Prosiding Pertemuan don Presentasi llmiah
P3TM-BATAN; Yogyakarta14-.J5Juli1999 Bukul
-.
37ANALISIS
ST]RUKTUR KRISTAL KLINOPTILOLIT
DAN
MORDENIT
AlLAM
Supandi, A.Purwanto, Bambang Heru P
P2IB-Batan, Kawasan Puspiptek Serpong
E. Herda
Pusat Teknologi Pengokihan Limbah Radioak;tif
Thamzil Las
Program Studi Material.! Science PPs Universitas Indonesia
ABSTRAK
ANAL/SIS STRUKTUR KRISTAL KLINOPTILOLlT DAN MORDENIT ALAM Struktur kristal zeolit campuranfasa klinoptilolit (dalam grup ruang C2/m) dan mordenit (dalam grup ruang Cmcm) alam dari daerah Bayah r;fawa Barat) telah dianalisis dengan metode Rietveld Diperoleh rumus kimia per unit sel berturut-turut untuk fasa klinoptilolit dan mordenit (K 5,17 Mg 0,16 )Al6 SiJo 072 ,1.0 H2O dan (Cal,IJ Na5,6JAla Si40 096-.1.2 ,f{~ Jumlah atom Ca dan Na hasil penghalusan per unit sel dalam mordenit berturut-turut Ca = 1,13.10 dan Na = 5,6268 (Nal = 4,000, Na2 = 1,6268). Sedangkanjumlah atom Mg dan K per unit sel ,falam kJ'inoptilolit berturut-turut Mg =0,1592 dan K=5.1687(KI =4,1687 ,K2 =1,0000). Kualitas pencocokan (fitting quality) berhasil dikonfirmasi sebesar Rwp = 10, 34 %,
ABSTRACT
THE CRY5TAL STRUCTURE ANALYSIS OF NATURAL CLINOPTILOLITE AND MORDENITE. The
crystal structure of naroral clinoptilolite (space group C2/m) and mordenite (space group Cmcm) from Bayah (West Java) with chemicalformulas (Kj.J7 Mgo.J6)AI6 Si30 072 .1.0 H2O and (CaJ,J3 Naj,6.JAla Si40 096 .1.2 H2O were refined respectively. The number of equivalent atoms (n) Ca = 1.1310 and Na=5.6268 (NaJ= 4.0000, Na2 =1.6268) in ,'7Iordenite respectively and the number of equivalent atoms (n) Mg = 0.1592 and K =5.1687 (KJ=4. j' 687, Kr= 1 .0000) in Clinoptiloliterespectively .Fitting quality gave a Rwp of 1 0.34 %.
x clan y masing-masing adalah jumlah tetrahedra alumina clan silika dalam satu unit sell, sedangkan ratio x/y atai Si02/ AI02 nilainya bervariasi 1-5, clan w adalah jumlah molekul air.
Berdasarkan kristallografi dalam sel satuan, rumus struktur sangkar klinoptilolit clan mordenit berturut-turut adalah 3 :
(M)6/n [ (AIOV6 (SiOV30] 28 H2O atau (M)6/n Al6 Si30 072. 28 H2O (klinoptilolit, M = K, Na atau Ca)
(M)8/n [ (AIOva (SiOV40] 21 H2O atau (M)8/n Ala S40 096. 21 H2O (mordenit, M = Na atau Ca)
Kedua jenis zeolit ini mengandung silikat tinggi daD membingungkan para peneliti, karena mempunyai pola struktur hampir sarna. Y ang membedakan kedua jenis ini adalah jumlah atom Si clan AI. Klinoptilolit memiliki atom Si = 30 clan Al = 6, sedangkan mordenit memiliki atom Si = 40 clan Al
= 8.
Zeolit mordenit telah berhasil disintesa
berkali-kali. Yang menarik adalah bahwa zeolit ini
telah ditemukan mempunyai sifat penyaring molekul
(molecular-sieving)
yang dikembangkan oleh D. W
Breack4
.Sedangkan zeolit jenis klinoptilolit sulit
disintesa. Meskipun demikian, zeolit ini tersedia di
PENDAHULUAN
S
ejak tabun 1984 para ahli mineralogi1 telah mengklasiflkasikan zeoli1t ke dalam golongan tersendiri. Mineral ini mempunyai kerangka (framework) berbentuk stnlktur sangkar (cage) disertai rongga (cavi(v) dan :.aluran (channel) yang biasanya ditempati oleh air dan logam alkali atau alkali tanah dan terbentuk di alam secara alamiah atau dapat juga dibuat dengan cara sintesa. Bentuk struktur yang unik ini memungkinkan zeolit mempunyai sifat utalna yaitu sebagai absorber, penukaT ion, penyarulg molc~kul dan katalis. Sifat penukar ion disebabkan oleh struktur zeolit mengandung atom Al dan Si berkoordinasi dengan atom oksigen dalam bentuk tetraheda alumino silikate, sehingga atolm Al akan bermuatan negatif dan selalu dinetralkan oleh kation alkali atau alkali tanah untuk membentuk senyawa zeolit stabil. Rumus umum kimia ~~olit berdasarkan oksida adalah seperti berikut ini 2 :(M)2/n O. Al2O3 X SiO2 Y H2O
n adalah valensi logam (J\If), x dan y adalah jumlah molekul silikat (SiO2) dan air (H2O). Zeolit juga terdapat dalam kristallo~:rafi dalam sel satuan dengan rumus:
penelitian struktur sangkar ini akan dikembangkan
dengan mengambil data XRD menggunakan
target
Co yang memiliki A. = 1.788965
A.
Logam alkali daD alkali tanah serta molekul
air (basil analisis komposisi kimia) yang menempati
rongga (cavity) daD saluran (channel) daD juga dari
struktur sangkar zeolit alam Bayah ini dalam bentuk
uni atau polikation akan diselidiki. Untuk menjawab
pertanyaan
ini, penulis mencoba
menerapkan
metode
analisis Rietveld menggunakan
program Rietan.
Penelitan ini bertujuan untuk menganalisis
struktur sangkar zeolit alam secara kualitatif daD
kuantitatif dengan metode Rietveld. Kejadian
terbentuknya
jenis struktur sangkar dalam bentuk
zeolit uni/poli kation ini dianalisis dengan cara
pencocokan daD penghalusan (refinement) metode
Rietan. Kation yang terkandung di dalam zeolit
didapatkan berdasarkan
basil analisis kimia dengan
XRF daD AAS.
BAHAN DAN MET ODE
Bahan
Dalam penelitian ini digunakan mordenit sintetik dan zeolit alam yang diperoleh dari PT. Prodmin Inter Nusa pada lokasi desa Pasir Gombong, kecamatan Bayah, Kabupaten Lebak, Propinsi Jawa Barat. Untuk penggunaannya, perlu dilakukan pencucian dan pemurnian bahan yang kemudian disebut Zeolit Bayah murni (ZB). Proses pencucian dan pemurnian zeolit alam Bayah sesuai dengan prosedure penelitian yang telah dilakukan terdahulu S.
Pengambilan Data Difraksi
Difraktometer Sinar-x (XRD) yang digunakan adalah buatan Shimadzu Type ZD-610 yang dilengkapi :
1. Generator Sinar-x;
2. Goneometer jenis VG-100 R type horisontal 3. Sistim pencacah dan
4. Sistim pengendali dan pemroses data yang berupa komputer (sistim DP-61 0).
Kurang lebih 1-2 gram serbuk zeolit murni dan mordenit sintetik diletakkan di atas sample holder dari aluminium, dengan ukuran lubang 2 x 1,5 cm, diratakan dan sesekali ditekan pelan-pelan dengan spatula, setelah sampel nampak merata dan kompak, kemudian sample holder tersebut di1etakkan di atas dudukan sampel pada a1at XRD. Pengambilan data dilakukan pada kondis: mode step (untuk program Rietan) dengan parameter operasi seperti pada Tabel1 berikut:
alam dengan kemumian yang tinggi. Barn-barn ini zeolit mordenit clan klinIJloptilolit alam telah dikembangkan oleh D.W Breack yang kemudian diaplikasikan ke dalam detergent clan penyerapan limbah radioaktifhasil fisi selt>erti Cs-137 clan Sr-90.
Sifat penukar ion dari zeolit telah dikembangkan oleh Tham2:il Las, ills. Mereka melaporkan, bahwa zeoli!: murni asal Bayah tergolong ke dalam jenis zeolit klinoptilolit clan mordenit dengan kemumian :!: 78,19%. Sebelum diaplikasikan sebagaia bahal1 penukar ion terlebih dahulu zeolit ini dimodifilcasi ke dalam bentuk Alumino-Silika-Fospat (ASP;I. Bentuk ASP ini dapat memberikan kemampuan pel1lyerapan kation. Namun demikian perlu studi peneliitian struktur sangkar zeolit alam lebih lanjut, terutama dalam menentukan selektivitas berbagai logalrn berat, anion clan radionuklida.
Penelitian YaIlg akan penulis lakukan ini adalah kelanjutan dari peru~litian terdahulu yakni karakterisasi struktur sall1gkar zeolit alam Bayah pada lokasi Desa SUWakan, kecamatan Bayah selatan6. Dari penelitian sebelumnya telah dilaporkan zeolit alam Bayah mengandung campuran dua jenis klinoptilolit clan mordenit. Zeolit pada lokasi ini didominasi olehjenis zeolit klinoptilolit.
Dari basil penelitiar.l ini dilaporkan data struktur zeolit Bayah (lokasi Desa Suwakan) basil penghalusan dengan Rietan (J(RD, Cu-Ka) yakni :
Grup ruang C2/m No.I-12, bersistim kristal Monoklinik dengan komposiisi rumus kimia : ~,06 (A4Si30O72)' 3,0 H2O, param,eter kisi : a = 17,73 (2) A, b = 17,49 (I) A clan c = ~',403(7) A, volume per-sel satuan = 2116 (4) A, daJll jumlah atom dalam sel satuan = 114 atom,
Grup ruang Cmcm (No.I-63), bersistim kristal Ortorombik dengan komposisi rumus kimia : K3,lO NaS,12(AIsS4o096). 3,04 H2O. Parameter kisi : a = 18,11 (2) A, b = 20,34 (2) A clan c = 7,532 (8) A, Volume per-gel satuan = 2'755(6) A3, clan jumlah atom dalam gel satuan = 152 atom.
Hasil iterasi terakhir penghalusan dengan Rietan, (yakni pencol~okan antara basil perhitungan dengan percobaan) I1llemberikan tingkat reliabilitas Rwp sebesar 11,37 ~Io deng!1D fraksi berat masing-masing : 59,26 % untuk klil1optilolit clan 40,74 %
untuk mordenit.
Penelitian tersebut dilakukan hanya satu lokasi yaitu kecamatan Bay~1h selatan. Oleh karena itu masih mengandung pertanyaan. Apakah dapat dianggap mewakili seluruh claerah Bayah ?, Untuk menjawab pertanyaan tersl~but di atas penulis mencoba melakukan penelitian zeolit alam Bayah pada lokasi lain yaitu lokasii Desa Pasir Gombong kecamatan Bayah sebelah utara. Disamping itu
Data intensitas difraksi kemudian dianalisis
menggunakan paket program Rietan yang telah
dirnodeflkasi daD dikembangkarl
oleh F. Izumi 7.
penghalusan
Rietan secara trial and error temyata
diperoleh rasa mordeliit bentuk poli kation Ca-Na
dan rasa klinoptilolit bentuk poli kation K-Mg.
;
~ R oS 19 15 10 15 " 35 4J .5 ~ 55 -~ ~ = ~ I~ I I ' t ' ! i ; ..,.,! i i "ki[_i_ltB.,.j --t- ._; ~~~ I~ 2"') -'" ! !! !! --"1'1 .. '"-i--t-- ! t i -t- -1---t ! it~-~
HASIL DAN PEMBAWlSAN
Hasil analisis komposisi kimia zeolit murni
Bayah dengan XRF dan AA:S dapat dilihat pada
Tabel 2.
Tabel 2. Data komposist
kimia :reolit murni Bayah 5
SiO2
1 72,81 Si 34,04 Al203 14,25 Al 7,54 Fe203 ' 1,46 Fe 11,02
Na20
0,20
Na
0,15
K20 2,81 I K 2,33CaO
2,36
Ca
1,69
MgO 1,17 I Mg 0,71 MnO2 0,07 ; Mn 0,05 H2O 4,891 -4,89 I SiO2/Al203 = 5~Jl_-141)f 1200 l~ &IJ 600 :41) roo~
i---LLJ-L:iI_.Li~-'-l.1~
IiIIJ"'LI~L""~__"'."
i I II ;"'11'111'1'1""""'11:"'"('11111"."'"'.'"111" ,I : : i i !::! 5 10 15 III 15 sJi.e.!S 4J 45 ~ 55Gambar 1. Profil pola difraksi zeolit mordenit clan
Bayah bastl pengha1usan
dengan Rietan
(a) mordenit sintetik sebagai
standar (b)
zeolit Bayah Rwp =10,34 %
Tabel 3 adalah data parameter struktur zeolit
Bayah basil pencocokan clan pengbalusan akhir
dengan Rietan.
Data
parameter tersebut
menggambarkan
data posisi atom basil pengamatan
dari struktur sangkar kristal zeo1it Bayah. Dari basil
analisis Rietan, juga diperoleb informasi bahwa
dalam zeo1it alam lokasi desa Pasir Gombong
kecamatan
Bayah mengandung campuran dua rasa
jenis mordenit clan klinoptilolit.
Dari basil
penghalusan
akhir diperoleb nilai tingkat reliabilitas
(Rwp) sebesar
10,34
%.
Kedua jenis zeolit tersebut berturut-turut
mempunyai sistim kristal ortorombik, grup ruang
Cmcm clan bersistim monoklinik, grup ruang C2/m.
Dari Tabel 3 terlihat bahwa data struktur klinoptilolit
pada atom Mg clan K[K(1),K(2)], diperoleb faktor
bunian(g) atom Mg = 0,04 clan K (K1 = 1,04, K2 =
0,5) dengan jumlah atom(n) berturut-turut adalah
0,1592 clan 5,1687, dengan fomula : (KS,17
MgO,17)
Al6 Si3o 072 .Seclangan
data struktur mordenit pada
Dari Tabel 2 dapat disUSlln urutan kandungan
unsur alkali daD alkali tanah beIturut-turut
adalah : K
> Ca > Fe > Mg > Na > Mm. Dengan demikian
zeolit alam Bayah diasumsikan
sebagai
zeolit dalam
bentuk poli kation, daD me:ngandung
kadar K
tertinggi, diikuti Ca, Mg, Na datI terrendah
Mo.
Penghalusan Rietan (refinemf~nt)
Data intensitas difraksi sinar-x (Co-Ka) dari
zeolit Bayah pada desa Pasir Gombong dianalisis
dengan metode analisis Rietveld.
Penghalusan
Rietan dilakukan dengan
cara rnengasumsikan
bahwa
zeolit mempunyai campuran dlua rasa yaitu, rasa
mordenit bentuk poli kation memiliki sistim kristal
ortorombik, grup ruang Cmcm No.I-63 dan rasa
klinoptilolit
bentuk poli kation bersistim kristal
monoklinik, grup ruang C2/1n No.12. Kemudian
kedua rasa tersebut dianalisis dengan paket program
Rietan secara
serempak.
Tahapan
penghalUSaIl Rietan dilakukan
dengan cara memasukkan species atom (urutan
kandungan unsur majoritas dalam zeolit) pada
masing-masingf rasa secara trj'al and error hingga
diperoleh nilai konvergen; Dari hasil akhir
Prosiding Pertemuan dan Presentasi ltmiah P 3TM-BAT AN, Yogyakarta 14 -.15 Juti 1999
40 Buku I
Jumlah atom (n) dari kedua jenis zeolit
tersebut adalah basil dari perkalian multiplisitas (m)
dengan faktor hunian(g), seperti terlihat pada Tabel
3.
atom Ca daD Na[Na(I),Na(:!)] diperoleh faktor hunian (g) Ca = 0,28 daD Na (Nal= 1,00,Na2 = 0,41) dengan jumlah atom(n) berturut-turut adalah Ca = 1,1310 daD Na = 5,6268, dengan formula: (NaS,63Cal,13) Als 840096.
Tabel3.Data struktur campuran dua fasa basil penghalusan zeolit Bayah
Rwp =IQ,34 %, Rp = 8,19
~, S = 1,5904,
d = 1,0638
KLiNOPTILOLlT, RI = 2,41, I,F = 1,05
Fraksi berat : 33,13 %
Grup ruang : C2/m MORDEN IT, RI = 2,68, RF-=--f:23 Fraksi berat : 66,87 %~~~~g:
Cmcm
, Atom
1-i-~~
I (g) 1-5](5)-l
l}' I Z, (),50 0.7(3)().50
x'~g
I K1
4 1,042
2
1
4
1
4
1
8
1
8
1
8
1
4
1
8
1
8
1
8
1
8
1
8
1
I
0,24(4)
I Ca 14 0,00 ; _1-0,00 0,50 0,00 0,00 O,37(2} 0,75 0,00 O,32(1} 0,25 0,00 O,18(4} 0,25 O,14(1} O,440(5} 0,33(1) 0,12(2) O,156(7} O,30(4} O,415(6} O,08(3} 'C 0,25,
J
Na1
4
:-
I
Na2 4 I~-
--4~
--'-4 01 16 1 ,-16 1 0,45(1)-~ ..16 1 0,43(1)-0,00 0,23(8) 0,50 04 8 1 -I --= --= -0,03(5) 0,09(2) -0,2(1) 05 8 1 0,18(3) 0,15(1) 0,75~, 0,22(5) 0,12(3) 0,7(1) 06 8 1 0,17(2) 0,307(8) 0,75 ! : 0,01(7) 0,3(2) 0,3(2) 07 8 1 0,41(2) 0;50 0,50I ~,= 0,31(7) 01,25(7) 0,3(1) 08 8 1 0,25(0) 0,25 0,50I ~,~' 0,01 (8) (JI,3(2) 0,3(2) 09 4 1 0,00(0) -0,01 (1 ) 0,25 1 0,25(8) 0',42(8) 0,7(1) 010 4 1 0,00(0) 0,13(1) 0,25 1 0,26(5) 0',21(7) 0,8(1) Si1 16 1 0,268(7) 0,416(3) 0,543(8) Si3 8 1 -0,03(3) 0,42(2) 0,26(6) Si2 16 1 0,19(1) 0,198(3) 0,545(8) 1 0,00(0) 0,00 0,46(2) Si3 8 0,5 0,08(1) 0,38(1) 0,25 [ 1 0,52(5) 0,26(4) 0,0 Si4 8 0,5 0,08(1) 0,19(4) 0,25 10,25","-"-,0,25 ! Na1 ! Na1 I 0,37(2)10,50
14101
0,28(7)01
1
16
105 x y z 0,2(5) 0,50 0.7(3) 0,50 0,33(5) I 0,05 0,00 0,50 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,25 0,00 AI1 0,31(5) .0,50 0,2(1) AI20,28(7) 0,18(7) 0,6(1)
0,2(1) 0,3(2) 02 0,27(9) 0,33(6) 0304
8 0,50 106 0,18(3) 0,17(2) 18 18I~
I 1 0,25(8) 0',42(8) 0,7(1) : ~ 1 0,26(5) 0',21(7) 0,8(1) Si3 18 1 -0,03(3) 0,42(2) 0,26(6) _..,- 1 0,00(0) 0,00 0,46(2) - I 0,08(1) I 0,416(3) 18, s
! 0,00(0)I I 0,08(1) 0,0 : 0.0 H2O 8Sumber
Sistim kristal Para meter kisic= 7,515 (2) A
I 14 0,52(5): Co-Ka
: Orthorombik,
a = 18,115(8)
A, b = 20,520(9) A,
1--' -.,.. ,-/ ~ ~ ~I Keterangan: g = faktor hunian, m = multiplisitas x,y,z = poslsi atom (dalam sel satuan)
Na. Di sini terlihat puncak basil perhitungan
bertanda
(-)
mendekati kesesuaian dengan puncak basil
percobaan marker (+), artmya bahwa proses
penghalusan mendekati ke arab kesesuaian daD
memberikan harga Rwp lebih rendah menjadi
10,34% dibanding dengan basil penelitian terdahulu
yakni Rwp = 11,37 %
Dari basil pengamatan
terakhir, temyata zeolit
alam pada lokasi desa Gombong Kecamatan
Bayah
mengandung rasa
mordenit
lebih
banyak
dibandingkan
dengan rasa jenis klinoptilolit. Hal ini
zeolit Bayah pada lokasi ini mengandung
zeolit jenis
mordenit bentuk poli-kation Ca, Na daD jenis
klinoptilolit bentuk uni-kation Mg, K. berbeda
dengan zeolit Bayah pada lokasi desa Suwakan
yakni mengandung
zeolit jenis mordenit bentuk
poli-kation K, Na daD
jenis klinoptilolit bentuk uni-kation
Supandi, dkk. -ISSN 0216-3128
K.
Prosiding
Pertemuan
dan Preseluasi
I/miah
P3TM-BATAN,
Yogyakarta
/4-/5 Ju/i /999
BukuI
41
5. THAMZIL LAS., "Pemanfaatan Zeolit Untuk
Pengolahan Limbah Radioaktif'
Presentasi
Ilmiah Hasil Studi Program Doktor (S-3),
Risalah Presentasi
Ilmiah Badan Tenaga Atom
Nasional, Hal. 525-547, Jakarta 7-9 Desember
(1993)
6. SUP
ANDI., ill,
" Analisis Struktur Zeolit
Alam Bayah Dengan Metde Rietan, Prosiding
Pertemuan Ilmiah Sains Materi (PPSM'98),
PPSM-BATAN (1998).
7. IZUMI F., " Rietveld Analysis System",
RIETAN, Part I. A Software Package for the
Rietveld Analysis and Simulation of X-Ray and
Neutron Diffraction Patterns,
Rigaku J 6, No.1,
10 (1989).
KESIMPULAN
Dari basil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa : 1. Zeolit Bayab mengandurlg 2 (dua) rasa yakni
jenis klinoptilolit dan mordenit dengan data struktur kristal masing-masing sebagai berikut : 2. Grup ruang C2/m Ncl.I-12, bersistim kristal
Monoklinik dengan kornposisi rumus kimia : KS,I7 Mg 0,16 (A~Si30O72)I,OH2O, volume per-sel
sawall adalah 2164 (5) II
3. Grup ruang Cmcm (No.I-63) bersistim kristal Ortorombik dengan komiposisi rumus kimia : NaS,63 Cal,13(AIgS40096)' 1,2 H2O. Volume per-sel saWall adalab 2793(2) A3.
4. Hasil iterasi terakhir refinement dengan Rietan dan pencocokan antara b;asil perbitungan dengan percobaan memberikan 1ingkat reliabilitas Rwp sebesar 10,34 % dengaJll fraksi berat masing-masing : 33,13 ~~ untuk klinoptilolit dan 66,87 % untuk mordenit.
5. Berdasarkan basil anali!iis struktur yang telah dilakukan, temyata zeoJit alam Bayah pada setiap lokasi mengandung fraksi berat dan bentukjenis zeolit uni/poli kation berbeda-beda.
