BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.4. Katalis
2.4.1. Zeolit
Zeolit pertama kali ditemukan pada tahun 1756 oleh ahli mineralogi yang berasal dari swedia bernama Axel Comstedt. Mineral tersebut memiliki sifat seperti batu didih (boiling stone) yang dapat mengeluarkan gelembung-gelembung udara ketika dipanaskan. Dikemudian hari mineral ini disebut sebagai zeolit yang berasal dari Bahasa yunani dan merupakan gabungan kata zeo dan lithos yang berarti batu yang mendidih. Kemudian pada tahun 1984, Joseph V Smith seorang ahli kristalogi asal amerika mendefinisikan zeolit sebagai Kristal aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam suatu kerangka tiga dimensi. Ion-ion logam yang terkandung didalamnya dapat dapat diganti oleh katIon-ion lain tanpe merusak struktur zeolit dan dapat menyerap air secara reversible (Mumpton, 1978).
Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral AlO4
dan yang saling berhubungan melalui atom O. Zeolit zeolit memiliki tiga komponen yaitu kation yang dipertukarkan, kerangka aluminosilikat, dan fase air (Amy, et al., 1999). Secara umum rumus kimia dari zeolit adalah :
M2/nO.[(Al2O3)x(SiO2)y].mH2O
Keterangan : M = Kation alkali atau alkali tanah n = Valensi kation
x,y = Jumlah tetrahedral per satu unit sel [ ] = Struktur kerangka aluminosilikat m = Jumlah molekul air yang terikat
Zeolit mempunyai struktur yang berongga yang terbentuk karena pemakaian bersama atom O oleh dua tetrahedral (sharing atom O), sehingga setiap tetrahedral berikatan dengan 4 tetrahedral lainnya. Struktur berongga tersebut menjadikan zeolit dimanfaatkan sebagai penyaring molecular (molecular sieves),
penukar ion, bahan penyerap (adsorben), dan katalisator (Murat A. et al. , 2006). Susunan kimia pada zeolit yang terdiri dari Kristal hidrat dan alumina silikat menyebabkan zeolit memiliki stabilitas terhadap panas dan radiasi yang tinggi. Kation alkali dan alkali tanah yang sering digunakan diantaranya adalah Na+, K+, dan Mg2+ yang memiliki mobilitas cukup baik untuk menyeimbangkan muatan negative akibat subsitusi parsial Si4+ dan Al3+. Kation tersebut dapat bergerak babas dalam kerangka zeolit dan dikelilingi oleh molekul air sehingga mudah untuk menggantikannya dengan kation lainnya tanpa merusak kerangka zeolit (Dutta, 2000). Kerangka dasar aluminosilikat pada zeolit dapat dilihat pada Gambar 7.
Keterangan : =Si
4+
= Al
3+
= O
Gambar 7. Kerangka Dasar Aluminosilikat pada Zeolit (Suyartono,1986)
Zeolit memiliki beraneka ragam bentuk dan jenis, tergantung pada cara perolehannya. Zeolit dapat diperoleh dari alam dan dapat pula disintesis. Zeolit sintetik diperoleh melalui sintesis kimia dengan cara hidrotermal dengan sifat yang hampir sama dengan zeolit alam, namun dengan tujuan menghasilkan sifat fisis yang lebih baik. Sifat-sifat zeolit yang diinginkan dapat dimodifikasi dengan memvariasikan kandungan unsul Al dan Si. Pada umumnya zeolit sintetik hanya mengandung kation-kation K+ atau Na+ (Flanigen, 1991).
Zeolit alam terbentuk melalui proses alam yaitu terjadinya proses hidrotermal pada batuan beku basa (kandungan SiO2 antara 45% - 52%). Zeolit ini biasanya ditemukan dalam celah yang mengisi atuan tersebut. Kondisi batuan,
tanah dan lingkungan tempat pembentukannya sangat mempengaruhi sifat-sifat fisik, kimia dan struktur zeolit yang terbentuk (Yuanita, 2010). Selain itu, kedalaman lapisan tanah dimana mineral zeolit ditambang juga mempengaruhi komposisi kimia zeolit yang didapat walaupun dari tempat yang sama (Razzak, 2009). Mineral zeolit banyak terdapat di Indonesia dengan jenis yang beragam dan tersebar dibeberapa daerah berbukit seperti Sumatera, Jawa, Kalimantan, hingga ke Sulawesi. Jenis zeolit alam yang paling umum dijumpai di Indonesia adalah klinoptilolit dengan rumus kimia (Na4K4)(Al8Si40O96).24H2O. ion Na+ dan K+ merupakan kation yang dapat dipertukarkan, sedangkan Al dan Si merupakan struktur kation dan oksigen yang akan membentuk struktur tetrahedron pada zeolit (Las, 2006). Gambar struktur klinoptilolit dapa dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Struktur Klinoptilolit (Suyartono, 1986)
Penelitian ini menggunakan sampel zeolit alam lampung yang diperoleh dari lokasi penambangan PT. Winatama Mineral Perdana Desa Kalianda Lampung dan diperoleh dikedalaman ±13 m di bawah permukaan tanah. Zeolit tersebut mempunyai mempunyai densitas antara 1,9942 g/mL-2,1781 g/mL, volume pori total zeolit 86,26 x 10-3, dan luas permukaan 38,93 m2. Zeolit alam aktif memiliki aktivitas perengkahan yang cukup tinggi dengan selektivitas rendah karena sifatnya yang sangat asam. Zeolit alam sebelum digunakan harus dilakukan proses aktivasi terlebih dahulu. Tujuan aktivasi yaitu untuk menghilangkan oksida logam yang
menutupi pori sehingga daya serap dan daya tukar ion menjadi optimal (Rosdiana, 2006). Terdapat beberapa langkah utama untuk mengaktifkan zeolit alam, antara lain yaitu pemanasan awal (pre-kalsinasi), pencucican kimi, pertukaran ion, kalsinasi dan dealuminasi (Yuliusman et al., 2009).
Komposisi zeolit alam lampung ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Komposisi zeolit alam dari lampung (Yuliusman et al., 2009)
Senyawa yang diukur Kadar Berat (%)
SiO2 72,6 Al2O3 12,4 Fe2O3 1,19 Na2O 0,45 TiO2 0,16 MgO 1,15 K2O 2,17 CaO 3,56 Lain 6,32
Rumus Kimia klinoptilolit secara umum Na6(AlO2)6(SiO2)30.24 H2O Klinoptilolit Lampung Na2,94K1,35Ca0,63Mg0,21Al6,25Si29,74O7220H2O
Kemampuan zeolit sebagai katalis dipengaruhi oleh adanya pusat-pusat aktif yang terbentuk karena adanya gugus fungsi asam tipe Bronsted dan Lewis pada pori-pori zeolit. Pusat-pusat aktif asam ini menjadikan zeolit banyak digunakan pada proses perengkahan. Reaksi kataalitik berlangsung pada permukaan katalis, sehingga luas permukaan katalis berbanding lurus dengan aktivitas katalitik yang terjadi (Dyer, 1998).
Pemanfaatan zeolit sebagai katalis telah banyak digunakan pada proses transesterifikasi minyak dan lemak dari tumbuhan atau hewan untuk menghasilkan bahan bakar biodiesel. Jenis zeolit yang umum digunakan pada proses perengkahan yaitu ZSM-5 yang merupakan zeolit sintetik dengan kadar Si yang tinggi. Pada tahun 1972 telah ditemukan HZSM-5 (High Zeolite Socony Mobile-5) yang
terbukti dapat mengkonversi berbagai jenis bahan menjadi produk yang memiliki nilai oktan yang tinggi, senyawa aromatik dan produk bensin. Katalis ini telah digunakan untuk mengkonversi minyak nabati menjadi senyawa bensin. Aktivitas dan selektivitas katalis ini tergantung pada beberapa faktor seperti tingkat keasaman, massa, ukuran dan bentuk pori-pori (Twaiq et al., 1999). Sekelompok peneliti telah mempelajari secara ekstensif konversi minyak nabati terutama dari bahan conola dengan berbagai jenis zeolit, berbagai kondisi reaksi dan dengan penambahan uap (Katikaneni et al., 1995; Prasad et al., 1986). Reaksi dilakukan pada reaktor jenis fixed bed micro dengan suhu antara 300-500 0C dan tekanan atmosfir menghasilkan konversi yang maksimal dengan kandungan senyawa aromatik dalam fraksi cair senyawa organik dengan konsentrasi tinggi.
Penelitian yang telah dilakukan di Indonesia yang berkaitan dengan penggunaan zeolit pada proses pirolisis salah satunya telah dilakukan dengan menggunakan bahan baku minyak pelumas bekas. Suhu pirolisis diantara 400-5100C dengan penambahan katalis sebanyak 5 % dan laju pemanasan 5 0C/menit. Produk yang dihasilkan berupa cairan, residu padat, gas yang terkondensasi dan tidak terkondensasi. Komposisi hidrokarbon hasil analisa yaitu alkana (parrafin), alkena (olefin) dan senyawa aromatik (Gama Askaditya, 2010). Penggunaan katalis zeolit telah terbukti efektif pada perengkahan trigliserida berbahan baku minyak nabati menjadi bahan bakar cair berbagai jenis senyawa hidrkarbon. Akan tetapi pada penelitian tersebut masih dihasilkan produk dalam bentuk gas yang tidak terkondensasi (Maher dan Bressler, 2006).