F-127 Hidrolisis homogen pada proses ini dilakukan dengan menambahkan urea dan surfaktan (F-127) ke dalam titanyl sulfat. Urea telah digunakan sebagai agen pembentuk pori untuk meningkatkan pori dan morfologinya. Urea dapat mempepanjang waktu pembentukan fase anatase untuk suhu yang tinggi tanpa menggunakan dopan (Pillai et al). Analisis XRD untuk TiO2 yang dihasilkan dari proses hidrolisis homogen ditunjukkan pada difraktogram Gambar 2. Puncak-puncak karakteristik untuk TiO2 anatase ditandai pada 25,28º d101; 38,57º d112; 48,05º d200, 53,89º d105 dan 62,69º d204 yang sesuai dengan standar JCPDS No. 21-1272. Ukuran Kristal dari TiO2 yang dihasilkan dari proses ini adalah 3,292 nm dengan persen kristalinitas 0,744 %. Kandungan dalam sampel secara kuantitatif dianalisis menggunakan XRF (Tabel 3). TiO2 yang terkandung dalam sampel tidak mengalami kenaikan yang signifikan dari mineral awal. Sementara Fe dalam bentuk hematite juga tidak mengalami penurunan konsentrasi.

Gambar 3. Ilustrasi pembentukan misel Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah – Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir 2016 Pusat Sains dan Teknologi Akselerator, BATAN – Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, UNS Surakarta, 9 Agustus 2016

Wahyuningsih, dkk

ISSN 0216 - 3128

79

Gambar 4. Difraktogram TiO2 hasil hidrolisis homogen H= Fe2O3 ; A= TiO2 anatase ; R= TiO2 rutile Tabel 3. Data analisis XRF TiO2 hasil hidrolisis homogen dengan penambahan surfaktan Formula

% Konsentrasi (b/b)

Formula

% Konsentrasi (b/b)

TiO2

52,07

CaO

0,32

Fe2O3

31,07

ZnO

0,07

SO3

5,85

ZrO2

0,99

SiO2

3,79

Gambar 5. Foto SEM TiO2 hasil proses hidrolisis homogen Hidrolisis secara homogen dengan penambahan urea akan mengarah kepada Kristal berukuran nanopartikel dengan partikel yang berbentuk bola atau bulatan [12]. Dengan adanya surfaktan dapat mengubah energi permukaan dan cenderung mencegah pembentukan partikel berbentuk bulat. Sama halnya urea, penambahan surfaktan juga sebagai pembentuk pori. Untuk mengetahui morfologi permukaan TiO2 yang dihasilkan ditunjukkan oleh Gambar 5 (Scanning Electron Microscopy). Morfologi yang tampak dari foto SEM menunjukkan bahwa adanya urea dan surfaktan (F-127) mampu membentuk pori.

KESIMPULAN 1. Diperoleh prekursor TiOSO4 dari pelarutan ilmenite dengan variasi konsentrasi H2SO4 dimana semakin meningkat konsentrasi H2SO4 maka semakin tinggi persen kelarutan ilmenite.

2. Prekursor TiOSO4 mampu membentuk TiO2 mesopori secara hidrolisis homogen dengan penambahan template urea dan surfaktan F 127 ditunjukkan dengan struktur pori hasil analisis SEM.

DAFTAR PUSTAKA 1. Hendratno, A., Pengembangan Industri Pertambangan di Wilayah DY Bagian Selatan. Prosiding Lokakarya Eksploitasi, Eksplorasi dan Pengolahan Sumber Daya Mineral, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Geologi. Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 1999. 2. Sumardi, C., Pembuatan Rutil (TiO2) Sintesis dari Ilmenite Hasil Samping Penambangan Timah Bangka, Prosiding Lokakarya Eksploitasi, Eksplorasi dan Pengolahan Sumber Daya Mineral, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik


80

3.

4.

5.

6.

7.

8.

ISSN 0216 - 3128

Geologi, Universitas Gajah Mada, Yogyakarta, 1999. Mackey, T.S., Upgrading Ilmenite Into A HighGrade Synthetic Rutile, JOM, , 59–64, 19 April 1994 Liang, B., C. Li, C. Zhang, Y. Zhang, Leaching Kinetics of Panzhihuailmenite in Sulfuric Acid, Hydrometallurgy, 76, 173-179, 2005. Tian C., Z. Zhang, J. Hou, N. Luo, Surfactant/Co-Polymer Template Hydrothermal Synthesis of Thermally Stable Mesoporous TiO2 from TiOSO4, Materials Letters, 62, 77-80, 2008. Fuchs, V. M., E. L. Soto, M. N. Blanco, L. R. Pizzio, Direct Modification with Tungstophosphoric Acid of Mesoporous Titania Synthesized by Urea-Templated Sol-Gel Reaction, Journal of Colloid and Interface Science, 327, 403-411, 2008. Hasan, M,K., D. A. Begum, M. F. Islam, Leaching of Sodium Sulfide Roasted Ilmenit Sand, Bangladesh J. Sci. Ind. Res. 42, 367-376, 2007. Fouda, M.F.R., Amin, R. S., Saleh, H.I., Labib, A.A. dan Mousa, H.A., Preparation and Characterization of Nanosized Titania Prepared from Beach Black Sands Broad on The

Wahyuningsih, dkk

Mediterranean Sea Coast in Egypt Via Reaction with Acids, Australian Journal of Basic and Applied Science, 4, 4540-4553, 2010. 9. Batrakova, E. V., A. V. Kabanov, Pluronic Block Copolymers Evolution of Drug Delivery Concept from Inert Nanocarriers to Biological Response Modifiers, Journal Control Release, 130, 98-106, 2008. 10. Alexandris, P., J. F. Holzwarth, T. A. Hatton, Micellization of Poly (Ethylene Oxide)-Poly (Propylene Oxide)-Poly (Ethylene Oxide) Triblock Copolymer in Aqueous Solutions: Thermodinamics of Copolymer Association, Macromolecules, 27, 2414-2425, 1994. 11. Pillai, S. C., P. Periyat, R. George, D. E. McCormack, M. K. Seery, H. Hayden, J. Colreavy, D. Corr, S. Hinder, Synthesis of HighTemperature Stable Anatase TiO2 Photocatalyst, J. Phys. Chem., 111, 1605-1611, 2007. 12. Stengl, V., V. Houskova, N. Murafa, S. Bakardjieva, Synthesis of Mesoporous Titania by Homogeneous Hydrolysis of Titania Oxo-Sulfate In The Presence Of Cationic and Anionic Surfactants, Ceramics-Silikaty, 54 (4), 368-378, 2010.


Wahyuningsih, dkk

ISSN 0216 - 3128


81

Wahyuningsih, dkk ISSN

Recommend Documents