BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Zeolit
2.4.1. Teori Zeolit
Kata zeolit berasal dari kata Yunani, zeinyang berarti membuih dan lithos
yang berarti batu. Nama ini sesuai dengan sifat zeolit yang akan membuih bila
dipanaskan pada suhu 100°C. Zeolit pertama kali ditemukan pada tahun 1756 oleh
Axel Cronstedt seorang ahli mineral dari Swedia. Jenis mineral yang ditemukan
adalah stilbit (Na2Ca4[Al10Si26O72].34H2O). Menurut penelitian yang dilakukan
Cronstedt, mineral ini akan mendidih apabila dipanaskan, hal ini disebabkan oleh
proses dehidrasi dari mineral tersebut. Di Indonesia zeolit ditemukan pada tahun
1985 oleh Pusat Pengembangan Teknologi Mineral (PPTM) Bandung dalam
jumlah besar. Penyebaran zeolit terdapat di beberapa daerah, terutama di pulau
Sumatera dan Jawa.
2.4.2. Struktur Zeolit
Si Al-
Atom O
Gambar 1. Struktur Kerangka Penyusun Zeolit
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral [AlO4]- dan
[SiO4] yang saling berhubungan melalui atom O (Barrer, 1987). Struktur kristal
zeolit membentuk suatu kerangka tetrahedron berantai dalam bentuk tiga dimensi.
Al, sedangkan atom-atom oksigen berada pada sudut-sudutnya. Rumus empiris
komposisi zeolit dapat dinyatakan sebagai berikut:
Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].wH2O
M = Kation alkali/alkali tanah
n = Valensi kation M (alkali/alkali tanah) x, y = Jumlah tetrahedral per unit sel
w = Jumlah molekul air per unit sel
Kedudukan atom Al dalam posisi tetrahedra memerlukan tambahan
muatan positif sebagai penetral muatan listrik, seperti kation logam alkali atau
alkali tanah. Keadaan seperti ini yang menyebabkan zeolit dapat bersifat sebagai
penukar kation. Sedangkan pori-pori yang terdapat di dalam struktur kristal zeolit
diisi oleh molekul air. Pada umumnya pori-pori tersebut mencapai 20 – 30% dari
total volume kristalnya. Secara garis besar, struktur zeolit dibangun dalam tiga
bagian utama, yaitu:
a. Unit bangun primer (TO4), yaitu tetrahedron dari empat oksigen dengan atom
pusat tetrahedron (T) adalah Si4+ dan Al3+. Semua atom oksigen berada di
antara dua tetrahedron.
b. Unit bangun sekunder, yaitu susunan tetrahedron yang membentuk cincin,
seperti cincin tunggal berbentuk segi empat, segi enam, segi delapan, atau
kubus, prisma heksagonal, atau gabungan dari dua cincin segi empat.
2.4.3. Sifat – sifat Zeolit
a) Dehidrasi
Sifat dehidrasi zeolit berpengaruh terhadap sifat serapannya. Keunikan
zeolit terletak pada struktur porinya yang spesifik. Pada zeolit alam di dalam pori-
porinya terdapat kation-kation atau molekul air. Pori-pori zeolit akan semakin
terbuka bila zeolit dipanaskan. Keadaan seperti ini akan memungkinkan zeolit
dapat menyerap molekul-molekul yang mempunyai jari-jari lebih kecil dari pori-
pori zeolit tersebut. Kandungan air yang terperangkap di dalam rongga zeolit
biasanya berkisar antara 10 – 35% berat zeolit (Suhala, et al, 1997).
b) Penyerapan
Zeolit digunakan sebagai bahan penyerap karena sifatnya yang selektif dan
mempunyai kapasitas tukar kation yang cukup tinggi. Zeolit dapat memisahkan
molekul-molekul berdasarkan ukuran dan bentuk struktur kristal zeolit. Bila zeolit
dipanaskan maka air yang terkandung di dalamnya akan menguap. Zeolit yang
telah dipanaskan dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan (Khairinal,
2000). Jika beberapa molekul memasuki sistem pori zeolit, salah satu molekul
tersebut akan tertahan karena perbedaan kepolarannya. Mekanisme penyerapan
dengan zeolit dapat dilakukan dengan tiga cara, yaitu penyerapan fisik,
penyerapan kimia, atau gabungan dari keduanya (penyerapan fisik dan kimia).
Penyerapan tersebut bergantung kepada sifat unsur yang diserap, keasaman
c) Penukar Ion
Kation-kation yang terdapat pada rongga zeolit berguna untuk menjaga
kenetralan zeolit. Kation-kation ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran
kation yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya.
Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain tergantung dari sifat kation, suhu,
dan jenis anion (Bambang, 1998). Selain sebagai penukar kation, zeolit juga dapat
berfungsi sebagai penukar anion. Dalam hal ini, kedudukan dari gugus hidroksil
(OH-) pada zeolit memegang peranan penting. Gugus hidroksil pada zeolit dapat
dibentuk dengan metode deamonisasi melalui proses pertukaran ion NH4+ pada
zeolit.
d) Katalis
Zeolit sebagai katalis hanya mempengaruhi laju reaksi tanpa
mempengaruhi kesetimbangan reaksi. Katalis berpori dengan ukuran pori-pori
tertentu akan memuat molekul yang lebih kecil tetapi mencegah molekul yang
lebih besar masuk. Sebagai katalis, zeolit mempunyai keistimewaan, yaitu lama
pemakaian yang lebih panjang bila dibandingkan dengan bahan katalis lainnya.
e) Penyaring/pemisah
Zeolit sebagai penyaring molekul maupun pemisah didasarkan atas
perbedaan bentuk, ukuran, dan polaritas molekul yang disaring. Sifat ini
disebabkan karena zeolit mempunyai pori-pori yang cukup besar. Molekul yang
berukuran lebih kecil dari pori-pori zeolit dapat melintas sedangkan yang
ini disebut molecular sieve yang terdapat dalam substansi zeolit alam (Bambang,
1998). Diameter pori-pori zeolit bervariasi sesuai dengan jenis zeolit, seperti yang
dapat dilihat pada tabel 4.
2.4.4. Jenis-jenis Zeolit
a) Zeolit Alam
Zeolit alam merupakan senyawa alumino silikat terhidrasi, dengan unsur
yang terdiri dari kation alkali dan alkali tanah. Senyawa ini berstruktur tiga
dimensi dan mempunyai pori yang dapat diisi oleh molekul air. Zeolit alam
terbentuk karena adanya perubahan alam (zeolitisasi) dari bahan vulkanik dan
dapat digunakan secara langsung untuk berbagai keperluan, namun daya serap
maupun daya tukar ion zeolit ini belum maksimal. Untuk memperoleh zeolit
dengan daya guna tinggi diperlukan suatu perlakuan yaitu dengan aktivasi.
Beberapa penelitian yang telah dilakukan menunjukkan bahwa zeolit alam mampu
dimanfaatkan sebagai adsorben limbah pencemar dari beberapa industri. Zeolit
mampu menyerap berbagai macam logam, antara lain Ni, Np, Pb, U, Zn, Ba, Ca,
Mg, Sr, Cd, Cu dan Hg (Kosmulski, 2001).
Perbandingan antara atom Si dan atom Al yang bervariasi akan
menghasilkan banyak jenis zeolit yang terdapat di alam. Sampai saat ini telah
ditemukan lebih dari 50 jenis zeolit alam. Namun, mineral pembentuk zeolit
hanya ada 8 besar jenisnya, seperti yang dapat dilihat pada tabel 4. Di Indonesia,
Tabel 4. Jenis Mineral Zeolit Alam dan Sifat Fisiknya
Jenis Mineral
Zeolit
Rumus Kimia Rasio Si/Al Diameter Pori (Å) Kapasitas Tukar Kation (meq/100g) Analsim Na16[Al16Si32O96]10H2O 2 2,6 4,54 Kabazit Ca2[Al4Si8O24]13H2O 2 3,7 - 4,2 3,84 Filipsit K2Ca1,5Na[Al6Si10O32]12 H2O 1,67 2,8 - 4,8 3,31 Klinoptilolit Na6[Al6Si30O72]24 H2O 5 3,9 - 5,4 2,16 Erionit Na2K2Mg0,5Ca2[Al9Si27O72] 27H2O 3 3,6 - 5,2 3,12
Ferrierit NaCa0,5Mg2[Al6Si30O72]
20H2O 5 3,4 - 5,5 2,33 Mordenit Na8[Al8Si40O96]24 H2O 5 2,9 - 7,0 2,29 Laumonit Ca4[Al8Si16O46]16H2O 2 4,6 - 6,3 4,25 Sumber : Dyer, A, 1988 b) Zeolit Buatan
Zeolit buatan merupakan hasil rekayasa manusia secara proses kimia yang
bisa dimodifikasi sesuai kebutuhan. Sifat zeolit yang dihasilkan tergantung dari
jumlah komponen atom Al dan atom Si dari zeolit tersebut. Salah satu jenis zeolit
buatan yang dihasilkan adalah Zeolit A (Na12[Al12Si12O48]27H2O). Zeolit buatan
lebih murni dan mempunyai kemampuan lebih luas dibandingkan dengan zeolit
alam, terutama sebagai bahan katalis.
2.4.5. Mordenit
Zeolit alam jenis mordenit mempunyai struktur kristal berbentuk
ortorombik, yang terdiri dari cincin 8 dan cincin 12. Cincin 8 dan cincin 12
dengan ukuran masing-masing 2,6 x 5,7 Å dan 6,7 x 7,0 Å serta mempunyai total
volume rongga 28% (Parikesit, Eko, 2003). Pada umumnya mordernit
mengandung ion Na, Ca dan K. Sifat adsorpsi mordenit ditentukan oleh ukuran
rongga, sehingga hanya molekul-molekul yang berdiameter lebih kecil yang dapat
diserap oleh mordenit terhidrasi (Judawati, Janis, 1993).
Gambar 2. Struktur Stereotip Mordenit
2.4.6. Aktivasi Zeolit
a) Aktivasi dengan Pemanasan
Pemanasan bertujuan untuk menguapkan air yang terperangkap di dalam
pori-pori kristal zeolit, sehingga luas permukaannya bertambah (Khairinal, 2000).
Pemanasan dilakukan selama 2 – 3 jam, tergantung besarnya kandungan unsur
pengotor yang ada serta stabilitas zeolit terhadap panas. Stabilitas ini dipengaruhi
oleh jenis mineral zeolit yang terkandung. Proses pemanasan zeolit dikontrol,
karena pemanasan yang berlebihan kemungkinan akan menyebabkan zeolit
b) Aktivasi secara Kimia
Aktivasi zeolit secara kimia dilakukan dengan cara perendaman dan
pengadukan zeolit dalam larutan asam (H2SO4 atau HCl) ataupun dalam larutan
basa (NaOH). Aktivasi ini bertujuan untuk membersihkan permukaan pori,
membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dapat
dipertukarkan. Proses aktivasi dengan asam dapat meningkatkan kristalinitas,
keasaman dan luas permukaan zeolit (Hari, 2001). Perlakuan asam telah berhasil
melepaskan alumunium dari kerangka zeolit dan mampu meningkatkan keasaman
zeolit. Peningkatan keasaman zeolit mampu memperbesar kemampuan
penyerapan zeolit. Hal itu terjadi karena banyaknya pori-pori zeolit yang terbuka
dan permukaan padatannya menjadi bersih dan luas (Heraldy, et al, 2003). Zeolit
dapat dimodifikasi menggunakan NaCl untuk menjadi zeolit unikation (Na-zeolit).
Zeolit ini cenderung bersifat netral (pH 6,8). Kondisi yang cenderung netral ini
dapat meningkatkan penyerapan zeolit (Amsiri, 2010).
2.4.7. Zeolit Alam Karangnunggal
Zeolit merupakan salah satu mineral yang banyak terdapat di daerah
sepanjang pantai selatan Provinsi Jawa Barat dan Banten. Salah satu daerah yang
banyak terdapat bijih zeolit adalah Kecamatan Karangnunggal, Kabupaten
Tasikmalaya. Kabupaten Tasikmalaya memiliki penyebaran deposit zeolit di
Karangnunggal, Cipatujah dan Cikalong dengan deposit kurang lebih 39.435.125
ton. Sampai saat ini usaha penambangan zeolit masih didominasi oleh usaha
penambangan tradisional skala kecil, sebagian juga usaha pertambangan skala
luar Kabupaten Tasikmalaya sehingga nilai tambah zeolit masih rendah. Zeolit
dari Tasikmalaya pada umumnya digunakan untuk keperluan pertanian seperti
bahan pelengkap penyerap pupuk, perikanan udang untuk menetralisir amonia dan
untuk keperluan industri penjernihan air (Sulistiyono, et al, 2009).
Zeolit alam Tasikmalaya berwarna kehijauan dan mempunyai kapasitas
tukar kation 114,5 – 162,2 meq/100g. Hasil analisis kandungan senyawa oksida dan prosentase yang terkandung dalam mineral zeolit alam Karangnunggal
menggunakan XRF dapat dilihat pada tabel 5. Hasil analisis menunjukkan bahwa
zeolit hijau Karangnunggal merupakan zeolit dengan rasio Si/Al sebesar 5,05.
Hasil analisis lebih lajut menggunakan XRD untuk menentukan karakteristik
batuan zeolit menunjukkan bahwa zeolit hijau Karangnunggal merupakan jenis
mineral mordenit yang merupakan senyawa utama dari sampel ((Na2,Ca, K2) Al2
Si10 O24.7 H2O) (Sulistiyono, et al, 2009).
Tabel 5. Hasil Analisa XRF Zeolit Alam Karangnunggal
Sumber : Sulistiyono, Eko dan Murni Handayani, 2009
Senyawa Jumlah CaO 1,65 % Na2O 2,77 % K2O 0,72 % SiO2 78,92 % Al2O3 15,62 % MgO 0,05 % SiO2/Al2O3 5,05