285
SINTESIS FAUJASITE DARI ABU LAYANG BATUBARA : Pengaruh Refluks dan Penggerusan Abu Layang Batubara terhadap
Kristalinitas Faujasite
Sutarno1, Yateman Arryanto1 dan Arief Budhyantoro2
1)Jurusan Kimia Fakultas MIPA UGM Sekip Utara Kotak Pos Bls 21Yogyakarta 55281
2)Departemen MIPA, Universitas Surabaya
Diterima April 2004, disetujui untuk dipublikasikan Agustus 2004
Abstrak
Pada penelitian ini sintesis Faujasite dari abu layang batubara dilakukan melalui tahapan-tahapan proses refluks, penggerusan, peleburan dan reaksi hidrotermal. Refluks abu layang batubara dilakukan dengan larutan HCl 5 M pada temperatur 90 oC selama 5 jam. Pengaruh penggerusan dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan larutan HCl 5 M. Peleburan dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan NaOH (rasio berat NaOH/abu layang batubara = 1,2) pada temperatur 550 oC selama 1 jam. Hasil peleburan kemudian dilarutkan dalam akuades dan dilanjutkan dengan proses reaksi dihidrotermal dalam autoklaf selama 3 hari pada temperatur 100 oC. Padatan hasil sintesis dikarakterisasi dengan metode difraksi sinar-X. Perlakuan refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al abu layang batubara. Sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara melalui perlakukan refluks dengan HCl 5 M menghasilkan Faujasite, sedangkan tanpa perlakukan refluks menghasilkan Hydroxysodalite. Perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M sebagai bahan dasar sintesis Faujasite mengakibatkan turunnya kristalinitas Faujasite hasil sintesis.
Kata kunci: abu layang batubara, refluks, penggerusan, hidrotermal, Faujasite Abstract
Synthesis of Faujasite from coal fly ash has been conducted which involved reflux, grinding fusion and hydrothermal reaction. Coal fly ash is refluxed with hydrochloric acid 5 M at 90 oC for 5 hours. Grinding effect of refluxed coal fly ash on Faujasite synthesis has been studied as other variable on synthesis of Faujasite. Coal fly ash is mixed with NaOH pellet which NaOH : coal fly ash ratio = 1.2, and then fused at 550 oC for 1 hour. Fused coal fly ash is mixed with 100 ml distilled water, stirred and aged for 24 hours. The resulted solution was then reaeted with hydrothermal bomb autoclave at 100 oC for 3 days. The result was characterized with X-ray diffraction using diffractometer shimadzu 3001. The experimental data showed that coal fly ash refluxed with hydrochloric acid 5 M increased in Si/Al ratio of coal fly ash. Synthesis of Faujasite with coal fly ash refluxed with HCl 5 M as raw material produced good crystallinity Faujasite, but the used of unrefluxed coal fly ash as raw material on synthesis of zeolite gave hydroxysodalitet. Synthesis of Faujasite from ungrand coal fly ash whichh is refluxed with HCl 5 M gave better Faujasite crystallinity than that of the grund one.
Key words: coal fly ash, refluxed, grinding, Faujasite, hydrothermal 1. Pendahuluan
Abu layang batubara merupakan limbah padat dalam industri Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Di Indonesia bahkan di dunia, produksi limbah abu layang batubara dari PLTU sangat besar seperti diberikan dalam Tabel 1. Komposisi kimia abu layang batubara berbeda berdasarkan asal dan jenis batubara tersebut. Komposisi kimia ini biasanya digunakan untuk mengelompokkan jenis abu layang yang dihasilkan, seperti diberikan dalam Tabel 2.
Dengan melihat besarnya jumlah limbah abu layang batubara yang dihasilkan dan kandungan unsur utamanya yaitu silika (SiO2) dan alumina (Al2O3), maka abu layang banyak dimanfaatkan sebagai bahan dasar dalam sintesis Zeolite1,5,6,11,12,13,14,15,17]
.
Tabel 1. Jumlah limbah abu layang batubara yang dihasilkan oleh PLTU di beberapa negara
Negara Tahun
produksi
Jumlah Produksi (dalam juta
ton) Amerika
Serikat Australia Inggris India Indonesia
1996 1997 1998
Rerata per tahun Rerata per tahun 1997 (NTPC) 2000
1996
59,40 54,80 44,90 8,00 10,00
22,0 100,00
1,00
Sumber: American Coal Ash Association (ACAA), (November, 1999) (www.aaca-usa.org);The Fly Ash Resource Centre (Februari, 2000) (www.fe.doe.gov).
Tabel 2. Komposisi kimia masing-masing kelas abu layang batubara.
Kandungan (%b/b)
Unsur Kelas F
Fe rendah
Kelas F Fe tinggi
Kelas C CaO tinggi
Sedang/
intermediet
SiO2 45 – 57 42 – 54 25 – 42 46 – 59
Al2O3 18 – 29 16,5- 24 15 – 21 14 – 22
Fe2O3 6 – 16 16 – 24 5 – 10 5 – 13
CaO 1,8 – 55 1,3 – 3,8 17 – 32 8 – 16
MgO 0,7 – 2,1 0,3 – 1,2 4 – 12 3,2 – 4,9
K2O 1,9 – 2,8 2,1 – 2,7 0,3 – 1,2 0,6 – 1,1
Na2O 0,2 – 1,1 0,2 – 0,9 0,8 – 6,0 1,3 – 2,5
SO3 0,4 – 2,9 0,5 – 1,8 0,4 – 5,0 0,4 – 2,5
LOI 0,6 – 2,9 1,2 – 5,0 0, 1 – 0,1 0,1 – 2,3
TiO2 0,6 – 4,8 1 – 1,5 < 1 < 1
PbO2 114 ppm
Ar (arsenik) 286 ppm
Cr kromium) 218 ppm
Cu (tembaga) 185 ppm
Zn (seng) 254 ppm
Sumber : Gretchen K. Hoffman, 2000, http://www.wrashg.org.(Februari, 2000) Sintesis Zeolite dari abu layang telah banyak
dilakukan namun hasil yang diperoleh kebanyakan masih berupa campuran mineral Zeolite seperti Faujasite, Zeolite A, Analcime, Hydroxysodalite dan Zeolite-P. Metode sintesis Zeolite yang telah dilakukan adalah melalui proses refluks abu layang batubara dengan larutan NaOH dalam berbagai konsentrasi pada suhu 90 oC dengan berbagai variasi waktu sintesis. Metode ini banyak dilakukan untuk sintesis Zeolite A (Linde type A), Zeolite-P, Kalsilite dan Sodalite1,11,8,9,12 ]
.
Usaha untuk memperoleh mineral Zeolite tipe Faujasite secara selektif dari abu layang dilakukan dengan proses peleburan abu layang batubara menggunakan NaOH yang dilanjutkan dengan reaksi hidrotermal. Hasil yang diperoleh belum maksimal karena masih ditemukannya sejumlah spesi Zeolite P dan sodalite pada hasil sintesisnya5,11,14]. Selain itu, Faujasite dapat disintesis dari abu layang melalui penambahan bibit kristalnya selama proses reaksi hidrotermal15,17].
Dalam penelitian ini disajikan kajian pengaruh refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5 M dan penggerusan abu layang batubara hasil refluks terhadap kristalinitas Faujasite hasil sintesis.
Tujuan refluks abu layang batubara adalah untuk menurunkan kadar logam besi (Fe) dan kalsium (Ca) yang dapat mengganggu proses sintesis Zeolite6]. Sedangkan tujuan penggerusan adalah untuk memperkecil dan menyeragamkan ukuran partikel abu layang batubara hasil refluks sebagai bahan dasar sintesis Faujasite. Sehingga diharapkan proses pelarutan silika dan alumina akan semakin mudah pada saat peleburan dan proses reaksi hidrotermal dan pada gilirannya diharapkan akan berpengaruh terhadap proses pembentukan Faujasite. Metode
sintesis Faujasite ini merupakan pengembangan metode sintesis zeolite secara umum dari abu layang batubara yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya, yaitu melalui proses peleburan abu layang batubara dengan pellet NaOH pada suhu 450
oC14,15,17].
2. Metode Penelitian
Abu layang batubara yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari PLTU Suralaya, Serang- Banten. Pada penelitian ini sintesis Faujasite dari abu layang batubara dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu refluks abu layang batubara, peleburan abu layang batubara dengan padatan NaOH dan reaksi hidrotermal larutan hasil peleburan abu layang batubara.
Refluks abu layang batubara dilakukan dengan larutan HCl 5 M, dimana jumlah komponen dalam sistem refluks adalah 5 g abu layang batubara dan 100 mL larutan HCl 5 M. Refluks dilakukan pada temperatur 90 oC selama 5 jam. Abu layang batubara hasil refluks kemudian dicuci dengan akuades sampai pH filtrat pencucian netral dan padatan dikeringkan dalam oven. Percobaan pengaruh penggerusan abu layang batubara dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan larutan HCl 5 M. Peleburan dilakukan terhadap abu layang batubara hasi refluks HCl 5 M dengan padatan NaOH (rasio berat NaOH : abu layang batubara = 1,2) pada temperatur 550 oC selama 1 jam. Hasil peleburan kemudian dilarutkan dalam akuades, diaduk dan diperam selama 24 jam. Hasil pelarutan dan pemeraman (ageing) kemudian direaksikan secara hidrotermal dalam autoclave selama 3 hari pada temperatur 100 oC. Hasil reaksi hidrotermal kemudian dicuci dengan akuades sampai netral dan
dikeringkan pada temperatur 100 oC dalam oven.
Padatan yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan metode difraksi sinar-X. Pengukuran difraksi sinar-X dilakukan menggunakan diffraktometer sinar-X Shimadzu 3100. Kondisi pengukuran adalah, target = Cu, tegangan 40 kV, arus 30 mA, differgen slit = 1 derajat, scatter slit = 1 derajat dan receiving slit = 0,3 mm. Kristalinitas Faujasite hasil sintesis ditentukan dari perbandingan tinggi atau intensitas 5 puncak utama Faujasite hasil sintesis dengan Faujasit standar, ditentukan dengan persamaan berikut18,19].
Kristalinitas = IF/I0 1) dimana, IF = Intensitas Difraktogram sinar-X Faujasit hasil sintesis
I0 = Intensitas Difraktogram sinar-X puncak utama Faujasit Standard
Hasil sintesis Faujasite dengan perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks selanjutnya dibandingkan dengan hasil sintesis Faujasite dari abu layang batubara hasil refluks tanpa melalui penggerusan dan Faujasite standar.
Analisa kandungan Si dan Al pada abu layang batubara dan hasil konversinya menjadi Faujasite dilakukan melalui proses peleburan basa NaOH pada suhu 450 oC selama satu jam. Leburan kemudain dilarutkan dengan akuades. Larutan kemudian dirubah menjadi kompleks poli biru untuk Si dan kompleks alumina-alizarin berwarna orange untuk Al. Larutan senyawa kompleks kemudian dianalisa dengan alat spektrofotometer Uv-visible Shimadzu Lamda-Bio 3000 pada λ = 400-450 nm untuk Si dan λ = 300-400 nm untuk Al.
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5 M ternyata memberikan perubahan yang cukup signifikan terhadap rasio mol Si/Al dalam abu layang batubara tersebut (Tabel 3). Tabel 3 menunjukkan bahwa refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al, yaitu dari 2,14 pada abu layang awal menjadi 2,79 pada abu layang hasil refluks dengan HCl 5 M.
Tabel 3. Perubahan rasio mol Si/Al abu layang awal, abu layang hasil refluks HCl 5 M dan Faujasite hasil sintesis.
Sampel Rasio Si/Al
Abu layang batubara awal 2,14 Abu layang batubara hasil
refluks HCl 5M 2,79
Faujasite* 2,68 Keterangan: *Faujasite sintesis tanpa proses
penggerusan abu layang batubara
Selain itu refluks juga menyebabkan semakin tingginya puncak kuarsa dan berkurangnya puncak Mullite seperti tampak pada pola difraksi
dalam Gambar 1. Hal ini disebabkan adanya proses pelarutan spesi Al yang lebih mudah daripada spesi Si. Dalam abu layang batubara, spesi Si sebagian besar berada dalam bentuk mineral kuarsa dan spesi Al berada dalam bentuk mineral Mullite dan spesi amorf. Refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5M juga menyebabkan terlarutnya komponen- komponen pengotor berupa logam besi dan kalsium, hal ini telah diteliti sebelumnya oleh Darwanta, 19966]. Kedua logam tersebut merupakan logam pengganggu dalam proses sintesis Faujasite13].
Intensitas (s.s)
Gambar 1. Pola difraksi sinar-X: (A) abu layang batubara awal dan (B) abu layang batubara setelah refluks dengan HCl 5M.(M=Mullite; Q=Kuarsa)
Pengaruh refluks dengan HCl 5 M terhadap Zeolite hasil sintesis
Pola difraksi sinar-X padatan hasil sintesis dari abu layang tanpa refluks dan dengan refluks disajikan dalam Gambar 2. Dari pola difraksi sinar-X Zeolite hasil sintesis pada Gambar 2 dapat ditunjukkan bahwa hasil sintesis melalui refluks dengan HCl 5 M merupakan Faujasite yang ditandai dengan munculnya puncak-puncak difraksi sinar-X pada 2θ (o) = 7,37; 10,27; 15,36; 21,04; 23,87; 27,44;
29,70 dan 30,75 yang merupakan puncak-puncak karakteristik Faujasite.
Gambar 2 Pola difraksi sinar-X: (A) hasil sintesis dari abu layang tanpa refluks dan (B) hasil sintesis dari abu layang dengan refluks menggunakan HCl 5M (F=Faujasite; HS=Hydroxysodalite;
Q=Kuarsa)
Hasil sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara tanpa refluks HCl 5 M sebagai bahan dasar memberikan hasil berupa Hydroxysodalite sebagai produk dominan yang ditandai dengan munculnya puncak-puncak difraksi sinar-X pada 2θ(o) = 16,3; 26,5 dan 36,5 yang merupakan puncak- puncak karakteristik untuk Hydroxysodalite. Hal ini diperkirakan pada abu layang batubara tanpa refluks HCl 5 M masih banyak mengandung alumina amorf sehingga pada saat proses peleburan jumlah alumina yang terlarut sangat tinggi. Akibatnya rasio Si/Al dalam sistem larutan silikat-aluminat menjadi sangat rendah dan proses pertumbuhan kristal Faujasite tidak dapat dihasilkan. Selain itu dengan tingginya konsentrasi ion aluminat (Al(OH)4-
) menyebabkan laju pertumbuhan kristal menjadi cepat, sehingga struktur kristal Faujasite tidak dapat dihasilkan selama proses hidrotermal. Dengan laju pertumbuhan kristal yang cepat struktur zeolite yang lebih mudah terbentuk adalah strukutr Hydroxysodalite7].
Refluks dengan HCl 5 M dapat menghilangkan logam-logam pengotor seperti logam kalsium dan besi. Abu layang tanpa refluks HCl 5 M berarti masih banyak mengandung logam besi dan kalsium. Pada proses peleburan dengan NaOH, besi tidak larut dalam jumlah yang sangat besar
sedangkan kalsium ikut terlarut. Adanya ion kalsium yang banyak dalam sistem larutan hidrotermal mengakibatkan proses pengendapan dan stabilisasi spesi silikat sehingga tidak membentuk struktur kerangka Faujasite4].
NanH4-nSiO4 + c Ca → CacNan-2H4-n-2cSiO4 ↓ + 2c
(Na,H)+ 2)
Pengaruh penggerusan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5 M terhadap Faujasite hasil sintesis
Pola difraksi sinar-X hasil sintesis dengan penggerusan dan tanpa penggerusan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5M disajikan dalam Gambar 3. Pola difraksi sinar-X pada Gambar 3 menunjukkan bahwa jenis Zeolite yang dihasilkan baik dengan perlakuan penggerusan maupun tanpa penggerusan adalah sama, yaitu Faujasite, namun kristalinitas Faujasite (ditandai dengan intensitas puncak-puncak difraksi) yang dihasilkan dengan perlakuan penggerusan relatif lebih rendah dibandingkan dengan tanpa perlakuan penggerusan, seperti diberikan pada Table 4.
Intensitas (s.s)
F F F F
Q HS
F
F F F
F F
F F F
F F F F F F F F F F (C)
F F
(B)
(A)
Gambar 3 Pola difraksi sinar-X: (A) hasil sintesis Faujasite tanpa perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M (B) hasil sintesis Faujasite dengan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M. (C) Faujasite standar.
(F = Faujasite)
Tabel 4. Data intensitas relatif 5 puncak utama Faujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M dibandingkan terhadap intensitas Faujasit standar.
Faujasite (tanpa penggerusan)
Faujasite (dengan penggerusan) 2θ
(derajat)
IF/I0 IF/I0
7,37 70 56,7
15,36 16,7 12
23,87 22 14
27,44 20,7 12,7
29,70 23,3 14
Dari tabel 4 tampak bahwa kristalinitas Faujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M tanpa penggerusan memiliki kristalinitas sebesar 70 % (puncak utama) dibandingkan terhadap Faujasite standar. Sedangkan Faujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M dengan penggerusan memiliki kristalinitas sebesar 56,7 % (puncak utama) dibandingkan Faujasite standar.
Rendahnya kristalinitas Faujasite yang dihasilkan dengan perlakuan penggerusan tersebut disebabkan pada proses peleburan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5M yang telah digerus memberikan ukuran partikel yang lebih kecil.
Ukuran partikel yang lebih kecil menyebabkan peleburan semakin sempurna sehingga jumlah spesi silikat (SiO4-
) dan aluminat (AlO4-
) terlarut menjadi lebih besar, terutama konsentrasi Si terlarut akan semakin tinggi dalam sistem gel silika aluminat.
Bertambahnya konsentrasi Si terlarut yang lebih besar dari Al tersebut relatif meningkatkan rasio Si/Al, yang akan berpengaruh terhadap lambatnya laju pertumbuhan kristal Faujasite pada saat proses hidrotermal3,18). Berdasarkan hasil penelitian ini maka penggerusan abu layang batubara setelah refluks tidak diperlukan lagi.
4. Kesimpulan
Perlakuan refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al abu layang batubara. Sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara melalui perlakukan refluks dengan HCl 5 M menghasilkan Faujasite, sedangkan tanpa perlakukan refluks menghasilkan Hydroxysodalite. Perlakuan penggerusan abu layang hasil refluks HCl 5 M mengakibatkan kristalinitas Faujasite yang dihasilkan lebih rendah, dengan kristalinitas sebesar 56,6 %, daripada Faujasite hasil sintesis dengan abu layang batubara reluks HCl 5 M tanpa penggerusan, dengan kristalinitas sebesar 70 %.
Daftar Pustaka
1. Amrhein, C., Haghnia, G. H., Kim, T. S., Mosher, P. A., Gagajena, R. C., Amanios, T., & Torre, T.
D. L., “Synthesis and Properties of Zeolites fro m
Coal Fly Ash”, Environ. Sci. Technol., 30(3), 735-742 (1996).
2. Coal Fly Ash : Material Description, American Coal Ash AssOCiation (ACAA), www. Aaca- usa.org, November 1999, (1999).
3. Barrer, R. M., “Hydrothermal Chemistry of Zeolites), Academic Press, London, (1982).
4. Catalfamo, P., Patane, G., Primerano, P., Pasquale, S. D., & Corigliano, F., “The Presence of calcium in the Hydrothermal Conversion of Amorphous Aluminosilikates into Zeolite:
Interference and Removal”, Mater. Eng., 5(2), 159-173, (1994).
5. Chang, H.-L. & Shih, W.-H., “Synthesis of Zeolites A and X from Fly Ashes and Their Ion- Exchange Behavior with Cobalt Ions”, Ind. Eng.
Chem. Res., 39, 4185-4191, (2000).
6. Darwanta, “Kajian Dekomposisi Abu Layang Batubara dan Sintesis Zeolite 4A dengan Bahan Dasar Fraksi Ringan Abu Layang Batubara”, Skripsi S-1 Jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta, (1997).
7. Feijen E. J. P., Martens J. A. & Jacobs P. A.,
“Zeolites and their Mechanism of Synthesis”, Studies in Surface Science and Catalysis, 84, 3- 19, (1994).
8. Gretchen K. Hoffman, Fly Ash Usage in the Western United States, NM Bureau of Mines &
Mineral Resources, http://www.wrashg.org, February 2000 (2000).
9. Lin, C.-F. & Hsi, H.-C., “Resources Recovery of Waste Fly Ash: Synthesis of Zeolite-like Materials”, Environ. Sci. Technol., 29(4), 1109- 1117, (1995).
10. Querol, X., Alastuey, A., Soler, A. L., Plana, F., Andres, J. M., Juan, R., Ferrer, P., and Ruiz C. R.,
“A Fasat Method for Recycling Fly Ash:
Microwave-Assisted Zeolite Synthesis”, Environ.
Sci. Technol., 31, 2527-2533, (1997).
11. Shigemoto, N. , Hayashi, H. , & Miyaura, K.,
“Selective Formation of Na-X Zeolite from Coal Fly Ash by Fusion with Sodium Hydroxide Prior to Hydrothermal Reaction”, J. Mater. Sci., 28, 4781-4786, (1993).
12. Shih, W-H. & Chang, H-L., “Conversion of Fly Ash into Zeolites Ion-Exchange Applications”, Mater. Lett., 28, 263-268, (1996).
13. Singer, A. & Berkgaut, V., “Cation Exchange Properties of Hydrothermal Treated Coal Fly Ash”, Environ. Sci. Technol., 27(7), 1748-1753, (1995).
14. Sutarno, Arryanto, Y., & Yulianto, I.,
“Pemanfaatan Limbah Abu Layang sebagai Bahan Dasar Sintesis Faujasite dengan Metoda Peleburan-Reaksi Hidrotermal”, Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII, Jurusan Kimia Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 265-270, (2000).
15. Sutarno, Arryanto, Y. & Hamidah, N., “Sintesis Zeolite Tipe Faujasite dari Abu Layang dengan
Metoda Pembibitan dan Pemeraman”, Prosiding Seminar Nasional Kimia IX, Jurusan Kimia Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 241-248, (2001).
16. The Fly Ash Resources Center, February www.
Fly Ash Resources Center.org, (2000).
17. Zhao, X. S., Lu, G. Q., & Zhu, H. Y., “Effects of Ageing and Seeding on the Formation of Zeolite Y from Coal Fly Ash”, Porous Mater., 4, 245- 251, (1997).
18. R.G. de Araújoa, C.L. Cavalcante Jr.a, K.M.
Fariasb, I. Guedesb*, J.M. Sasakib, P.T.C. Freireb, F.E.A. Melob, J. Mendes-Filhob, “Synthesis of Cubic Y Zeolite Using a Pulsed Microwave Heating System”, Mat. Res. v.2 n.2 São Carlos abr., 131-139, (1999).
19. Whinston, C., “Analytical Chemistry By Open Learning (ACOL) : X-Ray Methods”, John Wiley
& Sons, Chicester, hal : 81-132, (1987).
