2.5 Mesopori pada zeolit ZSM-5
2.6.3 Fourier Transform Infrared (FTIR)
Fourier Transform Infrared (FTIR) merupakan cara yang didasarkan pada interaksi antara radiasi IR dengan sampel baik berupa padatan, cairan, atau gas.
Metode analisis ini digunakan untuk mengukur frekuensi dan intensitas sampel.
Frekuensi yang dihasilkan digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi pada sampel karena setiap gugus fungsi menyerap radiasi pada frekuensi yang berbeda.
Komponen konsentrasi ditentukan berdasarkan intensitas serapan. Daerah inframerah pada spektrum elektromagnetik memanjang dari daerah tampak sampai daerah gelombang mikro, ditunjukkan pada Gambar 2.10 (Smith, 2011).
Gambar 2.10 Spektrum Elektromagnetik (Smith, 2011)
Prinsip FTIR ditunjukkan pada Gambar 2.11, yaitu sumber radiasi IR dipancarkan pada dua kaca yang berbeda. Salah satu kaca diam dan lainnya bergerak dengan kecepatan konstan. Kedua kaca yang berbeda, mula-mula memantulkan radiasi IR sehingga terjadi penggabungan kedua radiasi IR dari kaca yang berbeda, kemudian radiasi IR ini bergerak melewati sampel dan detektor.
Pada detektor tersebut tercatat semua panjang gelombang sampel dalam rentang IR (Blum dan John, 2012).
Gambar 2.11 Interferometer Menggunakan FTIR (Blum dan John, 2012)
Liu dkk. (2015) telah menganalisis zeolit ZSM-5 dari rektorit dengan perlakuan yang berbeda menggunakan spektrum FTIR. Gambar 2.12 menunjukkan rektorit tanpa perlakuan (Re), rektorit dengan perlakuan panas (T-Re), rektorit dengan penambahan alkali (AF-Re) dan rektorit diaktivasi menggunakan SMS (SMS-Re). Pada bilangan gelombang 1029 cm-1, Si-O-Si mengalami stretching, namun AF-Re dan SMS-Re mengalami pergeseran dari panjang gelombang 1029 cm-1 menuju bilangan gelombang 980 cm-1 akibat hilangnya matriks alumunium dan terbentuknya empat alumunium terkoordinasi.
Bilangan gelombang 550 cm-1 merupakan pita kristalinitas molekul zeolit.
Spektrum menunjukkan, pada bilangan gelombang tersebut terdapat puncak pada Re dan T-Re, sedangan AF-Re dan SMS-Re hilang akibat SiO4 tetrahedral dan AlO6 oktahedral hilang. Aktivitas SMS-Re dan AF-Re lebih efektif pada perlakuan panas (Liu dkk., 2015).
Gambar 2.12 Spektra FTIR pada Zeolit ZSM-5 (Liu dkk., 2015)
2.6.4 Fisisorpsi N2
Penentuan luas permukaan dan distribusi ukuran pori pada zeolit dan kaolin menggunakan adsorpsi N2. Hal ini dikarenakan nitrogen merupakan bahan serap yang disukai karena memiliki momen quadra-pole permanen yang bertanggung jawab dalam pembentukan monolayer pada permukaan, selain itu nitrogen cair sangat berlimpah. Pada dasarnya adsorpsi dibagi menjadi dua, yaitu adsorpi fisik (fisisorpsi) dan adsorpsi kimia (kemisorpsi). Fisisorpsi merupakan jenis adsorpsi fisik dialam yang dikendalikan oleh gaya Van Der Waals, sedangkan kemisorpsi melibatkan pembentukan ikatan ionik dan kovalen antara adsorben dan adsorbat. Adsorben merupakan fasa padat, sedangkan adsorbat merupakan fasa fluida. Pada kemisorpi ionik, molekul terbatasi pada daerah reaktif permukaan material sehingga adsorpsi hanya pada daerah monolayer.
Proses fisisorpsi dapat melibatkan pembentukan multilayer sehingga fisisorpsi lebih kuat dibandingkan dengan kemisorpsi. Fisisorpsi terutama digunakan untuk menentukan luas permukaan dan ukuran pori pada suatu bahan (Allen, 1997).
Ukuran pori pada material dibagi menjadi 3, yaitu non pori, mikropori, dan mesopori. Material non pori memilki permukaan hampir datar sehingga luas permukaannya sangat rendah akibatnya pada proses adsorpsi hanya sedikit gas yang teradsorsi. Pada tekanan, P/P0 = 0, gas yang teradsorpsi sangat sedikit, terlihat pada koordinatnya yang sangat rendah. Pada tekanan, P/P0< 1, gas yang teradsorpsi hanya pada daerah monolayer, terlihat kurva naik sedikit. Pada tekanan, P/P0 = 1, gas yang teradsorpsi terjadi pada daerah multilayer, terlihat
puncak naik tajam. Pada material non pori jumlah gas yang terdesorpsi sama dengan jumlah gas yang teradsopsi (Perry, 1997).
Gambar 2.13 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material non Pori (Perry, 1997) Berbeda dengan material non pori dan mesopori, material mikropori memiliki adsorpsi yang kompleks. Pada material mikropori terjadi overlap potensial dari kedua sisi dinding pori sehingga potensial adsorpsinya meningkat.
Semakin meningkat potensial adsorpsi tersebut maka semakin kecil ukuran pori sehingga energi adsorpsi meningkat. Proses adsorpsi terjadi pada tekanan rendah sehingga gas terlebih dahulu mengisi mikropori yang berukuran kecil kemudian mengisi mikropori yang berukuran besar. Pada tekanan, P/P0 = 0, gas yang teradsorpsi banyak, sehingga kurva naik tajam. Gas yang teradsorpsi pada material mikropori lebih besar dari pada material mesopori sehingga luas permukaan mikropori lebih tinggi dari pada material mesopori. Pada material mikropori jumlah gas yang terdesorpsi sama dengan jumlah gas yang teradsopsi (Perry, 1997).
Gambar 2.14 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mikropori (Perry, 1997)
Material mesopori pada tekanan, P/P0 = 0, gas yang teradsorpsi sangat sedikit, pada daerah monolayer belum terjenuhi. Pada tekanan, P/P0 < 1 gas teradsopsi pada daerah monolayer telah terjenuhi, pada tekanan (P/P0) sekitar 0.5 volume gas teradsorbsi pada daerah multilayer, sedangkan pada tekanan (P/P0) = 1 volume gas teradsorpsi pada daerah mesopori. Tekanan yang sangat tinggi menyebabkan jumlah gas yang teradsorpsi sangat besar sehingga kurva isotermal naik. Ketika tekanan turun terjadi loop histerisis, yaitu jumlah gas yang teradsorpsi tidak sama dengan jumlah gas yang terdesorpsi. Histerisi terjadi karena adanya kondensasi kapiler pada mesopori (Perry, 1997).
Gambar 2.15 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mesopori (Perry, 1997)
Groen dkk. (2005) telah mengamati proses adsorpsi dan desorpsi N2 pada zeolit ZSM-5 dengan perlakuan dan rasio yang berbeda, yaitu perlakuan alkali pada rasio 15 (Z-15-at), rasio 35 (Z-35-at), dan rasio 200 (Z-200-at), perlakuan uap pada rasio 15 (Z-15-st), rasio 35 (Z-35-st), dan rasio 200 (Z-200-st) serta zeolit ZSM-5 tanpa perlakuan pada rasio 15 (Z-15-nt), rasio 35 (Z-35-nt) dan rasio 200 (Z-200-nt). Pada ZSM-5 tanpa perlakuan menunjukkan karakteristik tipe I, yaitu zeolit ZSM-5 berukuran mikropori. Hal ini ditunjukkan dengan jumlah volume absorbansi tinggi. Adsorpsi N2 pada zeolit ZSM-5 dengan perlakuan uap menunjukkan sedikit perubahan yang ditunjukkan pada jumlah volume absorbansi sedikit lebih menurun dibandingkan dengan adsorpsi N2 tanpa perlakuan. Pada perlakuan uap tersebut luas permukaan mesopori 200-st lebih besar dari pada Z-35-st dan luas permukaan Z-Z-35-st lebih besar dari pada Z-15-st. Hal ini
dikarenakan dengan adanya perlakuan uap konsentrasi Al dalam zeolit menurun, sehingga semakin sedikit konsentrasi Al dalam zeolit maka luas permukaan mesoporinya semakin besar. Adsorpsi N2 dengan perlakuan alkali mengakibatkan zeolit berukuran mesopori, ditunjukkan pada jumlah volume absorbansi menurun dibandingkan dengan adsorbsi N2 tanpa perlakuan. Perlakuan tersebut menyebabkan luas permukaan pada Z-35 dan Z-200 meningkat karena rasio Si/Al tinggi, selain itu juga dikarenakan pada Z-35 dan Z-200 terdapat histeresis, semakin tinggi histeresis maka semakin besar luas permukaan (Gambar 2.16).
Gambar 2.16 Adsorpsi desorpsi N2 pada zeolit ZSM-5 dengan perbedaan perlakuan (Groen dkk., 2005)
Groen dkk. (2005) telah meneliti ditribusi ukuran pori menggunakan metode Barrett-Joyner-Halenda (BJH), dan menghitung total luas permukaan menggunakan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET). Luas permukaan pori terdiri dari permukaan luar partikel maupun ukuran mesopori dan mikropori.
Metode t-plot digunakan untuk membedakan antara mikropori dan mesopori, saito-foley digunakan untuk menghitung distribusi ukuran mikropori, dan ICP-OES digunakan untuk menentukan konsentrasi Al dan Si pada zeolit. Pada Gambar 2.17 menunjukkan distribusi ukuran pori zeolit ZSM-5 dengan rasio Si/Al 35 pada perlakuan yang berbeda. Zeolit ZSM-5 dengan rasio Si/Al 35 tanpa perlakuan 35-nt), dengan perlakuan uap 35-st), dengan perlakuan alkali (Z-35-at), dengan perlakuan alkali uap (Z-35-at-st) dan dengan perlakuan uap alkali(Z-35-st-at). Z-35-st kurang efektif dalam pengurangan Si dan pembentukan mesopori dibandingkan dengan Z-35-nt. Z-35-st memiliki rasio Si/Al lebih tinggi dibandingkan dengan nt, sehingga st sulit mengalami desilikasi. Z-35-st-at memiliki rasio Si/Al 38, sedangkan Z-35-at memiliki rasio Si/Al 24. Hasil adsorpsi N2 menunjukkan Z-35-st-at mengalami perkembangan mesopori yang terbatas dengan volume mikropori yang sulit mengalami penurunan sehingga hasil BJH ditribusi ukuran pori menunjukkan mesopori Z-35-st-at lebih rendah dibandingkan Z-35-at, yaitu dengan volume mesopori Z-35-st-at 0,16 sedangkan Z-35-at 0,48.
Gambar 2.17 Kurva distribusi pori zeolit ZSM-5 dengan perlakuan yang berbeda (Groen dkk., 2005).
BAB III