1 PENGARUH AKTIVASI ASAM DAN KALSINASI LEMPUNG MAREDAN
PADA RASIO Si/Al ZEOLIT SINTESIS
Jeky Sasemar Lumban Gaol1*, Muhdarina2
1Mahasiswa Program S1 Kimia
2Dosen KJFD Riset Material dan Energi Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Binawidya, Pekanbaru, 28293, Indonesia
ABSTRACT
Activation of Maredan clay was carried out to release impurities from the lattice structure of the clay to increase the content of silica and alumina, thereby increasing the chances of conversion Maredan clay into zeolite. In this research, the synthesis of zeolite was initiated by the activation process of Maredan natural clay using 1 M H2SO4 and calcination for 3 hours at 650oC. In the zeolite synthesis stage, the post-calcination clay was mixed into 5 M NaOH solution for the aging process with stirring at 300 rpm for 5 hours at 80°C followed by a reflux process at 100°C for 8 hours, then filtered. Synthesized zeolite, post-activated Maredan clay, and natural clay were analyzed using XRF instruments. The results obtained were that the Fe content in Maredan clay decreased from 8.53% to 6.55% as well as increased Si from 11.5% to 15.6% and Al from 7.19%
to 9.07%, respectively. Simultaneously there was an increase in the Si/Al ratio from 1.519 for natural clay to 1.583 after it became a zeolite.
Keywords : activation, acid, calcination
ABSTRAK
Aktivasi lempung Maredan dilakukan untuk melepaskan pengotor-pengotor dari kisi struktur lempung untuk meningkatkan kandungan silika dan alumina sehingga memperbesar peluang konversi lempung Maredan menjadi zeolit. Pada penilitian ini sintesis zeolit dimulai dengan proses aktivasi lempung alam Maredan menggunakan 1 M H2SO4 dan kalsinasi selama 3 jam pada suhu 650oC. Pada tahap sintesis zeolit, lempung pasca kalsinasi dicampur ke dalam larutan NaOH 5 M untuk proses aging dengan pengadukan pada kecepatan 300 rpm selama 5 jam pada suhu 80ºC dilanjutkan dengan proses refluks pada suhu 100ºC dengan waktu 8 jam, kemudian disaring. Zeolit hasil sintesis, lempung Maredan pasca aktivasi, dan lempung Maredan dianalisis menggunakan instrumen XRF. Hasil yang diperoleh yaitu kadar Fe pada lempung Maredan berkurang dari 8,53%
menjadi 6,55% dan meningkatkan Si dari 11,5% menjadi 15, 6% dan Al dari 7,19% menjadi 9,07%. Bersamaan dengan itu terjadi kenaikan rasio Si/Al dari 1, 519 untuk lempung alam dan 1,583 setelah lempung berubah menjadi zeolit.
Kata kunci : aktivasi, asam, kalsinasi
2 PENDAHULUAN
Lempung alam yang berada di Desa Maredan, Kecamatan Tualang, Kabupaten siak dalam upaya pemanfaatan potensi lokal telah banyak dimanfaatkan sebagai bahan baku zeolit sintesis dalam beberapa tahun terakhir karena memiliki kandungan silika dan alumina yang cukup tinggi. Analsis XRF yang dilakukan oleh Saputra (2020), lempung Maredan mengandung kadar SiO2
sebesar 54,816%% dan kadar Al2O3 sebesar 30,344%. Zeolit sintesis dari bahan baku lempung alam Maredan mengalami perkembangan dengan ditemukannya jenis zeolit ZSM-5 (Sumiati, 2021), zeolit jenis LTA (Linde Type A) dan sodalit (Khasanah, 2019) dan zeolit NaP (Ratnawati, 2018).
Proses aktivasi lempung alam Maredan dilakukan untuk menghasilkan dan menaikkan kualitas dari zeolit yang dihasilkan serta agar dapat diapliakasikan.
Proses aktivasi juga diperlukan untuk meningkatkan sifat khusus zeolit dan menghilangkan unsur pengotor yang terkandung didalam lempung alam (Kurniasari et al., 2011). Proses aktivasi lempung alam dengan asam anorganik melibatkan perlakuan leaching yang menyebabkan penghilangan mineral-mineral pengotor, dan disolusi lapisan luar, sehingga
komposisi kimia dan struktur dari lempung menjadi berubah (Belver et al., 2002).
Keberadaan logam besi (Fe) sebagai pengotor pada lempung memberikan pengaruh yang kurang baik terhadap kaolin sehingga dapat mengganggu proses sintesis zeolit sebab dapat menggantikan ion Al3+
yang menyebabkan rendahnya tingkat tetrahedral Al dan dapat mempengaruhi rasio Si/Al pada sintesis zeolit (Maia et al., 2015).
Panda et al.,(2010) melaporkan bahwa penggunaan asam sulfat 1 M sebagai aktivator dapat meningkatkan rasio Si/Al pada kaolin dari 0,65 menjadi 0,81.
Penelitian yang dilakukan oleh Tuncuk et al., (2013) juga menyatakan bahwa asam sulfat merupakan asam yang paling efektif untuk mengurangi logam Fe dalam lempung.
Proses aktivasi secara fisika dilakukan dengan pemanasan (kalsinasi) pada suhu 650ºC selama 3 jam dengan tujuan untuk menguapkan air yang terperangkap dalam pori-pori lempung yang akan digunakan sebagai bahan untuk melakukan sintesis zeolit, sehingga jumlah pori dan luas permukaan spesifik dari lempung tersebut secara signifikan dapat mengubah sifat permukaan dari zeolit.
3 Penelitian ini dilakukan untuk
mengurangi kadar logam besi (Fe) pada lempung Maredan dan mengetahui pengaruhnya pada rasio Si/Al zeolit sintesis melalui aktivasi asam dengan asam sulfat 1 M dan kalsinasi dengan pemanasan
METODE PENELITIAN a. Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi ayakan (100 mesh dan 200 mesh), desikator, furnace (VULCAN A- 130), hot plate (REXIM RSH-IDR L120), krusibel, labu leher tiga, lumpang dan alu kayu, neraca analitik (ABJ-320-4NM), oven (Memmert), pengaduk magnetik, pipet volum 5 mL, pipet ukur 5 mL, pH meter (HANNA Instrument), seperangkat alat refluks, FTIR (Shimadzu IR Prestige-21), XRF (Rigaku Supermini200), XRD (SHIMADZU XRD-7000), SEM (JOEL 6510-LA), dan alat-alat standar laboratorium lainnya sesuai prosedur kerja.
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah lempung alam desa Maredan, kecamatan Tualang, kabupaten Siak Provinsi Riau, larutan H2SO4 1 M (SMART-LAB), larutan buffer pH 4, 7 dan 10, larutan Natrium Hidroksida (NaOH) 5 M (MERCK KGaA 64271), kertas saring
Whatmann No. 42, aquades, aqua DM, dan bahan-bahan standar laboratorium lainnya sesuai prosedur kerja.
b. Preparasi Sampel
Sampel lempung yang telah diambil di Desa Maredan, Kecamatan Tualang, Kabupaten Siak, dicuci menggunakan aquades dan dikeringkan melalui bantuan sinar matahari. Lempung tersebut kemudian digerus menggunakan lumpang kayu, diayak sehingga diperoleh ukuran partikel rentang 100 ≤ x ≤ 200 mesh. Lempung kemudian dikeringkan di dalam oven pada suhu 105 ºC selama 24 jam dengan tujuan untuk menghilangkan kadar air yang masih terdapat pada lempung.
c. Aktivasi lempung alam Maredan Lempung ditimbang sebanyak 10 g, dibuat suspensi dalam 100 mL asam sulfat 1 M. Campuran kemudian direfluks dalam labu leher tiga selama 3 jam pada suhu 80ºC pada penangas minyak Campuran kemudian disaring dengan kertas saring (Whatmann nomor 42) untuk memisahkan antara filtrat dan pastanya. Pasta lempung dicuci menggunakan aqua bebas mineral hingga mendekati pH 2 kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 105ºC selama 24 jam.
Padatan yang didapat dalam proses ini
4 merupakan lempung Maredan teraktivasi
asam sulfat. Serbuk lempung yang diperoleh lalu dikalsinasi pada suhu 650ºC selama 3 jam dan kemudian didinginkan dalam desikator.
d. Sintesis zeolit melalui metode refluks Serbuk lempung Maredan pasca aktivasi diambil sebanyak 10 g, dimasukkan dalam labu leher tiga 250 mL dan ditambahkan dengan larutan Natrium Hidroksida 5 M sebanyak 50 mL untuk prsoses aging dengan menggunakan magnetic stirrer pada suhu 80oC selama 5 jam dengan kecepatan 300 rpm. Campuran yang dihasilkan kemudian disintesis dengan metode refluks pada suhu 100oC selama 8 jam tanpa disertai pengadukan. Hasil yang diperoleh disaring dan dicuci
e. Karakterisasi zeolit hasil sintesis Zeolit hasil sintesis di analisis menggunakan X-Ray Fluoresence (XRF) untuk mengetahui komposisi kimia serta rasio Si/Al.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel Lempung Maredan, Lempung Maredan pasca aktivasi, dan zeolit hasil sintesis di analisis dengan instrumen X-Ray Fluorosence (XRF) untuk mengetahui
komposisi kimia serta rasio Si/Al dari sampel. Hasil analisis yang diperoleh ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 1.
Table 1. Komposisi kimia lempung Maredan, lempung Maredan pasca aktivasi dan zeolit sintesis
Komposisi Kadar (%)
LM LMA Zeolit
Al 7,19 9,07 10,70 Unsur Si 11,5 15,6 6,95
Fe 8,53 7,71 6,55
K 1,05 1,36 0,833
Ca 0,0269 0,0206 0,0342 S 0,0180 0,0557 0,0354 P 0,0186 0,0241 - Ti 0,520 0,672 0,584 Al2O3 14,2 16,7 12,9 Oksida SiO2 25,8 32,6 22,5 Fe2O3 12,6 11 9,37 TiO2 0,896 1,12 0,972 K2O 1,32 1,61 0,985 P2O5 0,0446 0,0541 - SO3 0,0471 0,136 0,0868 CaO 0,0394 0,0283 0,0470 Keterangan :
LM : Lempung Maredan
LMA : Lempung Maredan pasca aktivasi
Gambar 1. Rasio Si/Al lempung Maredan, lempung Maredan pasca aktivasi dan Zeolit sintesis
1.40 1.50 1.60 1.70
LM LMA ZEOLIT
Rasio Si/Al
Jenis Sampel
5 Analisis XRF menunjukkan bahwa
lempung alam Maredan memiliki kandungan logam besi (Fe) sebesar 8,53% sebagai pengotor pada lempung yang memberikan pengaruh kurang baik terhadap kaolin sehingga dapat mengganggu proses sintesis zeolit sebab dapat menggantikan posisi ion Al3+, hal ini yang menyebabkan rendahnya tingkat tetrahedral Al pada sintesis zeolit (Maia et al., 2015). Pengurangan kadar logam besi (Fe) pada lempung dapat dilakukan dengan proses aktivasi secara kimia yang disebut leaching menggunakan asam sulfat (H2SO4) karena asam sulfat merupakan asam yang paling efektif untuk mengurangi logam Fe yang terdapat pada lempung (Tuncuk et al.,2013). Proses leaching menggunakan asam sulfat (H2SO4) sebagai aktivator dengan variasi konsentrasi berbeda juga mampu meningkatkan rasio Si/Al pada kaolin yang mengacu pada penelitian yang dilakukan oleh Panda et al.,(2010). Pada penelitian ini kadar logam besi (Fe) mengalami penurunan dari 8,53%
menjadi 7,71% namun masih belum maksimal bila dibandingkan dengan penelitian Saputra (2020) yang berhasil mengurangi kadar Fe pada lempung Maredan dari 18,14% menjadi 10,38% dengan menggunakan konsentrasi asam sulfat yang
sama dan penelitian Ramadhita (2020), dengan aktivator asam sulfat 3 M berhasil mengurangi kadar Fe dari 18,144% menjadi 4,76%.
Kadar kandungan SiO2 dan Al2O3 pada sampel lempung Maredan cukup rendah yaitu 25,8% dan 14,2% dan bila dibandingkan dengan sampel lempung Maredan pada penelitian Saputra (2020), yaitu 54,816% dan 30,344%. Faktor yang mempengaruhi perbedaan kandungan Si dan Al yaitu, kedalaman atau jarak permukaan dengan titik sampel dan heterogenitas permukaan padatan sampel. Kadar kandungan SiO2 dan Al2O3
mengalami peningkatan menjadi 32,6% dan 16,7% setelah proses leaching seiring dengan penurunan kadar logam besi (Fe).
Kandungan Si dan Al digunakan dalam menentukan rasio Si/Al dari zeolit yang dihasilkan dan akan mempengaruhi jenis zeolit yang terbentuk. Rasio Si/Al pada sampel lempung Maredan yang digunakan adalah 1,519 dan meningkat menjadi 1,655 pasca leaching, sesuai digunakan untuk mensintesis zeolit dengan nilai Si rendah seperti zeolit sodalit dan rho.
Lempung Maredan yang telah dileaching kemudian dilakukan aktivasi fisika dengan kalsinasi yang dilakukan di dalam furnace pada suhu 650oC selama 3 jam
6 dengan tujuan untuk merubah mineral kaolin
pada lempung Maredan yang bersifat stabil menjadi metakaolin yang bersifat amorf. Hal ini dapat terjadi dikarenakan pemanasan pada suhu tinggi saat proses kalsinasi dapat melepaskan ikatan –OH pada kaolin sehingga berubah menjadi metakaolin yang lebih amorf (Ayele et al., 2015)
Hasil analisis XRF untuk zeolit hasil sintesis menunjukkan bahwa rasio Si/Al hasil sintesis adalah 1,583. Rasio Si/Al pada zeolit hasil sintesis mengalami penurunan disebabkan karena masih adanya logam Fe sebagai pengotor dan menurunnya persentase Si akibat kemampuan dari NaOH dengan konsentrasi 5 M yang mampu melarutkan sebagian SiO2. NaOH berfungsi sebagai mineralizer dan metalizer pada proses sintesis zeolit. Mineralizer yaitu senyawa yang ditambahkan pada larutan encer dan berfungsi untuk mempercepat proses kristalisasi dengan cara meningkatkan kemampuan kelarutannya dan metalizer diperlukan untuk mensintesis zeolit karena zeolit memiliki muatan negatif berupa ion Al sehingga dibutuhkan kation pengimbang sebagai penetral (Schubert & Housing, 2000).
KESIMPULAN
Sintesis zeolit berbahan baku lempung Maredan dengan rasio Si/Al 1,519 telah berhasil dilakukan. Kadar logam besi (Fe) yang merupakan pengotor dalam proses sintesis zeolit berbahan dasar lempung Maredan berhasil dikurangi melalui proses aktivasi asam dan kalsinasi. Kadar Si dan Al meningkat serta rasio Si/Al dari zeolit juga meningkat menjadi 1,853 seiring berkurangnya kadar logam besi (Fe).
DAFTAR PUSTAKA
Ayele, L., Joaquin, P. P., Yonas, C & Isabel, D. 2015. Synthesis of zeolite A from Ethiopian kaolin. Microporous and Mesoporous Materials. 215(1): 29-36 Belver, C., Muoz, M.A.B., & Vicente, M.A.
2002. Chemical activated of a kaolin under acid and alkaline conditions.
Chem. Mater. 14: 2033-2043
Kurniasari, L., Djaeni, M., & Purbasari, A.
2011. Aktivasi zeolit alam sebagai adsorben pada alat pengering bersuhu rendah. Jurnal Reaktor. 13(3): 178-184 Maia, A. A .B., Neves, R.V., Angelica, R.S
& Pollmann, H. 2015. Synthesis, optimisation and characterisation of zeolite NaA using kaolin waste from the
7 Amazon region. Applied Clay Science.
108 (): 55-60.
Panda, A.K., Mishra, B. G & Singh, R. K.
2010. Effect of sulphuric acid treatment on the pyshco-chemical characteristic of kaolin clay. Colloid and Surface A : Pyshcochemical and Engineering Aspect. 363 (1): 98-104.
Ratnawati, D. 2018. Variasi Waktu Refluks Pada Sintesis Zeolit dari Lempung Alam Teraktivasi Sulfat. Skripsi. Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru.
Saputra, O. A. 2020. Sintesis dan karakterisasi zeolit dari lempung alam:
variasi pH pasca leaching dan waktu aging. Skripsi. Pekanbaru: Universitas Riau.
Schubert, U & Housing, E. 2000. Synthesis of Inorganic Materials. Federal Republic of German: Wiley-VCH.
Tuncuk, A., Ciftlik, S., & Akcil., A. 2013.
Factorial experiments for iron removal from kaolin by using single and two-step leaching with sulfuric acid.
Hydrometallurgy. 134 (135): 80-86
