BENTONIT ALAM JAMBI DIINTERKALASI DENGAN SURFAKTAN
KATIONIK BENZIL TRIMETIL AMMONIUM KLORIDA (BTMA-Cl)
SERTA APLIKASINYA SEBAGAI ADSORBEN FENOL DAN
p-KLOROFENOL
Riwandi Sihombing, Ismunaryo Munandar dan Akbar Satriandi Rahman
Program Studi Kimia, Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak
Pada penelitian ini, organoclay merupakan hasil modifikasi montmorillonite (MMT) yang berasal dari fraksi bentonit Jambi dengan cara interkalasi menggunakan surfaktan BTMA-Cl. Sebelum digunakan untuk preparasi, fraksinasi bentonit Jambi yang kaya akan kandungan montmorillonite (MMT) diseragamkan kation penyeimbangnya dengan Na+ menjadi Na-MMT. Selanjutnya menggunakan tembaga amin, ditentukan Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan diperoleh nilai sebesar 43,5 mek/100 gram Na-MMT. Preparasi organoclay menggunakan Na-MMT dengan surfaktan BTMA-Cl (Benzil Trimetil Ammonium Klorida) sebagai agen penginterkalasi dan jumlah BTMA-Cl yang ditambahkan sesuai dengan nilai 1 KTK dan 2 KTK. Hasil karakterisasi organoclay menunjukkan surfaktan BTMA-Cl telah berhasil terinterkalasi ke dalam MMT, tetapi tidak merubah basal spacing secara signifikan. Organoclay tersebut selanjutnya diuji kemampuan adsorpsinya terhadap fenol dan p-klorofenol dengan variasi konsentrasi (10-80 ppm) dan membandingkannya dengan kemampuan adsorpsi dari bentonit alam dengan konsentrasi fenol dan p-klorofenol yang sama. Dari data yang diperoleh pada kurva isoterm adsorpsi menunjukkan bahwa organoclay lebih efektif dari bentonit alam dalam menyerap fenol dan p-klorofenol. Ini menunjukkan bahwa organoclay telah mempunyai sifat organofilik walaupun d-spacingnya tidak mengalami kenaikan.
Abstract
In this research, organoclay is a modified montmorillonite (MMT) derived fromfraction of bentonite Jambi by intercalating BTMA-Cl surfactant. Before being used for the preparation, carried out on bentonite Jambi fractionation which rich in montmorillonite (MMT) was homogenized with Na+ to be Na-MMT. Further use of copper amine, the values of Cation Exchange Capacity (CEC) was determined and CEC values obtained for Na 43,5 meq/100 gram Na-MMT. Organoclay were prepared via the Na-MMT with BTMA-Cl surfactant (Benzyl Trimethyl Ammonium Chloride) as an intercalated agent and BTMA-Cl concentration were added according to the value of 1 CEC and 2 CEC. Characterization results showed that organoclay surfactant preparation has been successfully intercalated BTMA-Cl into MMT. Organoclay product is then tested the ability of phenol and p-chlorophenol adsorption by varying the concentration (10-80 ppm) and compare it with the ability adsorption of natural bentonite. From the data obtained on the adsorption isotherm curves showed that the organoclay is more effective than the natural bentonite in absorbing phenol and p-chlorophenol. This shows that organoclay has become an organophilic clay although the value of d-spacing does not increase.
Key words: organoclay, basal spacing, adsorption, phenol, p-chlorophenol
1. PENDAHULUAN
Bentonit merupakan mineral phyllosilicate yang berasal dari abu sisa vulkanis dan jumlahnya melimpah di Indonesia, seperti di daerah Jawa, Sumatera, Kalimantan dan Sulawesi. Selain itu
terdapat juga di negara lain seperti Amerika Utara, Australia dan Afrika. Penggunaan bentonit adalah sebagai adsorben senyawa anorganik, misalnya seperti ion logam-logam berat karena bentonit
memiliki kapasitas tukar kation (KTK) serta memiliki sifat hidrofilik pada permukaannya. Sifat kimia dan struktur pori bentonit pada umumnya menentukan kemampuan adsorbsi mereka (Juang et al, 2002; Koyuncu, 2008). Karena sifat hidrofilik bentonit tidak efektif digunakan untuk menyerap senyawa organik, sehingga untuk meningkatkan kapasitasnya terhadap senyawa organik, maka bentonit diinterkalasi dengan senyawa organik yang dapat berinteraksi dengan muatan negatif yang tedapat pada pemukaan
intelayernya (antarlapis) (Bergaya et al, 2006). Bentonit merupakan istilah untuk lempung yang mengandung montmorillonite (MMT). Di dalam MMT terdapat kation penyeimbang yang terdapat pada bagian antarlapis MMT. Setiap MMT dapat memiliki kation penyeimbang yang berbeda. Perbedaan kation penyeimbang tersebut dapat mempengaruhi karakter MMT, khususnya perubahan nilai d-spacing pada antar lapis MMT. Dalam interkalasi, kation penyeimbang anorganik tersebut dapat diganti dengan kation organik, misalnya ammonium kwartener. Agar bentonit yang mulanya bersifat hidrofilik dapat berubah menjadi organofilik, maka dilakukan modifikasi dengan cara penambahan surfaktan (interkalasi). Bentonit yang sudah terinterkalasi dengan surfaktan dinamakan
organoclay. Bentonit alam memiliki kekuatan adsorpsi yang kurang efektif terhadap suatu nonpolar nonionic organic compounds (NOC) di dalam air walaupun memiliki permukaan yang tinggi (Yun-Hwei Shen, 2000). Surfaktan yang sudah terinterkalasi kemudian akan mampu memberikan dorongan terhadap lapisan antarlapis bentonit sehingga d-spacing dapat bertambah besar. Untuk melakukan interkalasi perlu diketahui jumlah ekivalen kation penyeimbangnya, untuk itu diperlukan penentuan nilai KTK bentonit sebelum dilakukan interkalasi. Dalam modifikasi bentonit melalui interkalasi dengan ammonium kwartener menjadi organobentonit (bentonit yang terinterkalasi oleh
molekul organik) diharapkan organobentonit memiliki nilai d-spacing yang semakin besar.
2. METODE PENELITIAN
2.1 Preparasi awal bentonit
Bentonit asal Jambi digerus lalu dihaluskan sampai berukuran 100 µm, lalu serbuk bentonit yang didapat dipanaskan di dalam oven dengan suhu 105
o
C selama 2 jam untuk aktivasi. Kemudian bentonit yang sudah kering dikarakterisasi dengan XRD.
2.2 Fraksinasi sedimentasi bentonit
Untuk proses fraksinasi sedimentasi bentonit, sebanyak 100 gram bentonit dimasukkan ke dalam gelas beker dan ditambahkan dengan 2 liter akuades. Campuran tersebut diaduk dengan stirrer selama 30 menit kemudian didiamkan selama 5 menit. Endapan yang terbentuk dipisahkan dengan dekantasi. Endapan ini disebut sebagai fraksi satu (F1). Suspensi sisa F1 didiamkan kembali selama 30 menit. Endapan yang terbentuk dipisahkan dengan dekantasi. Endapan yang didapat ialah fraksi dua (F2). Suspensi sisa F2 didiamkan kembali selama 2 jam. Endapan yang terbentuk dipisahkan dengan dekantasi. Endapan yang didapat ialah fraksi tiga (F3). Suspensi sisa F3 didiamkan kembali selama 3 hari. Endapan yang terbentuk dipisahkan dengan dekantasi. Endapan yang didapat ialah fraksi empat (F4). Pada penelitian kali ini hanya endapan fraksisatu (F1) yang digunakan, karena pada penelitian sebelumnya (Salim, 2011 ; Irwansyah, 2007) sudah terbukti bahwa fraksi satu dari bentonit alam Jambi adalah yang paling kaya akan kandungan
montmorillonite. Endapan F1 kemudian dikeringkan di dalam oven pada suhu 105 oC sampai kering dan kemudian dikarakterisasi dengan XRD, FTIR dan EDS.
2.3 Sintesis Na-MMT
Untuk proses sintesis Na-MMT, Sebanyak 20 gram bentonit F1 disuspensikan ke dalam larutan NaCl 1 M sebanyak 600 mL. Pengadukan suspensi dengan menggunakan stirrer selama 6 jam. Kemudian campuran tersebut didekantasi. Endapan yang didapat lalu didispersikan kembali dengan larutan NaCl 1 M sebanyak 600 mL. Kemudian kembali dilakukan pengadukan dengan stirrer selama 6 jam, lalu campuran didekantasi. Endapan yang didapat kemudian dicuci dengan akuades beberapa kali untuk menghilangkan kadar Cl- pada bentonit. Filtrat diuji dengan menambahkan AgNO3 1 M sampai
yakin tidak terbentuk endapan putih AgCl. Setelah itu, endapan dikeringkan dengan menggunakan oven pada suhu 110-120 oC. Endapan digerus dan diayak hingga berukuran 100 µm. Na-MMT yang diperoleh dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, dan EDS.
2.4 Penentuan KTK
Kemudian untuk penentuan nilai KTK, dilakukan mengikuti metode yang telah dilaporkan oleh Oktaviani (2011). Larutan CuSO4 1 M dicampurkan
dengan larutan etilendiamin 0,5 M untuk membuat larutan 0,01 M Cu(en)22+. Setelah itu, 0,1 gram
Na-MMT disuspensikan ke dalam masing-masing 5 dan 10 mL larutan Cu(en)22+ dan ditambahkan dengan
akuades hingga 25 mL. Lalu suspensi tersebut diaduk dengan menggunakan stirrer selama 30 menit. Kemudian larutan sebelum dan sesudah dicampur, diukur absorbansinya dengan
menggunakan spektrofotometer UV/Vis pada λmaks
larutan Cu(en)22+ yang didapatkan. Konsentrasi
larutan standar dibuat mendekati konsentrasi filtrat larutan kompleks setelah pengadukan.
2.5 Sintesis organoclay
Selanjutnya dilakukan sintesis organoclay dengan melarutkan BTMA-Cl 1,56 M sebanyak 5,576 mL ke dalam 50 mL untuk mendapatkan konsentrasi surfaktan sebesar 0,174 M. Kemudian diambil 2,5 mL dari larutan baku yang kemudian diencerkan hingga tepat 5 mL untuk pembuatan 1 KTK
organoclay, untuk membuat 2 KTK organoclay
diambil 5 mL dari larutan baku tanpa pengenceran. Sebanyak masing-masing 1 gram Na-MMT didispersikan dalam 20 mL akuades dan dilakukan pengadukan selama 5 jam. BTMA-Cl 1 KTK dan 2 KTK yang sudah siap ditambahkan ke dalam suspensi secara perlahan-lahan pada suhu suspensi 60 oC. Kedua campuran diultrasonik pada suhu 60
o
C selama 30 menit. Suspensi didekantasi, endapan dicuci beberapa kali dengan akuades sampai tidak ada klorida yang tersisa (tidak ada endapan putih AgCl). Sentrifugasi campuran tersebut, ambil padatannya lalu oven dengan suhu 60 oC selama 3 jam. Padatan (organoclay 1 KTK dan 2 KTK) yang didapat dikarakterisasi dengan XRD, EDS dan FTIR.
2.6
Aplikasi
organoclay
sebagai
adsorben
Langkah terakhir yaitu aplikasi organoclay sebagai adsorben dimana sebanyak 0,1 gram organoclay
dilarutkan ke dalam masing-masing 10 mL larutan fenol dan p-klorofenol dengan variasi konsentrasi 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm dan 80 ppm. Untuk setiap campuran yang ada diaduk dengan stirrer selama 12 jam. Untuk pengambilan filtrat, campuran disentrifugasi. Kemudian filtrat dari campuran diambil untuk selanjutnya dikarakterisasi dengan
spektrofotometer UV/Vis. Untuk mengetahui konsentrasi larutan yang diuji, dibuatkan larutan standar fenol dan p-klorofenol dengan variasi konsentrasi 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm, 80 ppm dan 100 ppm sebagai pembanding konsentrasi sisa hasil adsorpsi. Endapan yang ada kemudian dikeringkan dan digerus sampai membentuk serbuk halus lalu dikarakterisasi dengan EDS dan FTIR.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 PREPARASI DAN FRAKSINASI
BENTONIT
Preparasi bentonit asal Jambi ini diawali dengan penggerusan agar ukuran partikel menjadi lebih kecil sehingga luas permukaannya akan menjadi lebih besar. Kemudian bentonit yang telah digerus dikeringkan di dalam oven pada suhu 105 °C untuk menghilangkan kadar air yang berlebihan. Bentonit memiliki kandungan utama yaitu montmorillonite, untuk mendapatkan kandungan montmorillonite
yang tinggi maka dilakukan metode fraksinasi. Proses fraksinasi diawali dengan mendispersikan bentonit dalam akuades dengan cara distirer selama 30 menit dengan tujuan agar semua partikel terdistribusi sempurna. Selanjutnya suspensi bentonit didiamkan dan difraksinasi, preparasi dengan rentang waktu 5 menit untuk mendapatkan endapan fraksi satu (F1) yang memiliki kandungan
montmorillonite paling tinggi diantara fraksi lainnya pada bentonit alam Jambi (Salim, 2012). Proses fraksinasi endapan dilakukan dengan cara dekantasi, kemudian sedimen yang diperoleh dikeringkan dengan dioven pada suhu 105 oC. Endapan kering hasil fraksinasi kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD yang difraktogramnya ditunjukkan pada Gambar 1.
Setelah dilakukan fraksinasi dapat dilihat bahwa puncak XRD dari bentonit alam dan fraksi satu (F1)
masih memiliki puncak yang sama, namun intensitas dari kedua puncak mengalami perubahan.
Gambar 1. Difraktogram Bentonit Alam dan F1
Gambar 1 menunjukkan hasil karakterisasi XRD dari bentonit alam dan F1. Puncak-puncak khas bentonit seperti fraksi montmorillonite pada difraktogram bentonit alam Jambi muncul di sekitar sudut 2θ = 19,96 dan fraksi kuarsa yang terdeteksi di sekitar 2θ = 21,82 serta nilai d-spacing yang dapat dilihat melalui puncak 2θ di sekitar 6,76 Å. Untuk fraksi satu (F1), difraktogram XRD fraksi
montmorillonite muncul di sekitar 2θ = 19,88 dan fraksi kuarsa terdeteksi di sekitar 2θ = 21,86, sedangkan nilai d-spacing dari F1 muncul di puncak 2θ = 5,63 Å. Dengan demikian, data difraktogram XRD menunjukkan bahwa metode fraksinasi tidak merusak struktur yang ada di dalam bentonit, tetapi merubah kemurnian dari montmorillonite dan kuarsa.
Tabel 1. Tabel D-spacing dan Komposisi Relatif Hasil XRD Bentonit Alam dan F1 0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 100 In te n si ta s Be nto ni…
Difraktogram XRD
Bentonit Alam dan F1
Clay D-spacing (Å) Montmorillonite (%) Kuarsa (%) Bentonit alam 13,05 67,82 32,17 Fraksi satu (F1) 15,65 75,85 24,14
3.2 PREPARASI Na-Montmorillonite
Endapan bentonit hasil fraksi satu (F1) yang kaya akan montmorillonite, selanjutnya dilakukan penyeragaman kation penyeimbang ion Na+ untuk meningkatkan kemampuan mengembang (swelling) dari montmorillonite yang lebih baik di dalam air. Penyeragaman kation penyeimbang dilakukan dengan menggunakan kation Na+ (dari larutan NaCl). Keberadaan kation Na+ dalam bentonit akan memperbesar daya mengembang bentonit karena kation Na+ akan berada pada bagian antarlapis bentonit dan berasosiasi pada daerah yang mengalami defisiensi muatan positif pada salah satu lembar saja. Keberadaan ion Na+ ini mengakibatkan jarak antara lembaran (interlayer) akan terpisah cukup jauh dan memungkinkan interaksi dengan air lebih banyak dan dapat meningkatkan kestabilan (Irwansyah, 2007; Andy, 2007). Perbesaran daya mengembang ini dapat mempermudah proses preparasi organoclay dengan cara interkalasi surfaktanBTMA-Clke bagian antarlapis bentonit. Hasil preparasi Na-MMT kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD yang selanjutnya dapat diketahui nilai d-spacing dari Na-MMT. Gambar 2 menunjukkan perbandingan hasil karakterisasi XRD terhadap fraksi satu (F1) dengan Na-MMT.
Gambar 2. Difraktogram XRD F1 dan Na-MMT
Nilai d-spacing dari F1 sebesar 15,65 Å pada 2θ = 5,63, sedangkan nilai d-spacing dari Na-MMT sebesar 12,76 Å pada 2θ = 6,92. Gambar 2.
menunjukkan bahwa 2θ pada Na-MMT mengalami pergeseran ke kanan, yang ditunjukkan dengan penurunan nilai d-spacing sebesar 2,89 Å. Penurunan nilai d-spacing pada Na-MMT kemungkinan disebabkan oleh pertukaran ion Na+ dengan ion Ca2+ yang terdapat dalam antarlapis bentonit F1 (Andy, 2007). Karena bentonit yang memiliki kation penyeimbang Na+ , maka bentonit akan bersifat seperti illite-vermiculite, sedangkan bentonit yang memiliki kation penyeimbang Mg2+ akan bersifat seperti illite-smectite. Perbedaan d-spacing tersebut dikarenakan Na+ memiliki kelembaban yang lebih rendah dibandingkan dengan kation lainnya seperti Ca2+, Mg2+ dan Fe2+ sehingga nilai d-spacing pada MMT lebih besar dibandingkan dengan nilai d-spacing pada Na-MMT.
3.3 PENENTUAN KAPASITAS TUKAR
KATION (KTK)
Setelah dilakukan penyeragaman kation Na+ pada antarlapis bentonit fraksi satu (F1), dilakukan penentuan kapasitas tukar kation (KTK) yang bertujuan untuk menentukan jumlah surfaktan yang akan digunakan pada proses interkalasi. Penentuan KTK ini menggunakan metode kompleks Cu(en)22+.
Menurut Bergaya (1997), dengan menggunakan kompleks kation logam berat, pertukaran kation bersifat irreversible dan tidak bergantung pH. Dibandingkan metode Kjeldahl, penentuan KTK dengan metode ini mempunyai kelebihan, karena terjadinya reaksi tunggal yang lebih cepat dan komplit dalam pertukaran kationnya. Selain itu, ion logam berat juga tergantikan sehingga kapasitas nilai KTK yang diperoleh akan lebih reprodusibel untuk CEC < 20 meq/100 gram clay dengan akurasi sekitar 10%.
Penentuan KTK dengan kompleks Cu(en)22+
dilakukan dengan menentukan konsentrasi dan jumlah kompleks Cu(en)22+ yang tersisa sesudah
0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 100 In te n si ta s Na-M…
Difraktogram XRD F1 dan
Na-MMT
pertukaran dengan ion dengan menggunakan spektrofotometer UV/Vis pada λ maks 548 nm (didapatkan dengan menggunakan metode pengukuran spectrum pada instrumen UV/Vis). Dengan metode ini diperoleh nilai KTK sebesar 43,5 (mek/100 gram) Na-MMT. Nilai KTK ini lebih kecil dibandingkan dengan nilai KTK bentonit Tasikmalaya pada studi organoclay (Bakti, 2012) dengan nilai KTK 65,6 (mek/100 gram) dan bentonit Tapanuli pada studi organoclay (Oktaviani, 2011) dengan nilai KTK 65,5 (mek/100 gram).
3.4
PREPARASI
ORGANOCLAY
JAMBI
Proses preparasi organoclay merupakan suatu proses penyisipan (interkalasi) surfaktan ke dalam
interlayer Na-MMT sehingga terbentuk clay yang mengandung senyawa organik pada bagian
interlayer. Senyawa organik yang digunakan pada penelitian adalah surfaktan kationik Benzyl Trimethyl Ammonium Chloride (BTMA-Cl). Penambahan surfaktan ke dalam suspensi Na-MMT dan air disesuaikan dengan nilai KTK yang telah didapat. Pada penelitian kali ini, jumlah surfaktan yang ditambahkan ke dalam bentonit sebanyak 1 KTK dan 2 KTK untuk melihat apakah ada perbedaan pada d-spacing organoclay pada 1 KTK dan 2 KTK. Pada awal interkalasi, Na-MMT disuspensikan dalam air agar Na-MMT dapat mengembang akibat kation interlayer yang mampu menghidrasi molekul air sehingga dapat mempermudah proses interkalasi. Kemudian, surfaktan dengan nilai 1 KTK dan 2 KTK masing-masing ditambahkan secara perlahan ke dalam Na-MMT yang telah disuspensikan di dalam air. Suspensi organoclay kemudian diultrasonik untuk menghilangkan agregat yang terbentuk.
Proses interkalasi surfaktan terjadi melalui pertukaran kation-kation pada daerah interlayer
Na-MMT yang tertarik secara elektrostatik dengan muatan negatif pada bentonit. Gugus amina kwaterner (BTMA+) yang bersifat kationik akan menggantikan kation Na+ pada interlayer Na-MMT. Masuknya kation amina kwarterner ini dapat merubah nilai d-spacing.
Hasil pengukuran d-spacing berdasarkan difraktogram XRD ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Besar Nilai D-spacing Bentonit dan
Organoclay
Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa terjadi penurunan d-spacing pada organoclay-BTMA dibandingkan dengan Na-MMT. Kedua organoclay-BTMA (1 KTK dan 2 KTK) mempunyai nilai d-spacing yang lebih kecil, masing masing 10,36 Å untuk organoclay 1 KTK dan 9,50 Å untuk organoclay 2 KTK, dibandingkan dengan Na-MMT yang d-spacingnya 12,76 Å. Hasil ini sesuai dengan laporan Syuhada, dkk (2009) bahwa penambahan sejumlah surfaktan yang melebihi nilai 1 KTK dapat mengurangi peningkatan d-spacing, karena pada konsentrasi surfaktan yang berlebih, dapat menyebabkan surfaktan tersusun secara lateral satu lapis dalam bentonit. Penambahan surfaktan ke dalam suspensi Na-MMT dan air haruslah perlahan agar tidak terbentuk misel sehingga d-spacing dari organoclay
akan lebih besar.
Clay 2θ D-spacing (Å)
Na-MMT 6,92 12,76
Organoclay 1 KTK 8,52 10,36
Gambar 3. Surfaktan BTMA+ Terikat Pada Permukaan Bentonit
Penurunan nilai d-spacing pada organoclay ini bisa terjadi karena surfaktan BTMA-Cl yang digunakan untuk interkalasi bukan merupakan surfaktan kationik rantai alkil panjang, tetapi strukturnya mengandung cincin benzen yang tidak banyak menghidrasi air, sehingga tidak memberikan peningkatan d-spacing pada organoclay, tetapi penurunan d-spacing
dibandingkan dengan Na-MMT. Syuhada, dkk (2009) melaporkan bahwa rantai alkil yang lebih panjang pada surfaktan akan menghasilkan organoclay dengan peningkatan d-spacing dan stabilitas termal yang lebih baik. Karena yang digunakan untuk interkalasi adalah surfaktan BTMA-Cl (mempunyai gugus benzena) dan bukan surfaktan yang mengandung alkil rantai panjang, maka hasil yang diperoleh juga berbeda dimana interkalasi surfaktan BTMA-Cl terhadap bentonit ternyata menurunkan d-spacing organoclay.
3.5 ANALISIS EDX DAN FTIR
Hasil analisis EDX menunjukkan bahwa pada bentonit alam, F1, Na-MMT dan organoclay terdapat beberapa unsur seperti yang ditampilkan pada Tabel 3, 4 dan 5. Berdasarkan data dari Tabel 3, 4 dan 5 tersebut dibuat rasio Si/Al untuk setiap bentonit (ditampilkan pada Tabel 6).
Tabel 3. Tabel Komposisi Unsur Na-MMT Berdasarkan EDX
Tabel 4. Tabel Komposisi Unsur Organoclay 1 KTK Berdasarkan EDX
Tabel 5. Tabel Komposisi Unsur Organoclay 1 KTK + 80 ppm p-Klorofenol
Tabel 6. Tabel Rasio Si/Al dan Na/(Si+Al)
Bentonit alam Jambi dan hasil modifikasinya mempunyai perbandingan Si/Al sekitar 2,74 hingga 4,20. Bentonit merupakan jenis lempung 2:1 (TOT) dengan kerangka yang disusun oleh dua lapisan tetrahedral (T) yang mengapit satu lapisan oktahedral (O). Lapisan T adalah tetrahedral silikon-oksigen, sedangkan lapisan oktahedral O terbentuk oleh oktahedral yang membagi ujung-ujung oksigen dan hidroksil dengan Al. Berdasarkan kerangka penyusunnya maka rasio Si/Al dalam bentonit umumnya sekitar 2. Terjadinya perubahan rasio Si/Al dalam bentonit dapat disebabkan oleh proses pembentukan mineralnya, dimana struktur
montmorillonite yang mengalami proses substitusi isomorfis, yaitu posisi Al3+ digantikan oleh Mg2+ atau Fe2+ sedangkan Si4+ digantikan Al3+ atau Fe3+. Sebagai konsekuensinya terdapat netto muatan negatif pada permukaan montmorillonite. Kenaikan nilai rasio Si/Al dapat terjadi karena proses substitusi isomorfis Al3+ pada kerangka oktahedral yang digantikan oleh Mg2+ atau Fe2+, sedangkan menurunnya rasio Si/Al dapat terjadi karena proses substitusi isomorfis Si4+ pada kerangka tetrahedral yang digantikan oleh Al3+ atau Fe3+.
Dari Tabel 6 terlihat bahwa tidak terjadi perubahan rasio Si/Al secara signifikan. Hal ini membuktikan bahwa struktur pada montmorillonite tidak mengalami kerusakan. Pada karakterisasi hasil preparasi Na-MMT terlihat adanya kation Na+ yang telah menggantikan ion-ion penyeimbang pada interlayer
montmorillonite pada fraksi satu (F1), namun pada hasil preparasi organoclay sudah tidak terdapat lagi kation Na+. Hal ini disebabkan telah terjadinya pertukaran ion Na+ oleh surfaktan kationik BTMA+ melalui proses interkalasi.
Hasil analisis spektra FTIR menunjukkan bahwa secara umum, spekra IR yang dihasilkan oleh F1 dan Na-MMT terdapat kemiripan, sedangkan untuk
organoclay 1 KTK dan organoclay 2 KTK muncul kemiripan bilangan gelombang baru. Tabel 7 menunjukkan bilangan gelombang spektra FTIR dari F1, Na-MMT dan organoclay serta gambar spektranya pada Gambar 4 dan 5.
Hasil karakterisasi F1 dan Na-MMT dengan FTIR pada Gambar 4 menunjukkan adanya pita serapan di sekitar bilangan gelombang 3600 cm-1 yang merupakan puncak OH struktural pada kerangka silikat bentonit. Ulur OH dan tekuk HOH dari molekul air ditunjukkan di sekitar bilangan gelombang 3400 cm-1 dan 1600 cm-1. Selain itu juga muncul vibrasi Si-O dan Al-O pada bilangan gelombang 400-1100 cm-1.
Gambar 4. Spektrum FTIR F1 dan Na-MMT Clay Na (% Berat) Si (% Berat) Al (% Berat) Si / Al Na / (Si+Al) Bentonit Alam 0 26,34 9,62 2,74 0 F1 0 26,18 9,47 2,76 0 Na-MMT 0,53 27,44 6,53 4,20 0,0156 Organoclay 0 28,90 7,85 3,68 0 - F1 - Na-MMT
Hasil analisis spektra FTIR menunjukkan bahwa secara umum, spekra IR yang dihasilkan oleh F1 dan Na-MMT terdapat kemiripan, sedangkan untuk
organoclay 1 KTK dan organoclay 2 KTK muncul kemiripan bilangan gelombang baru. Tabel 7 menunjukkan bilangan gelombang spektra FTIR dari F1, Na-MMT dan organoclay serta gambar spektranya pada Gambar 4 dan 5.
Hasil karakterisasi F1 dan Na-MMT dengan FTIR pada Gambar 3.4 menunjukkan adanya pita serapan di sekitar bilangan gelombang 3600 cm-1 yang merupakan puncak OH struktural pada kerangka silikat bentonit. Ulur OH dan tekuk HOH dari molekul air ditunjukkan di sekitar bilangan gelombang 3400 cm-1 dan 1600 cm-1. Selain itu juga muncul vibrasi Si-O dan Al-O pada bilangan gelombang 400-1100 cm-1.
Gambar 5. Spektrum FTIR Organoclay 1 KTK dan
Organoclay 2 KTK
Karakterisasi FTIR terhadap organoclay 1 KTK dan
organoclay 2 KTK terlihat adanya serapan baru di sekitar bilangan gelombang 2927 cm-1 dan 2854 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi simetrik dan asimetrik dari C-H pada metilen (-CH2). Serapan
vibrasi uluran amina primer NH3+ tampak pada
bilangan gelombang 3036 cm-1 dan untuk vibrasi ulur C-H tampak pada bilangan gelombang 1468 cm-1. Timbulnya serapan baru tersebut merupakan akibat adanya gugus yang berasal dari surfaktan BTMA-Cl. Hal menunjukkan bahwa surfaktan tersebut telah berhasil terikat oleh montmorillonite.
Tabel 7. Puncak-Puncak yang Terdeteksi pada F1, Na-MMT, dan Organoclay
Jenis spektra Wavelength cm-1 F1 Wavelength cm-1 Na-MMT Wavelength cm-1 Organoclay Ulur O-H struktural 3633 3626 3696
Ulur O–H dari molekul air 3436 3449 3336 Tekuk HOH dari molekul air 1636 1632 - Ulur Si–O–Si, deformasi Al2OH, deformasi Al-Mg-OH, Al– O dan Si–O– Fe 1050, 927, 793, 518, 447 1021, 919, 794, 519, 450 1045,916, 796, 516, 464 Amina Primer NH3+ Asimetrik dan Uluran C-H dari aromatik - - 3036 Vibrasi simetrik dan asimetrik dari C-H pada metilen (-CH2) - - 2927, 2854 Vibrasi ulur C–H aromatik - - 1468 Tekuk Si–O 518, 447 519, 450 516, 464 Tekukan NH3+ Asimetrik dan Simetrik - - 1471 - Organoclay 1 KTK - Organoclay 2 KTK
3.6
KAPASITAS
ORGANOCLAY
SEBAGAI ADSORBEN FENOL DAN
P-KLOROFENOL`
Pada penelitian ini, dilakukan uji aplikasi organoclay
1 KTK dan organoclay 2 KTK sebagai adsorben molekul organik, yaitu fenol dan p-klorofenol sebagai molekul model senyawa organik yang terdapat pada limbah. Penelitian ini menggunakan fenol dan p-klorofenol pada berbagai konsentrasi, yaitu 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 60 ppm dan 80 ppm yang diinteraksikan dengan bentonit alam dan
organoclay 1 KTK serta organoclay 2 KTK. Untuk setiap senyawa organik yang ada, digunakan waktu interaksi 12 jam mengikuti studi sebelumnya (Marz, 2012), bahwa kapasitas adsorpsi dari fenol yang paling banyak terserap oleh organoclay Tapanuli 1 KTK adalah pada waktu pengadukan selama 12 jam dibandingkan dengan waktu pengadukan selama 18 jam.
Tabel 8. Kadar p-Klorofenol Terserap Konsentrasi p-Klorofenol (ppm) Bentonit alam (mg/g) Organoclay 1 KTK (mg/g) Organoclay 2 KTK (mg/g) 10 0,79 0,21 1,65 20 0,77 2,30 2,65 40 0,76 2,45 4,38 60 0,66 3,95 6,12 80 0,59 6,90 8,06
Tabel 8 menunjukkan setiap kadar konsentrasi p-klorofenol yang terserap oleh bentonit alam serta
organoclay 1 KTK dan organoclay 2 KTK. Dapat terlihat pada bentonit alam Jambi yang mengalami penurunan daya adsorpsi dalam menyerap senyawa p-klorofenol walapun tidak signifikan. Semakin tinggi kadar konsentrasi klorofenol, semakin kecil nilai p-klorofenol yang terserap oleh bentonit alam.
Kemudian untuk organoclay 1 KTK terlihat bahwa terjadi peningkatan daya adsorpsi untuk setiap konsentrasi p-klorofenol, kapasitas adsorpsi dari organoclay 1 KTK terhadap p-klorofenol dapat mencapai 6,90 mg/g organoclay.
Untuk organoclay 2 KTK, dapat terlihat bahwa terjadi peningkatan daya adsorpsi seiring dengan peningkatan kadar konsentrasi p-klorofenol. Kapasitas adsorpsi dari organoclay 2 KTK terhadap p-klorofenol dapat mencapai 8,06 mg/g organoclay. Daya adsorpsi ini dapat terus meningkat hingga mencapai kapasitas adsorpsi maksimumnya, studi lebih lanjut diperlukan sehingga dapat ditentukan berapa daya adsorpsi optimum yang dapat dihasilkan oleh organoclay 2 KTK.
Kapasitas adsorpsi dari organoclay 1 KTK dan
organoclay 2 KTK masih belum mencapai kapasitas adsorpsi optimumnya karena dapat dilihat pada Gambar 6, kurva yang dihasilkan masih terus meningkat walaupun sudah melewati titik konsentrasi 80 ppm. Sedangkan kapasitas adsorpsi dari bentonit alam masih belum terlihat apakah akan ada kenaikan atau penurunan daya adsorpsi karena grafik yang dihasilkan masih terus turun meskipun tidak signifikan, diharapkan pada studi selanjutnya tentang kapasitas adsorpsi pada bentonit alam Jambi dapat membuktikan daya adsorpsinya pada konsentrasi senyawa organik yang lebih tinggi.
Tabel 9 Kadar Fenol Terserap Konsentrasi Fenol (ppm) Organoclay 1 KTK (mg/g) 10 0,2 20 0,71 40 1,41 60 1,44 80 2,39
Tabel 9 menunjukkan setiap kadar konsentrasi fenol yang terserap oleh organoclay 1 KTK. Terlihat bahwa daya adsorpsi organoclay 1 KTK meningkat hampir dua kali lipat dari konsentrasi fenol 10 ppm hingga 40 ppm, kemudian mengalami sedikit sekali kenaikan daya adsoprsi pada saat mencapai titik konsentrasi 60 ppm dan kemudian meningkat kembali pada titik konsentrasi 80 ppm. Kapasitas adsorpsi dari
organoclay 1 KTK terhadap fenol dapat mencapai 2,39 mg/g organoclay.
Dapat terlihat pada Gambar 6 bahwa kapasitas adsorpsi organoclay 1 KTK terhadap senyawa fenol masih dapat meningkat setelah melewati titik konsentrasi tertinggi pada penelitian ini karena grafik yang dihasilkan masih terus meningkat. Diharapkan juga pada studi selanjutnya dapat diukur kapasitas adsorpsi dari organoclay Jambi terhadap senyawa organik dengan konsentrasi yang lebih tinggi.
Gambar 6. Kurva Adsorpsi Fenol dan p-Klorofenol
Dari Tabel 8 dan 9 serta Gambar 6 menunjukkan bahwa organoclay lebih baik dalam menyerap fenol dan p-klorofenol dibandingkan dengan bentonit alam Jambi. Hal ini dikarenakan interaksi yang terjadi antara senyawa fenol maupun p-klorofenol dengan
organoclay adalah interaksi hidrofobik antara rantai surfaktan dengan gugus non-polar yang ada pada senyawa organik dan interaksi hidrofilik antara gugus yang lebih polar dengan atom gugus OH pada silanol yang dimiliki oleh bentonit (Gambar 7 dan 8).
Gambar 7. Mekanisme Adsorpsi Fenol pada Permukaan Bentonit
Gambar 8. Mekanisme Adsorpsi p-Klorofenol pada Permukaan Bentonit
Pada Gambar 7 dan 8 dapat dilihat bahwa permukaan bentonit memiliki dua sifat yang berbeda yakni hidrofobik karena adanya gugus siloksan (Si-O-Si) dan hidrofilik disebabkan adanya gugus silanol (Si-OH). Proses adsorpsi fenol maupun p-klorofenol oleh bentonit kemungkinan terjadi karena adanya interaksi cincin benzen dengan sisi hidrofobik silikat. Selain itu juga karena adanya interaksi gugus polar pada fenol dan p-klorofenol dengan permukaan bentonit yang masih memiliki gugus silanol bebas (Si-OH). (Arellano, et. al. 2005). 0 2 4 6 8 10 0 50 100 Q ( m g/ g) Konsentrasi (mg/L) Raw + P-klorofenol OCJ 1 KTK + P-klorofenol OCJ 2 KTK + P-klorofenol OCJ 1 KTK + Fenol
Berdasarkan karakterisasi dengan FTIR, terlihat (Gambar 9) bahwa bertambah tingginya intensitas puncak serapan organoclay dari 3696 cm-1 dengan intensitas puncak serapan organoclay setelah ditambahkan p-klorofenol dan fenol menjadi 3698 cm
-1
yang disebabkan karena bertambahnya gugus O-H sebagai sumbangan dari gugus O-H fenol maupun p-klorofenol. Gugus O-H fenol dan p-klorofenol memberikan serapan yang identik dengan serapan O-H struktural, yaitu pada daerah sekitar 3600 cm-1.
Gambar 9. Spektrum FTIR Bentonit Alam dan
Organoclay Setelah Mengadsorpsi Fenol dan p-Klorofenol
Adsorpsi fenol maupun p-klorofenol sudah dilakukan pada studi sebelumnya oleh Oktaviani (2011), Marz (2012) dan Bakti (2012). Oktaviani (2011) menggunakan organoclay Tapanuli yang diinterkalasi dengan ODTMA-Br yang memberikan kapasitas adsorpsi terhadap fenol sebesar 2 mg/g organoclay
pada konsentrasi fenol 40 ppm. Marz (2012) menggunakan organoclay Tapanuli yang diinterkalasi oleh ODTMA-Br, dan diperoleh kapasitas adsorpsi terhadap fenol sebesar 5,35 mg/g organoclay pada konsentrasi fenol 200 ppm. Bakti (2012) menggunakan organoclay Tasikmalaya yang diinterkalasi dengan surfaktan ODTMA-Br dan memberikan kapasitas adsorpsi sebesar 0,39 mg/g
organoclay pada konsentrasi 50 ppm p-klorofenol. Perbedaan kapasitas adsorpsi ini mungkin disebabkan
oleh perbedaan surfaktan dan konsentrasi larutan fenol maupun p-klorofenol yang digunakan.
4. KESIMPULAN
1. Pada bentonit Jambi, kandungan
montmorillonite terbanyak melalui proses fraksinasi terdapat pada fraksi 1.
2. Nilai KTK Na-MMT dihitung dengan metode tembaga amin didapatkan sebesar 43,5 (mek/100 gram clay).
3. Berdasarkan kurva isoterm adsorpsi,
organoclay lebih efektif dalam menyerap fenol dan p-klorofenol dibandingkan dengan bentonit alam.
4. Pada konsentrasi 80 ppm p-klorofenol, daya adsoprsi organoclay 1 KTK dapat mencapai 6,9090 mg p-klorofenol untuk setiap 1 g
organoclay Jambi, sedangkan daya adsorpsi
organoclay 2 KTK dapat mencapai 8,0636 mg p-klorofenol untuk setiap 1 g organoclay
Jambi.
5. Pada konsentrasi 80 ppm fenol, daya adsorpsi
organoclay 1 KTK dapat mencapai 2,3909 mg fenol untuk setiap 1 g organoclay Jambi.
5. DAFTAR ACUAN
Andy. (2007). Sintesis dan Karakterisasi Organoclay dari Lempung Alam dan Lempung Sintesis yang Dimodifikasi Surfaktan HDTMABr melalui Metode Hidrotermal. Skripsi Departemen Kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Bakti, Tegar. (2012). Preparasi dan Karakterisasi Organoclay Tasikmalaya Terinterkalasi Surfaktan Kationik ODTMABr serta Aplikasinya sebagai Adsorben P-klorofenol. Skripsi Departemen Kimia. FMIPA
Bergaya, F. Vayer M.s (1997). CEC of clays: Measurement by adsorption of a copper ethylenediamine complex. Applied Clay Science 12 (1997) 275-280. Perancis. Frost, Ray and Xi, Yunfei and He, Hongping.
(2007) . Modification of the surfaces of Wyoming montmorillonite by the cationic surfactants alkyl trimethyl, dialkyl dimethyl and trialkyl methyl ammonium bromides. Journal of Colloid and Interface Science 305(1): pp: 150-158.
Haryani, Diana Nur. (2010). Sintesis dan Karakterisasi Organoclay Terinterkelasi Surfaktan Kationik HDTMABr dan ODTMABr Serta Aplikasinya Sebagai Adsorben Molekul Organik. Skripsi Departemen Kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Heinz, H. Vaia,R. A. Krishnamoorti, R. and Farmer, B. L. (2006). Self-Assembly of Alkylammonium Chains on Montmorillonite: Effect of Chain Length, Head Group Structure, and Cation Exchange Capacity. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 13301-13306 Ohio. Wright State UniVersity, Ohio and UniVersity of Houston, Texas.
Irwansyah. (2007). Modifikasi Bentonit Menjadi Organoclay Dengan Surfaktan
Heksadesiltrimetilamonium Bromida Melalui Interkalasi Metode Ultrasonik. Skripsi Departemen kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Kurniawan, Danar. (2008). Modifikasi Bentonit Menjadi Organoclay dengan Metode Ultrasonik sebagai Adsorben p-Klorofenol dan Hidroquinon. Skripsi Departemen kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Marz, Rahman Arif. (2012). Studi Daya Adsorpsi Organoclay Tapanuli Terhadap Fenol dalam Air dan Limbah Air Hasil Demulsifikasi
Minyak Bumi. Skripsi Departemen kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Meier, L.P. and Kahr, G. (1999). Determination of the cation exchange capacity (CEC) of clay minerals using the complexes of copper(II) ion with triethylenetetramine and
tetraethylenepentamine. Clays Clay Miner. 47, pp: 386 – 388.
Nurdiansyah, Andika.(2007). Studi Awal Aplikasi Organoclay sebagai Adsorben Fenol dan Katekol. Departemen kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Oktaviani, Evi. (2011) Sintesis dan Karakterisasi Organoclay Terinterkalasi Surfaktan
Kationik ODTMABr dan Aplikasinya sebagai Adsorben Fenol. Skripsi Departemen Kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Marz, Rahman Arif. (2012). Studi Daya Adsorpsi Organoclay Tapanuli Terhadap Fenol dalam Air dan Limbah Air Hasil Demulsifikasi Minyak Bumi. Skripsi Departemen kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Salim. (2012). Preparasi Organoclay dari Bentonit Merangin – Jambi dan Surfaktan NonIonik serta Aplikasinya sebagai Adsorben p-Klorofenol dalam Air. Tesis Departemen Kimia. FMIPA Universitas Indonesia.
Syuhada, Rachmat Wijaya, Jayatin, dan Saeful Rohman. (2009). Modifikasi Bentonit (Clay) menjadi Organoclay dengan Penambahan Surfaktan. Jurnal Nanosains &
Nanoteknologi. Bandung. Vol. 2 No. 1 Yunfei, Xi, Zhe Ding, Hongping Ho, & Ray L.
Frost. (2005). Infrared Spectroscopy of organoclays synthesized with the surfactant octadecyltrimethylammonium bromide. Spectrochimica acta. Part A, Molecular and biomolecular spectroscopy, 2005. 61(3): p. 515-25.
