Pengaruh Penambahan Asam Oleat dalam Sintesis Magnesium Silikat Nanopartikel dari Silika Sekam Padi

12 

Teks penuh

(1)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1Sekam Padi

Sekam padi merupakan salah satu limbah pertanian yang paling banyak ditemukan di

seluruh negara penghasil beras. Sekitar 600 juta ton padi dihasilkan setiap tahun dan

20% di dalamnya adalah sekam padi yaitu sekitar 120 juta ton (Giddel, et al., 2007).

Komposisi kimia sekam padi sangat bervariasi, hal ini disebabkan karena

perbedaan jenis padi, iklim dan kondisi geografis pada tempat padi diperoleh. Namun

secara umum komposisi kimia sekam padi yaitu, silikon terhidrasi dan

material-material organik seperti selulosa (sebanyak 55-60%, termasuk selulosa dan

hemiselulosa), dan 22% lignin (Muthadi, et al., 2007). Menurut Muthadi et al., (2007),

komposisi kimia dari dari sekam padi setelah dianalisis dapat dilihat pada Tabel 2.1

dibawah ini:

Tabel 2.1. Komposisi Kimia Hasil Analisis Sekam Padi (Muthadi, et al., 2007)

Komposisi dan sifat sekam padi % massa

Densitas bulk (kg/m3) Kekerasan (skala Mohr)

Abu

Karbon

Hidrogen

Oksigen

Nitrogen

Sulfur

96-160

5-6

22-29

35

4-5

31-37

0.23-0.32

(2)

Sekam padi biasanya dibakar atau dibiarkan sebagai limbah buangan. Dengan

membakar sekam padi akan menghasilkan residu berupa abu sekam padi (Koteswara,

et al., 2006). Abu ini sangat kaya akan silika amorf karena dapat mencapai 88.32%

(Habeeb, et al., 2010). Tanaman padi banyak mengandung silika amorf karena secara

alami tanaman padi menyerap dan mengangkut silikon dalam bentuk asam silikat pada

epidermis tanaman padi (Singh, et al., 1978). Menurut Habeeb, et al., (2010),

komposisi kimia dari abu sekam padi dapat dilihat pada Tabel 2.2 dibawah ini:

Table 2.2. Komposisi Kimia Dari Abu Sekam Padi (Habeeb, et al., 2010)

Komposisi oksida (% massa) Abu sekam padi

SiO2

Tingginya kadar silika dalam abu sekam padi memungkinkan untuk

memisahkannya dengan cara ekstraksi pada temperatur rendah dan energi yang kecil

(Thuadaij, et al., 2008). Proses pengarangan sekam padi juga mempengaruhi silika

yang diperoleh, dimana semakin tinggi temperatur pada proses pengarangan sekam

dalam oven maka akan diperoleh kemurnian SiO2 yang makin tinggi (Hwang, et al.,

1989).

2.2 Silika (SiO2)

Silika (silicon dioxide) merupakan senyawa kimia dengan rumus molekul SiO2 yang

dapat diperoleh dari silika mineral, nabati dan sintesis Kristal. Silika mineral adalah

senyawa yang banyak mengandung SiO2 yang ditemukan dalam bahan tambang dan

bahan galian yang berupa mineral seperti pasir kuarsa, granit, dan fledspar (Kalapathy,

(3)

Silika yang terdapat dalam tanaman ditemui pada sekam padi dan tongkol jagung.

Silika yang berasal dari tumbuhan yang umumnya digunakan saat ini adalah silika

sekam padi Silika juga dapat dibentuk dengan cara mereaksikan silikon dengan

oksigen atau udara pada suhu tinggi (Iler, 1979).

Dalam mendapatkan silika dari sekam padi dapat dilakukan menggunakan

metode ekstraksi alkalis (Kalapathy et al, 2000) dan metode pengabuan. Silika yang

diperoleh melalui metode ekstraksi alkalis adalah berupa larutan sol dimana silika

pada fase larutan adalah fase amorf. Sedangkan pada metode pengabuan, sekam padi

dibakar pada suhu diatas 200°C selama 1 jam untuk mendapatkan arang sekam padi

yang berwarna hitam (Haslinawati et al., 2011).

Pada umumnya silka adalah dalam bentuk amorf terhidrat, namun bila

pembakaran berlangsung terus-menerus pada suhu diatas 650°C maka tingkat

kristalinitasnya akan cenderung naik dengan terbentuknya fasa quartz, crystobalite,

dan tridymite. Bentuk struktur quartz, crystobalite, dan tridymite yang merupakan

jenis kristal utama silika memiliki stabilitas dan kerapatan yang berbeda (Brindley dan

Brown, 1980). Struktur Kristal quartz, crystobalite, dan tridymite memiliki nilai

densitas masing-masing sebesar 2,65×103 kg/m3, 2,27×103 kg/m3, dan 2,23×103 kg/m3. Berdasarkan perlakuan termal, pada suhu < 570°C terbentuk low quartz, untuk suhu

570-870°C terbentuk high quartz yang mengalami perubahan struktur menjadi

crystobalite dan tridymite, sedangkan pada suhu 870-1470°C terbentuk high tridymite,

pada suhu ˃ 1470°C terbentuk high crystobalite, dan pada suhu 1723°C terbentuk

silika cair (Smallman and Bishop 2000).

2.2.1 Sifat fisika dan kimia silika 2.2.1.1 Sifat fisika silika

Silika dalam bentuk amorf memiliki densitas sebesar 2,21 g/cm3 dengan modulus elastisitas sebesar 10×106 psi. Kandungan unsur silikon (Si) dan oksigen (O) pada silika jenis ini adalah 46,7% dan 53,3%. Nilai kekerasan material ini pada pembebanan

tegak lurus dengan menggunakan indentor intan (metode Vickers atau Knoop) sebesar

(4)

2.2.1.2 Sifat Kimia Silika

Silika cenderung tidak reaktif terhadap Cl2, H2, asam, dan kebanyakan logam pada

kondisi normal atau suhu normal, tetapi mudah bereaksi dengan fluorin, HF encer,

alkali hidroksida, dan karbonat (Cotton, et al., 1976). Berikut ini dapat diketahui sifat

kimianya melalui reaksi dengan asam dan basa.

2.2.1.2.1 Reaksi dengan Asam

Silika relatif tidak reaktif terhadap asam kecuali asam hidrofluorida seperti reaksi

berikut:

SiO2(s) + 4HF(aq) SiF4(aq) + 2H2O(l)

Dalam asam hidrofluorida berlebih reaksinya menjadi:

SiO2(s) + 6HF(aq) H2[SiF6](aq) + 2H2O(l) (Basset, et al., 1989)

2.2.1.2.2 Reaksi dengan Basa

Silika dapat bereaksi dengan basa, terutama dengan basa kuat, seperti hidroksida

alkali.

SiO2(s) + 2NaOH(aq) Na2SiO3(aq) + H2O(l) (Basset, et al., 1989)

Secara komersial, silika dibuat dengan mencampurkan larutan natrium silikat dengan

suatu asam mineral. Reaksi ini menghasilkan suatu dispers peka yang akhirnya

memisahkan partikel dari silikat terhidrat, yang dikenal dengan silika hidrosol atau

asam silikat yang kemudian dikeringkan pada suhu 110oC agar terbentuk silika gel. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:

Na2SiO3(aq) + 2 HCl(aq) H2SiO3(l) + NaCl(aq)

(5)

2.3 Magnesium Silikat

Magnesium silikat terdiri dari dua bahan baku utama yaitu magnesium oksida

(MgO) dan silika (SiO2) yang berbentuk bubuk (powder) putih, amorf, tidak berbau

dan tidak larut dalam air namun sangat mudah larut dalam HF (merck index, 2001).

Berikut Gambar 2.1 adalah struktur perspektif mineral magnesium silikat:

Gambar 2.1 Struktur Perspektif Magnesium Silikat (Johnson, l97l).

Magnesium silikat terdapat di alam sebagai mineral, Seperti clonoenstantite,

enstantite dan protoenstantite (merck index, 2001). Rasio molekul magnesium silikat

dan perlakuan temperatur berperan penting dalam pembentukan komposit magnesium

(6)

Gambar 2.2 Diagram Fasa Komposit Magnesium Silikat (Sumarnadi, 1998)

Pada Gambar 2.2 menunjukkan bahwa MgO dan SiO2 hanya akan membentuk

anhydrous silicate yaitu forsterite (Mg2SiO4) dan enstantie (MgSiO3). Kedua

anhydrous silicate tersebut adalah fasa yang stabil dalam sistem MgSiO3. Selama

berlangsungnya proses sintering/kalsinasi, fosteritisasi berlangsung melalui tahap

dehidrasi, reorganisasi kation, pembentukan forsterite dan enstantite. Pada tahap

dehidrasi, terjadi pelepasan gugus hidroksil dan pembentukan fasa oksida dimana

serpentinit dan magnesit terurai menjadi MgO dan SiO2. Pada tahap reorganisasi

kation, terjadi pemisahan kation seiring meningkatnya suhu sintering dan pada fasa

stabil MgSiO3 membentuk forsterite dan sedikit enstantite sedangkan MgO yang

berlebih akan membentuk periclase (Sumarnadi, dkk., 1998).

Magnesium silikat memiliki konduktivitas termal 2,6 Wm-1K-1 dan ekspansi termal 7,8×10-6 K-1 artinya memiliki ketahanan terhadap suhu tinggi sehingga dapat digunakan sebagai isolator suhu tinggi. Magnesium silikat juga memiliki luas

permukaan 612 m2/g dan densitas 2,90 g/cm3 (Sumarnadi, dkk., 1998) yang dapat diaplikasikan sebagai bahan katalis. MgSiO3 dapat dibuat dengan metode sol-gel.

Metode sol-gel adalah metode untuk mendapatkan padatan yang homogen dengan cara

pembentukan suspensi koloid yang berbentuk gel melalui proses gelasi sol pada suhu

ruang (Ni et al., 2007; Kharaziha, et al., 2010) yang tidak membutuhkan suhu tinggi

(7)

2.4 Asam Oleat

Asam oleat merupakan senyawa organik jenis asam lemak bebas yang tidak

jenuh yang disebabkan oleh adanya satu ikatan rangkap pada atom C-9. Dapat dibuat

dengan menghidrolisa lemak atau minyak lemak yang dipisahkan dengan cara

pemerasan.

Asam oleat ini sukar larut dalam air namun mudah larut dalam eter dan

alkohol, titik leburnya 15,3oC dan titik didihnya 360oC. Gambar 2.2 berikut adalah struktur dari asam oleat.

OH O

gugus hidrofobik

gugus hidrofilik

Gambar 2.2 Struktur Asam Oleat.

2.5 Material nanopartikel

Material nanopartikel dapat didefenisikan sebagai dispersi partikulat atau partikel

padat yang memiliki ukuran partikel antara 10-100 nm (Mohanraj, et al., 2006).

Material nanopartikel telah banyak menarik peneliti karena material nanopartikel

menunjukkan sifat fisika dan kimia yang sangat berbeda dari bulk materialnya, seperti

kekuatan mekanik, elektronik, magnetik, kestabilan termal, katalitik dan optik.

Ada dua hal utama yang membuat nanopartikel berbeda dengan material

sejenis dalam ukuran besar (bulk) yaitu: (a) Ukurannya yang kecil, nanopartikel

memiliki nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih besar jika

dibandingkan dengan partikel sejenis dalam ukuran besar. Ini membuat nanopartikel

bersifat lebih reaktif. Reaktivitas material ditentukan oleh atom-atom di permukaan,

karena hanya atom-atom tersebut yang bersentuhan langsung dengan material lain. (b)

Ketika ukuran partikel menuju orde nanometer, hukum fisika yang berlaku lebih

(8)

Material nanopartikel ini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang.

Tetapi dewasa ini material nanopartikel telah banyak digunakan dalam bidang medis

yang berperan sebagai sistem drug delivery. Keuntungan dari menggunakan material

nanopartikel sebagai sistem drug delivery adalah: pertama, Ukuran partikel dan

karakteristik permukaannya dapat dengan mudah dimanipulasi untuk mendapatkan

kedua target sistem drug baik yang pasif maupun yang aktif. Kedua, material

nanopartikel ini dapat mengontrol pelepasan drug pada saat penghantaran maupun

pada saat penempatannya. Ketiga, pelepasan yang terjadi dan karakteristik degradasi

dapat dengan mudah dimodulasikan melalui pemilihan konstituen matriksnya

(Mohanraj, et al., 2006).

2.6. Karakterisasi Material

2.6.1. Metode Adsorpsi Brunauer-Emmet-Teller (BET)

Teori BET adsorpsi multilayer untuk menentukan luas permukaan (S) dikembangkan

oleh Brunauer, Emmet dan Teller. Proses adsorpsi digambarkan sebagai proses lapisan

dengan lapisan (Layer-by-layer), permukaan secara energetik dianggap homogen,

medan adsorpsi sama dalam setiap tempat permukaan, serta proses adsorpsi dianggap

tidak bergerak (setiap molekul yang diadsorpsi pada sisi dasar permukaan). Lapisan

pertama molekul yang diadsorpsi memiliki energi interaksi dengan medan adsorps

(Ea0) dan interaksi vertikal antara molekul setelah lapisan pertama (EL0) sama terhadap

panas liqufaksi adsorbat dan molekul yang diadsorpsi tidak berinteraksi secara

menyamping (Roque-Malherbe, 2007).

Metode BET tidak tepat untuk perhitungan mikropori, karena ketika metode

ini diterapkan pada adsorben mikro maka akan terjadi penyerapan pada tekanan yang

relatif rendah sehingga memungkinkan volume monolayer yang dihitung lebih dari

satu lapisan terserap. Jika nilai ini diubah menjadi luas permukaan BET maka nilai

yang dihasilkan akan lebih besar dari nilai yang sebenarnya. Meskipun metode BET

tidak menggambarkan keadaan yang sebenarnya, namum metode ini yang lebih umum

digunakan untuk analisa isotherm adsorbsi. Ini disebabkan metode BET relatif

sederhana dan dianggap memberikan kapasitas adsorpsi yang baik dari adsorben yang

(9)

Untuk menentukan luas permukaan, didasarkan dari data isoterm physorption,

menggunakan persamaan BET berikut ini:

monolayer dan C adalah konstanta tergantung bentuk isoterm. Karena kapasitas

monolayer �� dapat ditentukan maka luas permukaan S dapat dihitung dengan

persamaan:

S=� .�.�

Dimana L (bilangan avogadro) dan �� adalah luas rata-rata yang dilewati molekul

adsorbat pada monolayer, untuk N2= 0,162 nm2 pada 77K.

2.6.2. Metode Barret-Joyner-Halenda (BJH)

Metode BJH digunakan untuk menentukan distribusi ukuran pori / particle size

distribution (PSD). Tekanan relatif awal proses desorpsi dalam metode

Barret-Joyner-Halenda (BJH) berlangsung pada range 0,9 < P/Po < 0,95 dan semua pori telah diisi

fluida adsorbat. Pada tahap pertama (j=1) dalam proses desorpsi hanya melibatkan

pemindahan kondensasi kapiler. Tahap berikutnya melibatkan pemindahan kondensat

dari inti pori dan penipisan multilayer dalam pori yang lebih besar (misalnya pori telah

siap dikosongkan dari kondesat).

Distribusi ukuran pori Barret-Joyner-Halenda (BJH-PSD) dapat dihitung

(10)

Keterangan :

Vpn : volume pori pada berbagai tekanan relatif rp : jari-jari pori

rk : jari-jari inti

: perubahan volume pada berbagai tekanan relatif

: ketebalan lapisan yang diserap

Ac : area terbuka pori yang kosong (Roque-Malherbe, 2007).

2.6.3 Spektroskopi Difraksi Sinar-X (XRD)

Spektroskopi difraksi sinar-x (X-Ray diffraction / XRD) merupakan salah satu metode

karakterisasi material. Teknik ini digunakan untuk mengidentifikasi fasa kristalin

dalam material dengan cara menentukan parameter struktur kisi serta untuk

mendapatkaan ukuran partikel. Difraksi sinar-x terjadi pada hamburan elastis

foton-foton sinar-x oleh atom dalam sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar x

dalam fasa tersebut memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar penggunaan

difraksi sinar-x untuk mempelajari kisi Kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg

(Cullity, 1978):

n.λ = 2.d.sin θ ; n =1,2,…

dengan; λ adalah panjang gelombang sinar-x yang digunakan, d adalah jarak antara

dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, n adalah

bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.

Berdasarkan persamaan Bragg, ketika seberkas sinar-x menumbuk sampel

kristal, maka bidang kristal itu akan mendifraksi sinar-x yang memiliki panjang

gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal. Semakin banyak jumlah

elektron yang terdapat disekeliling atom pada suatu bidang, makin besar intensitas

pantulan yang disebabkan oleh bidang tersebut dan menyebabkan makin jelas spot

yang terekam pada film. Dengan menggunakan metoda yang dikenal dengan nama

metoda sintesis Fourier, kita dapat menghubungkan intensitas spot dengan kepekatan

distribusi elektron yang terdapat dalam unit sel. Dengan mengamati kepekatan

distribusi elektron dalam unit sel, kita dapat menduga letak atom dalam unit sel

tersebut. Atom akan terletak pada daerah-daerah yang mempunyai kepekatan distribusi

(11)

2.6.4 Fourier Transform Infra-Red (FTIR)

Fourier Transform Infra-Red (FTIR) Spectroscopy merupakan alat yang dipergunakan

untuk menganalisis secara kuantitatif maupun kualitatif berdasarkan gugus fungsi

yang ada dengan menggunakan standar.

Prinsip dasar spektroskopi inframerah yaitu interaksi antara vibrasi atom-atom

yang berikatan/gugus fungsi dalam molekul yang mengadsorbsi radiasi gelombang

elektromagnetik inframerah. Adsorbsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan

eksitasi energi vibrasi molekul ke tingkat energi vibrasi yang lebih tinggi. Untuk dapat

mengadsorbsi, molekul harus mempunyai perubahan momen dipole sebagai akibat

dari vibrasi. Daerah radiasi spektroskopi inframerah berkisar pada bilangan

gelombang 12800-10 cm-1. Umumnya daerah radiasi inframerah terbagi dalam daerah inframerah dekat (12800-4000 cm-1), daerah inframerah tengah (4000-200 cm-1), daerah inframerah jauh (200-10 cm-1). Daerah yang paling banyak digunakan adalah daerah inframerah tengah 4000-690 cm-1 (Khopkar, 2008).

Instrumen yang digunakan untuk mengukur serapan radiasi inframerah pada

pelbagai panjang gelombang disebut spektrometer inframerah. Pancaran inframerah

umumnya mengacu pada bagian spekturm elektromagnet yang terletak diantara daerah

tampak dan daerah gelombang mikro. Pancaran inframerah yang kerapatannya kurang

daripada 100 cm-1 (panjang gelombang lebih dari 100 µm) diserap oleh sebuah molekul organik dan diubah menjadi energi putaran molekul. Penyerapan itu tercatat

dan demikian spekturm rotasi molekul terdiri dari garis-garis tersendiri (Hartomo,

1986).

Terdapat dua macam vibrasi molekul, yaitu vibrasi ulur (stretching) dan vibrasi

tekuk (bending). Vibrasi ulur adalah suatu gerakan berirama di sepanjang sumbu

ikatan sehingga jarak antar atom bertambah atau berkurang. Vibrasi tekuk dapat terjadi

karena perubahan sudut-sudut ikatan antara ikatan-ikatan pada sebuah atom atau

karena gerakan sebuah gugusan. Contoh liukan (twisting), goyangan (rocking), dan

getaran punter (torsional) yang menyangkut perubahan sudut-sudut ikatan dengan

acuan seperangkat koordinat yang disusun arbiter dalam molekul. Hanya vibrasi yang

menghasilkan perubahan momen dwi kutub secara berirama saja yang teramati di

dalam inframerah. (Silverstein, et al., 1991).

(12)

Identifikasi pita adsorbsi khas yang disebabkan oleh berbagai gugus fungsi

merupakan dasar penafsiran spekturm inframerah (Creshwell, 1972). Hadirnya sebuah

puncak serapan dalam daerah gugus fungsi dalam sebuah spekturm inframerah hampir

selalu merupakan petunjuk pasti bahwa beberapa gugus fungsi tertentu terdapat pada

senyawa cuplikan. Demikian pula, tidak adanya puncak dalam bagian tertentu dari

daerah gugus fungsi sebuah spectrum inframerah biasanya berarti bahwa gugus

tersebut yang menyerap pada daerah itu tidak ada (Pine, 1998). Senyawa silikon dapat

diamati melalui spektroskopi inframerah ini. Vibrasi untuk ikatan Si-H termasuk

vibrasi ulur dan vibrasi tekuk diabsorbsi pada daerah 2200 cm-1 dan 800-950 cm-1. Frekuensi vibrasi ulur dapat meningkat dengan adanya suatu gugus yang

elektronegatif pada silikon sementara gugus OH dari SiOH diabsorbsi pada daerah

Figur

Table 2.2. Komposisi Kimia Dari Abu Sekam Padi (Habeeb, et al., 2010)
Table 2 2 Komposisi Kimia Dari Abu Sekam Padi Habeeb et al 2010 . View in document p.2
Gambar 2.1 Struktur Perspektif Magnesium Silikat
Gambar 2 1 Struktur Perspektif Magnesium Silikat . View in document p.5
Gambar 2.2 Diagram Fasa Komposit Magnesium Silikat (Sumarnadi, 1998)
Gambar 2 2 Diagram Fasa Komposit Magnesium Silikat Sumarnadi 1998 . View in document p.6
Gambar 2.2 Struktur Asam Oleat.
Gambar 2 2 Struktur Asam Oleat . View in document p.7

Referensi

Memperbarui...