BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
1. Preparasi, Identifikasi dan Karakterisasi Zeolit Y Awal
Preparasi sampel zeolit Y awal dimaksudkan untuk meningkatkan situs aktif dalam zeolit Y sehingga mempunyai kapasitas penukar kation yang lebih besar. Identifikasi dan karakterisasi zeolit Y awal bertujuan untuk mengidentifikasi dan mengetahui karakter dari katalis awal yang nantinya akan digunakan sebagai pembanding untuk katalis logam-pengemban yang dihasilkan.
a. Preparasi Zeolit Y Awal
Material pengemban yang digunakan dalam penelitian ini adalah NH4-Zeolit Y yang berasal dari Tosoh Corporation, Jepang. Preparasi dilakukan dengan tujuan untuk mengubah material pengemban NH4-Zeolit Y menjadi H-Zeolit Y melalui proses kalsinasi, yaitu dengan memanaskan NH4-Zeolit Y pada temperatur 550°C selama 1 jam di dalam furnace.
Proses pengubahan NH4-Zeolit Y menjadi H-Zeolit Y dimaksudkan untuk meningkatkan keasaman dan luas permukaan dari zeolit Y, sehingga kapasitas pertukaran kation dalam zeolit Y menjadi lebih besar dan situs aktif dari zeolit Y meningkat, reaksi terjadi sebagai berikut:
Kalsinasi 550°C
NH4-Zeolit Y(s) NH3(g) + H-Zeolit Y(s)
-NH3
33
. Kalsinasi NH4-Zeolit Y pada temperatur 550°C selama 1 jam bertujuan untuk menghilangkan atau menguapkan NH3, sehingga ion NH4+ yang terikat pada zeolit Y berubah menjadi H+. Perubahan ini menyebabkan terbentuknya gugus asam Brönsted, yang berfungsi untuk memodifikasi sifat katalitik dari zeolit Y. Kalsinasi juga dapat menghilangkan oksida-oksida pengotor tetapi tidak merusak struktur kristal zeolit Y, sehingga kristalinitas zeolit Y secara keseluruhan meningkat.
b. Identifikasi Zeolit Y Awal
Identifikasi zeolit Y meliputi identifikasi kristalinitas dan komposisi mineral penyusun, serta gugus fungsi dan jenis senyawa. Identifikasi dilakukan untuk sampel NH4-Zeolit Y awal dan sampel H-Zeolit Y. Identifikasi ini bertujuan untuk mengetahui perubahan kristalinitas dan gugus fungsi dari kedua zeolit Y awal tersebut.
1. Hasil Analisis Gugus Fungsi Dengan Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spektrofotometri IR dapat digunakan untuk identifikasi suatu mineral dan untuk menganalisis gugus fungsional dari suatu senyawa. Pada penelitian ini, spektrofotometri IR merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk karakterisasi struktur zeolit Y, karena dapat memberikan informasi tentang keberadaan unit bangun tetrahedral dan gugus fungsional yang terdapat dalam kerangka zeolit Y.
Hasil analisis gugus fungsi dari sampel NH4-Zeolit Y awal dan H-Zeolit Y dimaksudkan untuk melihat adanya gugus fungsional –NH3 pada sampel NH4-Zeolit Y dan untuk mengetahui hilangnya gugus –NH3 setelah kalsinasi pada temperatur 550°C pada sampel H-Zeolit Y, sehingga dapat diketahui pengaruh
pemanasan tersebut terhadap gugus pada zeolit Y. Spektra FTIR dari NH4-Zeolit Y awal dan H-Zeolit Y disajikan masing-masing dalam Gambar 11a
awal selengkapnya disajikan pada Tabel Lampiran 1, sedangkan hasil identifikasi gugus fungsi dari H-Zeolit Y selengkapnya disajikan pada Tabel Lampiran 2.
Gambar 11. Perbandingan Serapan FTIR dari Sampel (a) NH4-Zeolit Y Awal, dan (b) H-Zeolit Y.
Dari puncak-puncak spektra pada Gambar 11a tersebut, dapat diidentifikasi jenis-jenis vibrasinya yaitu gugus O-H hidroksil yang merupakan vibrasi ulur struktur alumina silikat (gugus Al-OH atau Si-OH) dalam struktur zeolit Y ditunjukkan oleh serapan pada daerah bilangan gelombang 3441,01 cm-1. Vibrasi ulur O-H hidroksil pada struktur alumina silikat seperti zeolit dilaporkan berada pada daerah bilangan gelombang 3700-3200 cm-1 (Silverstein dkk, 1986). Gugus N-H yang merupakan vibrasi tekuk dari gugus amina primer (NH3) ditunjukkan oleh serapan pada daerah bilangan gelombang 2342,53 cm-1, 2361,09 cm-1 dan 2462,72 cm-1. Gugus O-H yang merupakan vibrasi tekuk dari molekul air yang teradsorbsi ditunjukkan pada daerah bilangan gelombang 1401,94 cm-1,
T ra n sm it an ce (a) (b) -N-H
35
1559,60 cm-1 dan 1636,66 cm-1. Identifikasi selanjutnya yaitu pada puncak-puncak dengan daerah bilangan gelombang 1150-400 cm-1. Rentangan asimetri -O-Si-O- dan -O-Al-O- yang merupakan ciri khas dari senyawa alumina silikat seperti zeolit atau lempung ditunjukkan oleh serapan dengan intensitas kuat dan lebar pada 1059,51 cm-1. Rentangan simetri -O-Si-O- dan -O-Al-O- yang merupakan pita serapan yang khas untuk struktur zeolit Y terdapat pada bilangan gelombang 813,68 cm-1. Vibrasi tekuk dari Si-O atau Al-O dengan daerah antara 420-500cm-1 muncul pada daerah bilangan gelombang 451,57 cm-1 dan 586,36 cm-1. Hasil identifikasi gugus fungsi NH4-Zeolit Y Awal disajikan pada Tabel Lampiran 1.
Spektra FTIR dari sampel H-Zeolit Y yang disajikan pada Gambar 11b tersebut, menunjukkan adanya vibrasi gugus -O-H dari gugus Si-OH dan Al-OH pada bilangan gelombang 3439,93 cm-1. Vibrasi gugus -O-H yang berikatan hidrogen dari molekul air yang teradsorbsi ditunjukkan oleh serapan pada daerah bilangan gelombang 1600-1300 cm-1 yaitu pada 1635,29 cm-1. Vibrasi tekuk dari gugus Si-O dan Al-O ditunjukkan oleh daerah bilangan gelombang 420-500 cm-1 yaitu 453,71 cm-1 dan 405,80 cm-1. Hasil identifikasi gugus fungsi H-Zeolit Y disajikan pada Tabel Lampiran 2.
Berdasarkan perbandingan hasil serapan FT-IR dari sampel NH4-Zeolit Y awal dan sampel H-Zeolit Y maka dapat disimpulkan bahwa kedua sampel tersebut masing-masing mempunyai gugus-gugus Si-O/Al-O, gugus -O-H dari Al-OH/Si-OH, gugus -O-Si-O-, gugus -O-Al-O-, dan gugus O-H dari molekul air yang teradsorbsi. Adanya gugus-gugus tersebut menunjukkan bahwa pada sampel NH4-Zeolit Y Awal dan sampel H-Zeolit Y terdapat kerangka alumina silikat dan mempunyai situs aktif. Hal tersebut menunjukkan bahwa pemanasan pada temperatur 550°C (proses kalsinasi) dalam preparasi menjadi sampel H-Zeolit Y, tidak merusak kerangka alumina silikat pada zeolit Y.
Identifikasi gugus fungsional untuk sampel H-Zeolit Y tidak memperlihatkan adanya vibrasi tekuk gugus N-H dari gugus amina primer (NH3) yang ditunjukkan oleh serapan pada bilangan gelombang 3100-2000 cm-1. Hal tersebut menunjukkan bahwa sampel H-Zeolit Y tidak mempunyai gugus N-H
lagi. Sehingga dapat disimpulkan bahwa dengan pemanasan pada temperatur 550°C (kalsinasi) dari sampel NH4-Zeolit Y dapat memutuskan gugus NH3 dan diperoleh sampel H-Zeolit Y. Data analisis FTIR selengkapnya disajikan pada Gambar Lampiran 18, 19 dan 20.
2. Kristalinitas dan Komposisi Mineral Zeolit Y Awal
Kristalinitas NH4-Zeolit Y awal dan H-Zeolit Y dianalisis dengan menggunakan Difraksi Sinar X (XRD) di Laboratorium Pusat MIPA UNS Surakarta. Pengukuran dengan Difraksi Sinar X ini dilakukan untuk mengidentifikasi kristalinitas NH4-Zeolit Y awal dan perubahan kristalinitas yang diakibatkan oleh proses pemanasan temperatur 550°C selama 1 jam dalam H-Zeolit Y.
Identifikasi NH4-Zeolit Y Awal dan H-Zeolit Y, dilakukan dengan menggunakan Difraksi Sinar X (XRD) pada rentang sudut (2θ) 0-90˚. Analisis yang dilakukan meliputi analisis secara kualitatif dan kuantitatif. Analisis secara kualitatif dilakukan dengan mencocokkan harga d pada NH4-Zeolit Y Awal dan H-Zeolit Y dengan standar Joint Comitte Powder Diffraction Standart (JCPDS) Powder Diffraction File. Standar JCPDS yang digunakan adalah standar JCPDS Powder Diffraction File Faujasit, Faujasit-Na dan Zeolit Y.
Analisis komposisi mineral dalam NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y dengan mencocokkan harga d pada NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y dengan harga d pada standar JCPDS Powder Diffraction File Faujasit, Faujasit-Na dan Zeolit Y. Kondisi Operasi X-Ray Diffraction Katalis disajikan pada Lampiran 2. Hasil analisis disajikan pada Gambar 12.
(a)
In
te
n
37
2θ Gambar 12. Perbandingan Difraktogram (a) NH4-Zeolit Y dan (b) H-Zeolit Y
Berdasarkan Gambar 12 terlihat bahwa H-Zeolit Y (Gambar 12b) mempunyai pola yang hampir sama dengan NH4-Zeolit Y (Gambar 12a) tapi dengan intensitas yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa katalis H-Zeolit Y mempunyai mineral yang sama dengan NH4-Zeolit Y dengan jumlah yang
berbeda.
Analisis kuantitatif dilakukan dengan membandingkan intensitas relatif (I/I1) puncak-puncak difraksi mineral zeolit Y dengan intensitas relatif total zeolit Y. Analisis ini bertujuan untuk mengetahui persentase masing-masing komposisi mineral penyusun zeolit Y yang dilakukan dengan perhitungan seperti yang ditunjukkan pada Lampiran 17. Berdasarkan hasil perhitungan diketahui bahwa NH4-Zeolit Y mengandung mineral faujasit 93,898%. Data selengkapnya untuk analisis NH4-Zeolit Y disajikan pada Tabel Lampiran 3. Pada sampel H-Zeolit Y mengandung mineral faujasit 95,511%, hasil analisis selengkapnya disajikan pada Tabel Lampiran 4.
Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah NH4-Zeolit Y yang diaktivasi dengan pemanasan (kalsinasi) pada temperatur 550°C selama 1 jam. Aktivasi NH4-Zeolit Y dengan kalsinasi pada temperatur 550°C dapat menghilangkan senyawa NH3 tanpa merusak struktur kristal zeolit Y serta dapat menyebabkan terlarutnya pengotor sehingga kandungan total H-Zeolit Y meningkat.
c. Karakterisasi Zeolit Y Awal
Karakterisasi yang dilakukan terhadap zeolit Y awal meliputi keasaman total, luas permukaan spesifik dan kandungan logam Si, Al, Ni dan Mo. Analisis keasaman total dengan metode adsorpsi amonia, luas permukaan dengan metode methylen blue, dan analisis kandungan logam Si, Al, Ni dan Mo dengan AAS.
1) Analisis Keasaman Total
Analisis keasaman total dengan metode adsorpsi amonia dimaksudkan untuk mengetahui adanya situs asam dalam sampel NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y. Metode adsorpsi dilakukan dengan pengukuran jumlah amonia yang bereaksi dengan gugus asam padatan. Jumlah amonia tersebut ekuivalen dengan jumlah asam pada permukaan zeolit Y. Data hasil analisis keasaman total disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Keasaman Total Sampel NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y.
No. Sampel Keasaman Total (mmol/g)
1 NH4-Zeolit-Y 3,878 ± 0,075
2 H-Zeolit-Y 5,089 ± 0,268
Hasil analisis pada Tabel 2 menunjukkan bahwa keasaman H-Zeolit Y lebih besar daripada NH4-Zeolit Y, dengan contoh perhitungan keasaman disajikan pada Lampiran 3.
H-Zeolit Y mempunyai keasaman lebih tinggi dari NH4-Zeolit Y karena adanya aktivasi NH4-Zeolit Y dengan kalsinasi pada temperatur 550°C menjadi H-Zeolit Y. Adanya aktivasi tersebut menyebabkan terbentuknya situs asam Brönsted yakni dengan lepasnya gugus NH3 sehingga zeolit Y mempunyai kation H+. Situs asam Brönsted berasal dari kation H+ yang menyeimbangkan muatan negatif alumina silikat. Adanya basa ammonia yang teradsorb pada H-Zeolit Y mengakibatkan terjadinya reaksi pembentukan ion ammonium (NH4+). Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
NH3 + H+ → NH4+ (teradsorb)
2) Analisis Luas Permukaan Spesifik
Luas permukaan zeolit Y merupakan luas permukaan tiap gram zeolit Y. Penentuan luas permukaan katalis dilakukan dengan metode adsorpsi methylen blue. Pengukuran luas permukaan dengan metode adsorpsi methylen blue hanya dapat mengukur luas pada permukaan luar sampel tidak dapat mengukur luas permukaan pada pori-pori sampel, sehingga pada penelitian ini dilakukan analisis luas permukaan spesifik, volume pori total dan rerata jejari pori didasarkan pada
39
perhitungan adsorpsi monolayer gas nitrogen dengan teori BET menggunakan SAA. Hasil pengukuran luas permukaan spesifik NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y ditunjukkan oleh Tabel 3.
Tabel 3. Luas Permukaan Spesifik dengan adsorpsi methylen blue (S1), Luas Permukaan Spesifik dengan SAA (S2) Volume Pori Total (V) dan Rerata Jejari Pori (R) NH4-Zeolit Y dan H-Zeolit Y
Sampel S1 (m2/g) S2 (m2/g) V (10-3 cm3/g) R (Å) NH4-Zeolit Y 12,686 ± 0,001 237,769 111,346 9,366 H-Zeolit Y 12,691±0,001 409,286 207,786 10,154
Pada Tabel 3 terlihat bahwa sampel H-Zeolit Y mempunyai luas permukaan spesifik yang lebih besar daripada sampel NH4-Zeolit Y. Hasil analisis dengan metode adsorpsi methylen blue menunjukkan bahwa terjadi kenaikan luas permukaan spesifik setelah NH4-Zeolit Y mengalami aktivasi dengan melepas gugus NH3 dan menjadi H-Zeolit Y melalui proses kalsinasi pada temperatur 550°C selama 1 jam.
Hasil analisis dengan SAA menunjukkan bahwa terjadi perubahan luas permukaan spesifik sebesar 171,517 m2/g dari NH4-Zeolit Y menjadi H-Zeolit Y. Data hasil analisis luas permukaan spesifik NH4-Zeolit Y selengkapnya disajikan pada Gambar Lampiran 1, sedangkan data hasil analisis luas permukaan spesifik H-Zeolit Y selengkapnya disajikan pada Gambar Lampiran 3.
Modifikasi NH4-Zeolit Y menjadi H-Zeolit Y menyebabkan peningkatan rerata jejari pori. Peningkatan rerata jejari pori tersebut disebabkan karena pelepasan gugus NH3 yang berakibat terbentuknya pori-pori baru, maupun terjadinya pembukaan pori zeolit Y yang semula tertutupi oleh pengotor melalui pemanasan pada temperatur 550°C selama 1 jam. Hasil analisis juga menunjukkan bahwa dengan perubahan rerata jejari dan terbentuknya pori-pori baru dapat meningkatkan volume pori total. Berdasarkan hasil tersebut maka bahan pengemban yang digunakan untuk pengembanan logam Ni (NiO) dan Mo (MoO3) pada penelitian ini digunakan H-Zeolit Y yang mempunyai luas permukaan spesifik lebih besar daripada NH4-Zeolit Y. Hasil analisis volume pori total dan rerata jejari pori NH4-Zeolit Y disajikan pada Gambar Lampiran 2, sedangkan
hasil analisis volume pori total dan rerata jejari pori NH4-Zeolit Y disajikan pada Gambar Lampiran 4.
3) Analisis Kandungan Logam
Analisis kandungan logam Si (SiO2), Al (Al2O3), Ni (NiO) dan Mo (MoO3) dilakukan pada sampel H-Zeolit Y yang mempunyai harga keasaman dan luas permukaan spesifik yang lebih besar daripada NH4-Zeolit Y, seperti yang telah diuraikan sebelumnya. Analisis kandungan logam ini dilakukan dengan AAS, yang dimaksudkan untuk mengetahui kandungan logam Si (SiO2), Al (Al2O3), Ni (NiO) dan Mo (MoO3) dalam H-Zeolit Y sebelum dilakukan pengembanan logam Ni (NiO) dan Mo (MoO3), dan sebagai faktor koreksi terhadap katalis yang dihasilkan. Hasil analisis dengan AAS disajikan pada Tabel 5.
Tabel 4. Kandungan logam Si, logam Al, logam Ni dan logam Mo dalam H-Zeolit Y
Jenis Logam Kandungan Logam (%b/b)
Si 60,09
Al 15,16
Ni 0,16
Mo 0,42
Pada Tabel 4 tersebut dapat diketahui bahwa H-Zeolit Y mengandung logam Si dan logam Al, hal tersebut menunjukkan bahwa dalam H-Zeolit Y terdapat kerangka alumina silikat. Selain itu, H-Zeolit Y juga mengandung logam Ni dan logam Mo. Kandungan logam Ni dan Mo dalam H-Zeolit Y sangat kecil sehingga perlu ditingkatkan dengan cara mengembankan logam Ni dan Mo kedalam H-Zeolit Y. Peningkatan kandungan logam Ni dan Mo diharapkan dapat meningkatkan kualitas zeolit Y sebagai katalis.