LAPORAN AKHIR
PENELITIAN HIBAH BERSAING
APLIKASI TEKNIK SONIKASI UNTUK PERBAIKAN PROSES
PEMBUATAN ZEOLIT SINTETIS DARI ABU SEKAM PADI
SEBAGAI BIOSORBEN LIMBAH LOGAM BERAT
TIM PENGUSUL:
Ir. Herry Purnama, M.T., Ph.D., NIDN: 0609086801 Malik Musthofa, S.T., M.Sc., NIDN: 0612097803 Ratnanto Fitriadi, S.T., M.T., NIDN: 0623117102
Dibiayai oleh:
Koordinasi Perguruan Tinggi Wilayah VI, Kemendikbud RI, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian
Nomor: 008/K6/KL/SP/2013, Tanggal 16 Mei 2013
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
DESEMBER 2013
LAPORAN AKHIR
PENELITIAN HIBAH BERSAING
APLIKASI TEKNIK SONIKASI UNTUK PERBAIKAN PROSES
PEMBUATAN ZEOLIT SINTETIS DARI ABU SEKAM PADI
SEBAGAI BIOSORBEN LIMBAH LOGAM BERAT
TIM PENGUSUL:
Ir. Herry Purnama, M.T., Ph.D., NIDN: 0609086801 Malik Musthofa, S.T., M.Sc., NIDN: 0612097803 Ratnanto Fitriadi, S.T., M.T., NIDN: 0623117102
Dibiayai oleh:
Koordinasi Perguruan Tinggi Wilayah VI, Kemendikbud RI, sesuai dengan Surat Perjanjian Pelaksanaan Hibah Penelitian
Nomor: 008/K6/KL/SP/2013, Tanggal 16 Mei 2013
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
DESEMBER 2013
RINGKASAN
Zeolit sintetis merupakan senyawa silika alumina dengan perbandingan tertentu yang dihasilkan dengan teknik tertentu. Karakteristik zeolit sintetis tidak tergantung dengan kondisi geografis dan geologis alam, tetapi tergantung dengan kondisi dan teknik preparasinya. Dalam perkembangannya, zeolit sintetis semakin luas digunakan di berbagai bidang, seperti bidang energi, makananan, minuman, dan obat-obatan. Zeolit juga memiliki peran yang menentukan pada proses pengolahan limbah, yaitu sebagai adsorben dan penukar ion. Zeolit mempunyai kemampuan untuk menyerap logam berat yang bersifat racun seperti logam tembaga. Peran penting zeolit sintesis tersebut tidak lepas dari keunikan dari zeolit sintesis tersebut. Zeolit ini memiliki bentuk struktur yang teratur dan tertentu, sehingga membentuk pori-pori yang terstruktur juga. Selain itu, zeolit juga memiliki luas permukaan yang luas. Sejauh ini, teknik sintesis yang umum digunakan adalah teknik hidrotermal. Namun, teknik ini memerlukan waktu yang relatif lama dan banyak bahan kimia yang terbuang. Teknik sonifikasi telah dikenalkan sebagai upaya memperbaiki teknik pembuatan zeolit sintetis. Secara umum, penelitian ini bertujuan membuat zeolit sintetis dari abu sekam padi dengan teknik sonifikasi. Selain itu, studi ini juga dilakukan untuk menghasilkan unjuk kerja zeolit sebagai penyerap logam berat. Adapaun secara khusus, tujuan dari studi ini adalah untuk menentukan kondisi optimum pada proses pembuatan zeolit sintetis dari abu sekam padi dengan teknik sonifikasi. Lebih jauh studi ini juga untuk menghasilkan model adsobsi yang sesuai untuk zeolit sintesis tersebut dan juga kinetika adsorpsinya sebagai dasar perancangan alat adsorpsi logam berat dengan menggunakan adsorben zeolit sintesis.
Pembuatan zeolit sintetis dari abu sekam padi dengan metode sonikasi telah dilakukan. Secara umum dapat dikatakan bahwa metode sonikasi menunjukkan adanya zeolit yang diperoleh meskipun masih perlu dibuktikan dengan uji analisis instrumentasi (XRD, FTIR, dan BET). Hasil uji analisis instrumentasi untuk luas permukaan BET masih ada kendala di peralatan yang digunakan dan sedang diupayakan pengganti.
DAFTAR ISI
Halaman Sampul i
Halaman Pengesahan ii
RINGKASAN iii
DAFTAR ISI iv
DAFTAR GAMBAR v
DAFTAR TABEL vi
DAFTAR LAMPIRAN vii
BAB 1 PENDAHULUAN 1
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 4
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 12
BAB 4 METODE PENELITIAN 14
BAB 5 HASIL YANG DICAPAI 19
BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA 21
BAB 7 KESIMPULAN DAN SARAN 22
DAFTAR PUSTAKA 23
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Contoh hasil analisis XRD zeolit 5
Gambar 2. Contoh hasil uji spektro infra merah dari zeolit 6 Gambar 3. Abu sekam padi setelah dipanaskan pada temperatur 800oC 4 jam 19 Gambar 4. Proses sonikasi abu yang dilarutkan dalam Na-silikat dan Na-aluminat 19 Gambar 5. Zeolit sintetis setelah proses pencucian dan pengeringan 20
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Komposisi abu sekam padi 4
Tabel 2. Pencapaian Penelitian Bidang Teknik Sintesis Zeolit 8
DAFTAR LAMPIRAN
1. Sertifikat Pemakalah pada Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses 2013 Universitas Diponegoro
2. Makalah dipresentasikan pada Seminar Nasional Rekayasa Kimia dan Proses 2013 Universitas Diponegoro
3. Hasil Uji XRD dan FTIR
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu produk utama pertanian di Indonesia adalah padi, dimana hampir 20% -nya adalah sekam yang dihasilkan saat proses penggilingan. Sehingga jumlah sekam padi sangat melimpah. Sayangnya, pemanfaatannya belum optimal. Selama ini, sekam padi hanya digunakan sebagai bahan bakar pada pembakaran batu merah atau dibuang begitu saja. Padahal, menurut penelitian Prasad dkk (2011) abu sekam padi mengandung silika (SiO2) sekitar sejumlah 85-97 %. Tingginya kandungan silika ini merupakan
potensi besar untuk menggantikan sumber silika lain yang lebih mahal.
Dewasa ini, penelitian telah banyak dilakukan untuk memanfaatkan silika yang terkandung dalam abu sekam padi sebagai bahan untuk mensintesis zeolit (Ramli, Z., 2003, Nur, H. 2001). Zeolit merupakan material yang tersusun atas silika dan alumina dengan perbandingan tertentu. Selain berpori, zeolit juga memiliki struktur dan bentuk yang unik. Selain itu, kekuatan asam zeolit juga dapat dikontrol. Hal inilah yang menyebabkan zeolit digunakan secara luas pada proses industri kimia, yaitu pada proses pertukaran ion, absorpsi, dan reaksi (Auerbach, S., dkk, 2003). Apalagi di tengah maraknya kasus pencemaran lingkungan oleh logam berat seperti kasus Minamata, kasus Teluk Buyat, pencemaran di Teluk Jakarta dan Muara Angke, yang terbukti merusak lingkungan, sistem fisiologi manusia, dan sistem biologis lainnya, maka zeolit memiliki potensi besar untuk digunakan sebagai adsorben limbah logam tersebut.
Teknik praparasi zeolit sintetis yang umum digunakan adalah teknik
hydrothermal (Wu., Zhang, dkk., 2006). Meskipun relatif sederhana dan tidak
saja, penelitian tentang aplikasi teknik sonikasi ini masih sangat terbatas dan masih perlu dikembangkan dan dioptimalkan.
Pada penelitian ini, permasalahan yang akan diselesaikan adalah bagaimana mengoptimalkan (menentukan kondisi optimum) teknik sonikasi dalam proses pembuatan zeolit sintetis dari abu sekam padi. Permasalahan yang lebih jauh lagi adalah bagaimana
performance (unjuk kerja) zeolit sintetis tersebut untuk menyerap limbah logam berat.
1.2 Urgensi Penelitian
Melimpahnya jumlah sekam padi yang belum dimanfaatkan secara optimal merupakan potensi yang besar, mengingat kandungan silika yang tinggi dalam abu sekam padi. Dalam beberapa tahun terakhir, produksi gabah kering giling mencapai 64 juta ton per tahun. Ini berarti sekitar 13 juta ton sekam padi tiap tahun atau sekitar 11 juta ton per tahun silika bisa dihasilkan dari limbah sekam padi (Hermawan, Y., 2006). Selain melimpah, sekam padi dapat menjadi sumber silika yang murah dan renewable. Disisi yang lain, pemanfaatan sekam padi dapat meningkatkan nilai ekonomis sekam itu sendiri sekaligus mengurangi dampak limbah sekam terhadap lingkungan.
Silika dari abu sekam padi dapat dimanfaatkan untuk membuat zeolit sintesis. Zeolit sintetis memiliki struktur yang lebih teratur sehingga membentuk pori-pori yang seragam dan terstruktur juga. Zeolit juga memiliki luas permukaan yang luas. Karakteristik ini yang membuat zeolit memiliki potensi besar sebagai adsorben dan penukar ion (Auerbach, S., dkk, 2003).
Penelitian ini akan memanfaatkan karakteristik zeolit sintetis untuk menyerap logam berat seperti tembaga yang banyak dihasilkan dari industri pelapisan logam, pencampuran logam dan baja, pewarna, kabel listrik, jaringan pipa, dan cat. Logam berat dalam bentuk garamnya dapat berikatan dengan sisi aktif protein ataupun jaringan biologis yang dapat menyebabkan bioakumulasi dan menghambat kegiatan ekskresi. Selain itu logam beratpun dapat bereaksi dengan senyawa organik membentuk reaksi kompleks yang dapat meningkatkan mobilitas sehingga potensi bahaya akan meningkat (Manahan 2003).
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Komposisi Abu Sekam Padi
Beberapa studi telah dilakukan untuk menganalisis kadar silika di dalam abu sekam padi. Terdapat perbedaan tentang kadar silika dalam abu sekam padi yang kemungkinan disebabkan oleh jenis dan kualitas padi. Namun demikian, kadar silika tersebut tersebut dalam kisaran 85 – 97 % (Prasad, dkk, 2001). Berikut adalah salah satu hasil analisis kadar silika dalam abu sekam padi.
Tabel 1. Komposisi abu sekam padi Komponen Prosentase (%)
SiO2 95,12
Al2O3 0,19
Fe2O3 0,07
CaO 0,32
MgO 0,51
Na2O 0,01
K2O 1,64
Komponen lain 2,14
Total 100
(Ramli, Z., 2003)
2.2 Zeolit sintetis dan karakteristiknya
0
maka karekteristik zeolit sintetis hanya dipengaruhi oleh teknik sintesis, kondisi proses pembuatan serta komposisi bahan baku (Auerbach, S., dkk, 2003).
Zeolit alam biasanya mengandung banyak impuritas, pori-porinya tidak seragam, dan kekuatan asamnya juga lebih sulit dikontrol. Sedangkan zeolit sintetis memiliki struktur yang lebih teratur sehingga membentuk pori-pori yang seragam dan terstruktur juga. Zeolit juga memiliki luas permukaan yang luas. Karakteristik ini yang membuat zeolit memiliki potensi besar sebagai adsorben. Kekuatan asam zeolit sintetis juga dapat dikontrol, yang menjadikannya salah satu katalis yang banyak diminati oleh industri kimia (Auerbach, S., dkk, 2003).
Struktur zeolit sejauh ini diketahui bermacam-macam, tetapi secara garis besar strukturnya terbentuk dari unit bangun primer, berupa tetrahedral yang kemudian menjadi unit bangun sekunder polihedral dan membentuk polihendra dan akhirnya unit struktur zeolit (Auerbach, S., dkk, 2003).
Gambar 1. Contoh hasil analisis XRD zeolit
4000 3200 2400 1800 1400 1000 600 400.0
menunjukkan bahwa sampel zeolit memiliki tingkat kristalinnitas yang tinggi. Hal ini nampak puncak-puncak yang jelas dan intensitas ketajaman puncaknya tinggi dan
atajam pada beberapa posisi diantaranya pada 2θ: 7-8, 11-17, dan 23-35 (Musthofa, M.,
Sugeng., T., 2010).
Identifikasi gugus fungsi dalam zeolit menjadi sangat penting dalam proses zeolit sintesis. Uji ini akan mendeteksi ikatan Si-O-Al dalam sampel. Hasil ini sangat menentukan apakah hasil sintesis zeolit berhasil dengan baik atau tidak. Gambar 2 menunjukkan contoh hasil spektro infra merah dari suatu zeolit. Puncak yang tajam pada frekuensi 1008.36 merujuk kepada ikatan molekul Si-O, sedangkan pada 555.55 dan 465 menunjukkan struktur T-O-T dimana T adalah Si atau Al (Musthofa, M., Sugeng., T., 2010).
Gambar 2. Contoh hasil uji spektro infra merah dari zeolit
2.3 Teknik Sintesis Zeolit
alumina akan terbentuk melalui reaksi kondensasi. Jika kandungan silika dari zeolit adalah rendah, produk seringkali dapat dikristalkan pada temperatur 70 – 100oC, sedangkan jika zeolit kaya silika, sebagian besar produk hidrotermal adalah gel. Dalam kasus ini, gel selanjutnya ditempatkan dalam autoclave selama beberapa hari. Produk zeolit dengan struktur tertentu akan terbentuk pada temperatur antara 100-350oC. Variabel yang menentukan tipe produk meliputi komposisi larutan awal, pH, temperatur, kondisi aging serta laju pengadukan dan pencampuran. (Schubert dan Husing., 2000)
Kebanyakan zeolit dibuat melalui sintesis hydrothermal. Kondisi sintesis tergantung pada komposisi material yang diinginkan, ukuran partikel, morfologi dan sebagainya (Schubert dan Husing, 2000). Proses sintesis adalah sensitif terhadap sejumlah variabel seperti impuritas (pengotor), waktu pencampuran dan pencucian, temperatur, pH, sumber silika dan alumina, jenis kation alkali dan waktu reaksi maupun surfaktan.
Teknik lain yang mulai diperkenalkan adalah penggunaan microwave. Meskipun belum sepenuhnya berhasil, teknik ini memberikan prospek yang baik dalam perbaikan teknik sintesis zeolit dimana dengan teknik ini zeolit dapat dibuat dalam waktu yang sangat singkat. Beberapa peneliti melaporkan bahwa dengan teknik ini, zeolit dapat disintesis dalam waktu 20 menit, setelah proses pencampuran larutan. Namun teknik ini juga masih dipertanyakan mengenai keamanan dan efek kesehatan bagi pengguna karena tinnginya frekuansi yang digunakan oleh microwave (Ma., J, 2005, Conner, W., 2004).
2.4 Metode Sonikasi
Teknik ini berprinsip pada penggunaan ultrasound dalam sintesis zeolit. Metode ini memanfaatkan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi sekitar 20 kHz untuk mencampur larutan aluminat dan silikat sampai terbentuk campuran yang homogen. Sejauh ini, teknik ini reltif lebih baik jika dibandingkan dengan teknik hydrothermal, karena lebih cepat dalam sintesis dan tidak banyak bahan kimia yang terbuang. Jika dibandingkan dengan metode dengan microwave, teknik ini lebih aman karena menggunakan frekuensi dibawah microwave (Suslick, K., 2000, Andac, O., 2006).
2010). Zeolit berhasil disintesis dengan bahan baku kolid silika dan sodium aluminat. Kondisi proses sintesis adalah 80oC dalam waktu satu jam. Hanya saja, zeolit yang dihasilkan belum diuji kemampuan dan daya serapnya. Proses sintesis zeolit ini juga belum dioptimasi, sehingga memang belum diketahui kondisi proses yang optimum untuk menghasilkan zeolit sintetis dengan bahan yang sama maupun dengan material yang lain.
2.5 Penelitian Pendahuluan tentang Teknik Preparasi Zeolit Sintetis
Studi tentang teknik pembuatan zeolit sintetis terus mengalami perkembangan, dari merode hydrothermal, sonikasi, dan microwave. Berikut adalah pencapaian penelitian dalam bidang ini:
Tabel 2. Pencapaian Penelitian Bidang Teknik Sintesis Zeolit
Tahun Peneliti Metode Material Pencapaian
2003 Ramli dkk hydrothermal Sekam Padi T=120oC, 24 jam,
hydrothermal Chemical T=100oC, 5 hari,
Berdasarkan pencapaian studi teknik sintesis zeolit ini, maka diantara teknik yang dikemabangkan, maka teknik sonikasi merupakann teknik yang memerlukan suhu yang paling rendah. Hanay saja memang masing bervariasi kondisi prosesnya, 60, 80 dan 100oC dengan waktu yang juga beragam, 1,3, dan 5 jam. Hal ini menunjukkan bahwa kondisi yang optimum untuk teknik sonikasi memang belum diketahui. Dalam studi ini, kondisi optimum ini akan diabservasi dengan bahan baku bukan dari chemical melainkan sekam padi.
2.6 Aplikasi Zeolit Sintetis Sebagai Adsorben Limbah Logam Berat
Masalah pencemaran lingkungan oleh logam berat termasuk issu nasional dan internasional. Keberadaan beberapa senyawa logam berat dalam lingkungan perairan perlu diperhatikan karena sifat racun yang dimilikinya. Logam berat seperti tembaga (Cu) sangat beracun karena logam berat tersebut tidak dapat terdegradasi dan dapat mengalami biokonsentrasi, dan bioakumulasi serta biomagnifikasi dalam vegetasi, hewan, ikan, dan kerang-kerangan, bahkan manusia sebagai rantai makanan tertinggi. Riset juga membuktikan bahwa logam Cu secara statistik terbukti mempunyai efek akut terhadap manusia dengan merusak sistem saraf, pernafasan, dan kulit serta bersifat karsinogenik. Unsur tembaga juga merupakan sumber polutan anorganik yang potensial berkontribusi pada perusakan lingkungan. Cemaran logam ini selain berasal dari pelapukan batuan, juga didominasi oleh kegiatan manusia seperti industri pencampuran logam, cat, kabel listrik, mesin-mesin, elektroplating, jaringan pipa dan insektisida (Moore 1991).
2.7 Adsorpsi isotermal: model matematis dan persamaan kinetika
Adsorpsi adalah terjerapnya atau terikatnya suatu substansi (adsorbat) pada permukaan yang dapat menjerap (adsorben). Adsorpsi isotermal merupakan adsorpsi yang terjadi pada kondisi suhu konstan. Adsorpsi yang terjadi harus dalam keadaan kesetimbangan, yaitu laju desorpsi dan adsorpsi berlangsung relatif sama. Kesetimbangan adsorpsi biasanya digambarkan dengan persamaan isoterm. Parameternya menunjukkan sifat permukaan dan afinitas dari adsorben pada kondisi suhu dan pH tetap. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menyelidiki isoterm adsorpsi ion logam berat dan hubunganya terhadap pH, jumlah adsorben, konsentrasi ion sekutu, waktu kontak dan suhu (Gupta & Bhattacharayya. 2008; Barkhordrar & Ghiashehddin 2004).
Model isoterm adsorpsi Langmuir dan Freudlich umum digunakan pada adsorpsi cairan dengan konsentrasi rendah. Model Langmuir dibuat berdasarkan asumsi bahwa
binding sites terdistribusi secara homogen di seluruh permukaan adsorben, di mana
adsorpsi terjadi pada satu lapisan (single layer).
e
massa adsorben (mmol/kg) pada kesetimbangan; C (mM) konsentrasi kesetimbangan e
zat teradsorpsi di fase cair. Isoterm Freundlich sering digunakan dalam adsorpsi pada zat cair. Asumsi dari isoterm ini didasarkan bahwa ada permukaan heterogen dengan beberapa tipe pusat adsorpsi yang aktif.
n
dipelajari kinetika adsorpsi. Model yang cukup sederhana untuk menggambarkan kinetika adsorpsi adalah model pseudo-first-order rate dan model pseudo-second-order rate. Untuk model pseudo-first-order rate orde 1. Sedangkan model pseudo-second-order rate
……….(7)
……….(8)
……….(9)
di mana k2adalah konstanta kecepatan adsorpsi orde 2 (Chung, D., 2001)
DAFTAR PUSTAKA
Andac, O., Telli, S.M., Tatlıer, M., Sirkecioglu, A.Erdem-Senatalar, 2006, Effect of Ultrasound on zeolit A synthesis, Microporous and Mesoporous Materials 88, 72–76.
Auerbach, S., Carrado, K., and Dutta, P., 2003, “Hand book of zeolite science and
technology”, Marcel Dekker, Inc., New York
Conner, W., Tompsett, G., Lee, K., and Yngvesson, K., 2004, “Journal of physical chemistry B”, 108, 13913-13920.
Corma, A., Current Opinion in Solid State and Material Science, (1997), 2: 63-75.
Cung, D., 2001, Applied Material Science: Application of Engineering Materials in Structural, Electronics, Thermal, and other Industries, CRC Press, Washington.
Gupta SS, Bhattacharayya GK. 2008. Immobilization of Pb(II), Cd(II), Ni(II) ions on kaolinite and montmorillonite surfaces from aqueos medium.Journal of Enviromental
Management 87: 46-58.
Hermawan, Y., 2006, Pemanfaatan Limbah Sekam Padi Sebagai Bahan Bakar Bentuk Briket, Laporan Penelitian, Jurusan Teknik Mesin, fakultas Teknik, Universitas Jember. Khabuanchalad, S. Dkk, 2008, Suranaree J. Sci. Technol. 15(3):225-231
Kumar. N., Masloboischikova, Kustov . M, Heikkila, T., Salmi, T., dan Yu. Murzin, 2007, Ultrasonics Sonochemistry, 14, 122–130.
Kundari, N. A., dan Wiyuniati, S., 2008, “Tinjauan kesetimbangan adsorpsi tembaga dalam limbah pencuci PCB dengan zeolit”, Prosiding Seminar Nasional IV SDM
Teknologi Nuklir Yogyakarta,.
Lestiasari, R., 2009, “Kesetimbangan adsorpsi logam berat Cu dengan adsorben abu sekam padi”, Laporan penelitian, Jurusan Teknik Kimia, Universitas Riau, Pekan Baru
Ma, J., and Tian, Y, 2005, “Petroleum science and technology”, 23:1283-1289
Musthofa, M., Triwahyono, S., 2010, “Synthesis of zeolite A from colloidal silica by ultrasound irradiation technique”, “Prosiding seminar RAPI”, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
Musthofa, M., Lukman, I, “Studi sintesis zeolit dari abu sekam padi dengan microwave”, Laporan Penelitian, Teknik Kimia UMS.
Moore JW. 1991. Inorganic contaminant of surface water. Springer-Verlag. NewYork. hlm. 334.
Nur, H., 2001, Direct synthesis of NaA zeolite from rice husk and carbonaceous rice husk
ash, Indonesian Journal of Agricultural Science, 1, 40-45.
Ozkan, A. dan Kalipcilar, H. , 2006, Ind. Eng. Chem. Reourse, 45, 4977-4984
Prasad C.S., Maiti K,N., and Venugopal R., 2001, “Effect of rice husk ash in whiteware
compositions”, Ceramic International, 27, 629-635.
Ramli, Z., dan Bahruji, H., 2003, “Synthesis of HZSM-5 Type Zeolite using Crystalline Silica of Rice Husk Ask”, Malaysian journal of Chemistry, (5), 1.
Schubert, U dan Husing, N,. 2000, “Synthesis of Inorganic Materials”, Federal Republic of Germany. WILEY-VCH
Suslick, K., and Dantsin., G., 2000, Sonochemical Preparationof a Nanostructured Bifunctional Catalyst, Journal of American Chemical Society, 122: 5214-5215.
Wu, D., Zhang, B., Yan, L., Kong, H., Wang, X., Int. J. Miner. Process 80 (2006) 266– 272.
