Bab I Pendahuluan
I.1 Deskripsi Topik Penelitian dan Latar Belakang
Monasit merupakan salah satu mineral yang banyak mengandung unsur logam tanah jarang (LTJ) atau logam dari golongan lantanida. Keberadaan unsur LTJ ini cukup tersedia di Indonesia, tetapi belum diolah dan dimanfaatkan secara optimal karena penguasaan teknologi pengolahan pasir monasit masih perlu ditingkatkan. Unsur-unsur LTJ tersebut, kini banyak digunakan pada pembuatan barang-barang inovatif berteknologi tinggi, antara lain untuk pembuatan magnet permanen, superkonduktor, optoelektronik, transistor, katalis, serat optik, keramik, bahan feromagnetik dan bahan laser, sehingga kini unsur LTJ telah dipandang sebagai bahan abad ke-21 (Morais dan Cimenelli, 2004). Oleh karena itu, harga oksida LTJ ataupun unsur LTJ murni komersial jauh lebih tinggi dari pada harga pasir monasit yang hanya sekitar Rp 800.000/ton (Anonimous, 2003).
Tabel I.1 Daftar harga oksida LTJ komersial (Acros Organic, 2006/2007)
Unsur Oksida LTJ Kemasan Kemurnian
(%) Harga US$ Lantanum La2O3 5 g 99,99 18,00 Cerium CeO2 10 g 99,999 85,70 Praseodimium Pr6O11 10 g 99,90 17,80 Neodimiun Nd2O3 10 g 99,99 86,40 Samarium Sm2O3 10 g 99,90 30,70 Europium Eu2O3 5 g 99,99 121,50 Gadolinium Gd2O3 10 g 99,90 19,70 Terbium Tb4O7 1 g 99,90 22,50 Dysprosium Dy2O3 10 g 98,00 27,60 Holmium Ho2O3 10 g 99,90 65,90 Erbium Er2O3 5 g 99,90 22,30 Thulium Tm2O3 1 g 99,90 51,30 Ytterbium Yb2O3 2 g 99,99 28,70 Lutetium Lu2O3 1 g 99,99 79,40 Scandium Sc2O3 1 g 99,90 36,90 Yttrium Y2O3 10 g 99,99 19,10
Kendala utama dalam pemisahan LTJ adalah karena sifat fisik dan kimia LTJ hampir sama. Penelitian untuk mendapatkan metode baru bagi pemisahan LTJ
masih perlu dilakukan karena hingga saat ini metode pemisahan LTJ belum ada yang benar-benar handal. Masalah ini perlu ditangani dengan serius mengingat permintaan terhadap LTJ terus meningkat, baik dalam hal jumlah maupun mutunya. Di sisi lain, Indonesia mempunyai potensi untuk memproduksi LTJ karena pasir monasit banyak terdapat di beberapa daerah, antara lain di pulau Bangka, Belitung, Singkep dan Kalimantan.
Monasit asal pulau Bangka merupakan mineral ikutan dari bijih timah. Mineral ikutan tersebut merupakan batuan beku asam (granit) yang juga mengandung
beberapa mineral berharga lainnya seperti kwarsa (SiO2), pirit (FeS), zirkon
(ZrSiO4), ilmenit (FeTiO3), dan senotim (YPO4). Dari hasil destruksi diketahui
bahwa, unsur-unsur La, Ce, Pr, Nd, Sm, dan Gd relatif dominan ada di dalam pasir monasit Bangka. Oleh karena itu, sangat menarik kiranya apabila ke enam unsur LTJ tersebut dapat dipisahkan.
Ekstraksi pelarut dan resin penukar ion telah lama digunakan sebagai metode dasar untuk pemisahan unsur-unsur LTJ. Namun, perolehan kembali (recovery) dan pemisahan melalui ekstraksi pelarut membutuhkan banyak tahap (multistage) ekstraksi untuk menghasilkan pemisahan yang optimal. Selain itu, waktu prosesnya lama, mudah terjadi kehilangan ekstraktan dan pemisahan antar fasa sukar terjadi sehingga metode ini kurang ekonomis. Walaupun demikian, metode ekstraksi pelarut memiliki keunggulan, yaitu banyak pilihan ekstraktan yang dapat digunakan dan selektif terhadap unsur tertentu. Demikian juga halnya pemisahan dengan resin penukar ion yang memiliki selektivitas ekstraksi relatif rendah pada pemisahan ion LTJ(III) (Tavlaride dkk., 1987). Pemisahan ion-ion LTJ(III) dengan metode penukar ion-ion relatif lebih mahal karena laju transfer ion logam sangat lambat sehingga membutuhkan waktu yang lama dan membutuhkan peralatan yang besar. Meskipun demikian, proses pemisahan antar fasa mudah dilakukan dan tidak terjadi kehilangan ekstraktan (reagent) selama proses pemisahan berlangsung.
Untuk mengatasi tingginya biaya operasional dan memanfaatkan beberapa kelebihan yang ada pada metode ekstraksi pelarut dan penukar ion, para ilmuwan telah mengembangkan metode baru yang disebut solvent impregnated resin (SIR). Metode SIR merupakan kombinasi antara ekstraksi pelarut dengan penukar ion. Metode ini pertama sekali diperkenalkan oleh Warshawsky ketika
memisahkan unsur paladium menggunakan impregnasi resin α
-diphenylglyoxime-XAD2 (Warshawsky, 1974).
SIR dibuat dengan cara mengimpregnasikan (mengamobilisasi) suatu ekstraktan ke dalam resin polimer berpori makro yang tidak memiliki gugus fungsional pengekstraksi. Metode SIR memiliki beberapa keunggulan diantaranya: (1) lebih selektif dan banyak pilihan ekstraktan yang bisa digunakan, (2) preparasi SIR dan penanganannya mudah dilakukan, (3) pemisahan fasa (air-resin) lebih mudah dari pada ekstraksi pelarut (4) ukuran kolom dapat disesuaikan dengan kebutuhan, dan (5) lebih sedikit menggunakan ekstraktan dibandingkan dengan ekstraksi pelarut (Juang, 1999).
Dalam penelitian ini ekstraktan di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA) dan
tributylphosphate (TBP) akan digunakan dalam bentuk tunggal dan campuran.
Penggunaan ekstraktan campuran bertujuan untuk mengetahui adanya efek sinergis atau antagonis. Dalam penelitian sebelumnya, penggunaan ekstraktan
campuran D2EHPA/TOPO (trioctylphosphine oxide) untuk memisahkan ion-ion
logam Zn(II), Cu(II) dan Cd(II) dengan metode SIR bersifat sinergis dan mampu memperbaiki faktor pemisahan antara ion-ion logam tersebut (Cortina dkk.,
1997). Sementara itu, campuran antara ekstraktan D2EHPA dengan TBP untuk
memisahkan ion-ion LTJ(III) atau logam lainnya dengan metode SIR sejauh ini belum pernah dilaporkan.
Resin polimer berpori besar (macroporous) komersial yang banyak digunakan sebagai bahan pendukung pada metode SIR, yaitu Amberlite XAD (produksi
Rohm and Haas Co.). Resin ini ada yang bersifat non-polar seperti Amberlite
seperti Amberlite XAD7 dan Amberlite XAD8 dengan ukuran partikel antara 20 – 50 mesh (0,3 – 0,9 mm). Dalam penelitian ini yang dijadikan sebagai polimer pendukung, yaitu Amberlite XAD16, karena resin ini memiliki porositas, volume pori dan luas permukaan melebihi jenis Amberlite XAD yang lainnya. Diharapkan kapasitas Amberlite XAD16 untuk menyerap (sorpsi) ekstraktan
berukuran besar seperti D2EHPA dan TBP akan lebih banyak dibandingkan
dengan jenis Amberlite XAD lainnya. Sifat non-polar dari resin ini diharapkan dapat memperkuat ikatan (gaya) Van der Walls antara resin dengan ekstraktan
D2EHPA dan TBP yang digunakan, sehingga SIR yang dibuat lebih stabil dan
dapat digunakan berulang-ulang. Efisiensi impregnasi ekstraktan ke dalam pori-pori resin tidak dipengaruhi oleh perbedaan ukuran butiran resin yang digunakan (Rovira dkk., 1998), tetapi berpengaruh terhadap kecepatan laju alir efluen atau eluat yang keluar dari kolom. Oleh karena itu, ukuran butiran resin Amberlite XAD16 (20 – 50 mesh) akan dihomogenkan melalui pengayakan dengan ukuran antara 30 – 40 mesh.
I.2 Masalah Penelitian
Dari berbagai uraian seperti yang dikemukakan di atas, maka dalam penelitian ini diselesaikan beberapa permasalahan sebagai berikut ini.
1. Pasir monasit yang tersedia di PT. Timah Bangka yang digunakan sebagai sampel masih banyak mengandung unsur-unsur non-LTJ sehingga untuk mendestruksinya secara optimal dengan basa menggunakan bom teflon sulit dilakukan. Oleh karena itu, pemisahan LTJ dari sampel monasit tidak dilakukan secara total, tetapi pemisahan LTJ tertentu hanya dilakukan pada larutan hasil destruksi.
2. Pemisahan masing-masing unsur LTJ dari campurannya sangat sulit dilakukan dengan ekstraksi pelarut atau dengan resin penukar ion, sehingga perlu dicari suatu metode alternatif, salah satu metode pemisahan tersebut, yaitu dengan metode SIR.
3. Keberhasilan pemisahan masing-masing unsur LTJ dengan metode SIR dipengaruhi oleh metode preparasi impregnasi yang digunakan dan
parameter lainnya seperti pH larutan, perbandingan volume larutan dan berat resin (V/m), waktu kontak, konsentrasi ion logam dalam larutan, laju eluen, konsentrasi eluen dan jenis eluen. Oleh karena itu, dalam penelitian ini akan dipelajari beberapa kondisi optimum tersebut.
I.3 Batasan Masalah Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini dikelompokkan menjadi tiga sub-penelitian yang mencakup:
1) Mendapatkan kondisi preparasi SIR yang memiliki stabilitas tinggi, yaitu menentukan jenis ekstraktan dan komposisi ekstraktan dalam resin.
2) Mendapatkan kondisi proses pemisahan ion-ion La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III) dengan metode batch, yaitu pengaruh pH larutan, pengaruh waktu kontak, pengaruh konsentrasi ion LTJ(III) dalam larutan dan pengaruh perbandingan volume fasa larutan (sampel) dan berat resin (V/m).
3) Mendapatkan kondisi proses pemisahan ion-ion La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III) dengan metode kolom, yaitu pengaruh jenis eluen, pengaruh laju alir eluen dan pengaruh konsentrasi eluen.
I.4 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk memisahkan ion-ion LTJ(III) khususnya La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III) dari pasir monasit Bangka hasil destruksi dengan basa menggunakan metode SIR.
Dalam penelitian ini juga dipelajari stoikiometri ekstraksi seperti menentukan harga koefisien distribusi logam antara fasa air dan fasa SIR, menentukan persen adsorpsi ion logam pada SIR, menentukan faktor pemisahan setiap ion-ion LTJ(III) yaitu (La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III)) yang dipisahkan dan menghitung besarnya efek sinergis. Kondisi optimum pemisahan
LTJ melalui kolom resin (SIR) juga ditentukan, seperti: laju alir eluen, jenis eluen dan konsentrasi eluen.
I.5 Hipotesis Penelitian
Berdasarkan permasalahan dan beberapa referensi yang mendasari penelitian ini maka dapat diberikan beberapa hipotesis sebagai berikut:
1) SIR dapat dibuat dengan cara mengimpregnasikan ekstraktan D2EHPA
dan/atau TBP ke dalam resin macroporous Amberlite XAD16 dengan metode kering ataupun dengan metode basah.
2) SIR yang dibuat dengan cara mengimpregnasikan campuran ekstraktan
D2EHPA/TBP(3:1) ke dalam resin Amberlite XAD16 dapat menghasilkan
efek sinergis pada pemisahan La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III).
3) Melalui metode SIR, ion-ion LTJ(III) khususnya La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III) dapat dipisahkan dengan faktor pemisahan yang lebih baik dari metode ekstraksi pelarut.
4) Melalui metode SIR, ion-ion LTJ(III) khususnya ion La(III), Ce(III), Pr(III), Nd(III), Sm(III), dan Gd(III) dapat dipisahkan melalui kolom dari sampel sintetis dan dari sampel pasir monasit yang telah didestruksi dengan basa.
I.6 Pelaksanaan Penelitian Secara Garis Besar
Tahap-tahap yang dilakukan untuk memperoleh data penelitian adalah:
1. Membersihkan resin Amberlite XAD16 dan melakukan proses impregnasi dengan metode basah dan metode kering menggunakan ekstraktan
D2EHPA, TBP dan campuran D2EHPA/TBP(3:1).
2. Menentukan kapasitas resin terhadap semua jenis ekstraktan yang telah terimpregnasi, menentukan stabilitas SIR yang diperoleh, menganalisis morfologi permukaan resin dengan Scanning Electronic Microscope
(SEM) serta menganalisis gugus fungsi dengan Fourier Transform-Infra
Red (FT-IR).
3. Mempelajari faktor-faktor yang berpengaruh terhadap adsorpsi ion-ion LTJ(III) secara SIR dengan metode bertahap (batch), seperti (i) pengaruh pH larutan, (ii) pengaruh perbandingan volume larutan (mL) dan berat resin (g), (iii) pengaruh konsentrasi ion-ion LTJ(III) khususnya ion La(III) dalam larutan, dan (iv) pengaruh waktu kontak.
4. Melakukan destruksi pasir monasit yang diperoleh dari pulau Bangka dengan metode basa.
5. Mempelajari faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pemisahan ion-ion LTJ(III) dengan metode kolom, seperti (i) pengaruh jenis eluen, (ii) pengaruh laju alir eluen, dan (iii) pengaruh konsentrasi eluen.
6. Melakukan pemisahan ion-ion LTJ(III) dari sampel sintetis dan dari sampel monasit hasil destruksi sesuai dengan kondisi optimum yang diperoleh dengan metode kolom.
I.7 Sistematika Disertasi
Disertasi ini terdiri atas 5 bab dengan rincian sebagai berikut: Bab I merupakan pendahuluan yang menguraikan deskripsi topik dan latar belakang penelitian, masalah penelitian, tujuan dan hipotesis penelitian, cara pendekatan dan metode penelitian yang digunakan, pelaksanaan penelitian secara garis besar dan sistematika disertasi. Bab II menguraikan kajian pustaka yang berkaitan dengan penelitian ini. Bab III berisikan metodologi penelitian yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan penelitian. Bab IV menyajikan data hasil-hasil penelitian dan pembahasannya. Terakhir Bab V merumuskan kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran tindakan lanjut penelitian ini.
