LAPORAN AKHIR PENELITIAN DOKTOR BARU DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN AKHIR

PENELITIAN DOKTOR BARU

DANA ITS 2020

Sintesis Zeolit Dari Abu Sekam Padi dan Abu Layang Batubara

Menggunakan Metode Microwave Hydrothermal

Tim Peneliti :

Dr.Eng. Achmad Dwitama Karisma, S.T., M.T. (Departemen Teknik Kimia Industri/Fakultas Vokasi) Ir. Elly Agustiani, M.Eng. (Departemen Teknik Kimia Industri/Fakultas Vokasi)

Saidah Altway, S.T., M.T., M.Sc. (Departemen Teknik Kimia Industri/Fakultas Vokasi)

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

(2)

Daftar Isi

Daftar Isi ... 1

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN... 2

BAB III STATUS LUARAN... 14

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 15

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA... 16

BAB VI DAFTAR PUSTAKA ... 17

(3)

BAB I RINGKASAN

Indonesia telah mengalami peningkatan dalam industri tekstil. Salah satu jenis industri tekstil di Indonesia yaitu industri batik. Pada proses industri batik dari awal hingga proses penyempurnaannya menggunakan bahan kimia pada zat warnanya. Limbah cair dari zat wana batik yang dihasilkan berbahaya bagi lingkungan jika dibuang tanpa diolah terlebih dahulu. Zat warna yang dipakai pada proses pembuatan batik memiliki sifat sulit terdegadasi, beracun, mutagenik dan karsinogenik. Senyawa Cr, Pb, Ni, Cu, dan Mn adalah contoh logam berat yang terdapat pada buangan industri batik. Sumber logam berat Cr dan Pb yang bersifat toksis, dapat berasal dari zat pewarna (CrCl3, K2Cr2O7) maupun dari pengikat zat warna yang meliputi Cr(NO3) dan PbCrO4.

Beberapa metode telah diterapkan untuk menurunkan kadar zat warna dan menurunkan kandungan logam pada limbah batik, salah satunya adalah adsorpsi menggunakan zeolit. Zeolit memiliki gugus aktif Si-O-Si dan SiOH dan zeolit juga memiliki struktur pori terbuka dengan internal surface area yang besar sehingga dapat digunakan sebagai adsorben. Limbah padat abu sekam padi dan abu layang batubara (coal fly ash) berpotensi digunakan sebagai bahan baku sintesis zeolit. Abu sekam padi memiliki kandungan silika yang tinggi, yaitu sekitar 85-98%, sedangkan coal fly ash memiliki kandungan alumina dan silika sekitar 80%. Kandungan alumina dan silika inilah yang menjadi dasar untuk memanfaatkan kedua limbah padat tersebut sebagai bahan dasar sintesis zeolit. Pada penelitian terdahulu, zeolit berbahan baku fly ash dapat disintesa menggunakan metode hidrotermal. Akan tetapi, metode hidrotermal secara konvensional ini membutuhkan waktu sintetis zeolit yang relatif lama, sehingga kurang efektif. Disamping itu, microwave dapat memanaskan objek secara cepat dan selektif. Pemanasan oleh microwave ini dapat dimanfaatkan pada tahap hidrotermal pembuatan zeolit sintesis. Pada penelitian ini, limbah padat abu sekam padi dan abu layang batubara (coal fly ash) akan dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan zeolit sintetis dengan metode microwave hydrothermal. Abu sekam padi dan fly ash akan di-pretreatment terlabih dahulu dengan menggunakan larutan HCl untuk mengurangi zat pengotor dan zat lainnya. Abu sekam di-pretreatment dengan larutan HCl 1 M, 2 M, dan 3 M, kemudian disintesis dengan campuran larutan NaOH dan larutan Al2O3. Sedangkan fly ash di-pretreatment menggunakan larutan HCl 1 M dan

selanjutnya disentesis menggunakan larutan NaOH 2 M, 4 M, dan 6 M. Hasil dari zeolit yang disintesis dari abu sekam padi, fly ash, serta campuran keduanya akan dianalisa karakteristiknya dengan Analisa XRD dan SEM. Zeolit yang disintesis kemudian digunakan sebagai adsorben zat warna pada limbah batik.

(4)

Ringkasan penelitian berisi latar belakang penelitian,tujuan dan tahapan metode penelitian, luaran yang ditargetkan, kata k

BAB II HASIL PENELITIAN

II.1 Sintesis Zeolit

Pada penelitian ini, zeolite disintesis dari 2 bahan, yaitu abu sekam padi dan fly ash dari batubara. Zeolit ini disintesis menggunakan metode microwave hydrothermal. Selain itu, sintesis menggunakan penmanas konvensional juga dilakukan sebagai pembanding. Pada uraian hasil penelitian ini, digunakan 3 titik variabel konsentrasi zat pengaktivasi pada masing-masing jenis bahan baku, sebagai perbandingan awal. Untuk tahap berikutnya, variabel akan ditambah menjadi 6 titik, dimana besarannya akan disesuaikan dari hasil analisa tahap awal.

(a)

(b)

Gambar 1. Apparatus Sintesis Zeolite (a) Metode Conventional heating; (b) Metode Microwave

(5)

II.1.1 Sintesis Zeolit Abu Sekam Padi

Abu sekam padi yang digunakan sebagai sumber silika disaring dengan saringan ukuran 120 mesh agar ukuran partikel seragam. Kemudian sampel abu sekam padi dicuci dan dikeringkan di bawah sinar matahari untuk selanjutnya dilakukan pembakaran. Pembakaran dilakukan dengan menggunakan furnace pada suhu 600o C selama 7 jam. Kemudian dilakukan proses aktivasi dengan larutan asam kuat yaitu larutan HCl dengan variabel konsentrasi sebesar 1M, 2M, dan 3M. Fungsi dari aktivasi dengan asam kuat ini bertujuan untuk melepaskan zat pengotor oksida logam seperti Al2O3, K2O, Fe2O3, dan lainnya pada permukaan partikel abu sekam padi. Pengaruh dari pelepasan

zat pengotor oksida ini akan mempengaruhi kristalinitas dan ukuran pori material abu sekam padi. Zat pengotor yang terlepas dari padatan akan meninggalkan rongga, sehingga partikel memiliki luas permukaan yang semakin besar dan semakin reaktif.

Gambar 2. Aktivasi Abu Sekam Padi Dengan Asam Kuat

Proses selanjutnya yaitu sintesis zeolit abu sekam padi yaitu dengan pencampuran larutan natrium silikat dan natrium aluminat. Natrium silikat dibuat dengan mencampurkan 10 g abu sekam padi yang telah diaktivasi dengan larutan NaOH 6,67 M dalam 100 ml yang selanjutnya dipanaskan pada suhu 50o_{C dan diaduk dengan magnetic stirrer selama satu jam. Proses ini bertujuan untuk}

menghilangkan senyawa organik yang menguap pada temperatur yang tidak terlalu tinggi[1]. Reaksi yang terjadi pada pembentukan larutan natrium silikat adalah:

SiO2(s) + 2NaOH (l) → Na2SiO3(l) + H2O (l)

Sedangkan natrium aluminat dibuat dengan mencampurkan 8,5 g Al2O3 dan larutan NaOH 20 g

dalam 100 ml yang kemudian dipanaskan pada suhu 50o C selama satu jam. Reaksi yang terjadi pada pembentukan larutan natrium aluminat adalah:

Al(OH)3(s) + 2NaOH (l) → NaAl(OH)4(l)

Kedua larutan natrium silikat dan natrium aluminat dicampur dengan perbandingan 1:1 dan diaduk dengan magnetic stirrer selama 2 jam agar terbentuk larutan putih yang homogen. Interaksi antara natrium silikat dan natrium aluminat menghasilkan larutan putih seperti koloid yang mana proses

(6)

tersebut telah membentuk zeolit meta stabil [2]. Zeolit meta stabil yang telah terbentuk di-hydrothermal dengan menggunakan microwave pada suhu 100o_{C selama 1 jam, akan terbentuk}

zeolit yang stabil. Reaksi pencampuran natrium silikat dan natrium aluminat serta rekasi ketika di-hydrothermal dengan microwave adalah:

Na2SiO3(aq) + Na2Al2O4(aq) → [Nax(AlO2)y(SiO2)z.NaOH.H2O] (gel) (Proses pencampuran)

Nax[(AlO2)y(SiO2)z].h.H2O (gel) → Nax[(AlO2)y(SiO2)z].h.H2O (Proses hydrothermal)

Gambar 3. Zeolit Sintesis Dari Abu Sekam Padi

Gambar 3 menunjukkan zeolite yang telah disintesa dari abu sekam padi menggunakan metode microwave hydrothermal.

II.1.2 Sintesis Zeolit Fly Ash

Sampel fly ash yang mengandung alumina silikat yang diambil dari PLTU Paiton, Probolinggo disaring menggunkan saringan 120 mesh agar ukurannya seragam. Komposisi abu dasar dan abu layangnya dapat dilihat pada Tabel 3.2 di bawah ini :

Tabel 1 Komposisi Abu Layang Batubara PLTU Paiton (Sumber: PJB Paiton)

Komponen Penyusun Kandungan (%w)

SiO2 30,25 – 36,83 Al2O3 14,52 – 23,78 Fe2O3 13,46 – 19,94 CaO 11,40 – 16,57 MgO 5,36 – 8,11 Mn3O4 0,140 – 0,480 Na2O 0,250 – 0,740 K2O 0,630 – 1,320

(7)

TiO2 0,830 -1,050

P2O5 0,630 – 3,750

SO3 3,010 – 7,280

Warna dari fly ash-nya yaitu coklat ke abu-abuan, yang mana menunjukkan bahwa masih terdapat komponen karbon yang masih belum terbakar dalam fly ash. Untuk mengurangi karbon dan zat pengotor lainnya yang terkandung dalam fly ash, dilakukan kalsinasi terlebih dahulu menggunakan furnace pada suhu 600oC selama 2 jam [3]. Sebelum dilakukan proses hydrothermal, fly ash diaktivasi dengan cara direfluks menggunakan larutan HCl 1 M pada suhu 90oC selama 3 jam. Fungsi dari aktivasi ini yaitu untuk menghilangkan besi oksida dan oksida logam lainnya yang tidak diinginkan di permukaan partikel. Selain itu, hal ini juga untuk meningkatkan kadar SiO2 serta meningkatkan rasio Si/Al pada fly ash, karena saat refluks fly ash mengalami dealuminasi (kadar Al turun) [4]. Selanjutnya dilakukan sintesis zeolit fly ash menggunakan larutan NaOH dengan variabel konsentrasi sebesar 2 M, 4 M, dan 6 M kemudian diaduk dengan magnetic stirrer pada suhu kamar selama 2 jam. Dalam proses sintesis zeolite dengan alkalihidrotermal fungsi NaOH yaitu sebagai mineralizer [4], seperti reaksi berikut:

NaOH (aq) + xAl2O3.ySiO2(s)→ Na2SiO3 (aq) + Na2Al(OH)4 (aq) (suhu kamar)

Proses selanjutnya adalah proses hydrothermal dengan menggunakan microwave pada suhu 100o C selama 1 jam, reaksi yang terbentuk adalah sebagi berikut:

[Nax(AlO2)y(SiO2)zNaOH.H2O] → Nap[(AlO2)p(SiO2)q].hH2O

Gambar 4. Zeolit Sintesis Dari Fly Ash

Gambar 4 menunjukkan zeolite yang telah disintesa dari fly ash menggunakan metode microwave hydrothermal.

(8)

II.1.3 Sintesis Zeolit Campuran Abu Sekam Padi dan Flay Ash

Selain bahan baku abu sekam padi dan fly ash, campuran dari kedua bahan ini juga digunakan untuk mensintesis zeolite. Perbandingan massa yang digunakan adalah 1:1. Gambar 4 menunjukkan zeolite yang dari campuran abu sekam padi dan fly ash menggunakan metode microwave hydrothermal.

Gambar 5. Zeolit Sintetis dari Campuran Fly Ash dan Abu Sekam Padi

II.2 Karakteristik Zeolit Sintesis

II.2.1 Analisa XRD (X-ray Diffractometer)

Analisa XRD dilakukan untuk mengetahui sifat kristalin dan senyawa yang terkandung pada material abu sekam padi, fly ash, dan zeolite yang telah disintesis. Gambar berikut menunjukkan hasil analisa XRD pada bahan baku, yaitu abu sekam padi dan fly ash.

(9)

Gambar 7. Pola XRD bahan baku Fly Ash

Dari hasil analisa XRD pada gambar 6 dapat diamati bahwa abu sekam padi memiliki kandungan utama kristal senyawa silikat (SiO2). Struktur yang terdapat pada senyawa kristal

tersebut berupa Quartz dan Cristobalite. Sedangkan hasil analisa XRD bahan baku fly ash ditunjukkan pada gambar 7. Bahan baku fly ash mengandung kristal quartz (SiO2). Hal ini

menunjukkan bahwa kedua bahan baku mengandung senyawa silikat pada fase kristal, yang menunjukkan bahwa kedua bahan baku tersebut memiliki potensi sebagai bahan baku sintesis zeolite.

Gambar berikut merupakan hasil analisa XRD zeolite yang disintesis dari fly ash menggunakan metode microwave heating dengan konsentrasi aktivasi asam HCl tertentu.

(a)

Position [°2Theta] (Copper (Cu))

10 20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 200 400 600 800

(10)

(b)

(c)

Gambar 8. Pola XRD Zeolite sintesis yang telah diaktivasi oleh HCl dengan konsentrasi: (a) 2 M,

(b) 4 M, dan (c) 6 M

Dari gambar 8, dapat diamati bahwa variasi konsentrasi HCl tidak berpengaruh terhadap sifat kristal dari produk zeolite ini. Akan tetapi ada perbedaan intensitas pada fase kristal, yaitu silika di beberapa posisi sudut 2 theta. Selain itu, pada zeolite dengan aktivasi 6 M HCl, terdeteksi peak baru.

10 20 30 40 50 60 70 80

Counts

0 500 1000

Zeolite Fly Ash 4M (Hy)

10 20 30 40 50 60 70 80

Counts

0 500 1000

(11)

Gambar berikut merupakan hasil analisa XRD zeolite yang disintesis dari abu sekam padi, dengan aktivasi senyawa HCl pada konsentrasi tertentu.

(a)

(b)

10 20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 100 200 300 Zeolite Sekam 1m Hy

10 20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 200 400 600 800 Zeolit Sekam 2M Hy

(12)

(c)

Gambar 9. Pola XRD Zeolite sintesis dari abu sekam padi dengan aktivasi HCl: (a) 1 M, (b) 2 M, (c) 3 M

II.2.2 Analisa SEM (Scanning Electron Microscopy)

Analisa mikrostruktur pada zeolite dilakukan dengan menggunakan SEM yang bertujuan untuk menganalisa morfologi permukaan partikel dan mengetahui distribusi dan ukuran partikelnya.

Gambar 10. Mikrostruktur zeolite yang disintesis dari fly ash Position [°2Theta] (Copper (Cu))

10 20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 100 200 Zeolit Sekam 3M Hy

(13)

Gambar 11. Mikrostruktur zeolite yang disintesis dari abu sekam padi

Gambar 10 merupakan mikrostruktur partikel zeolite yang disintesis dari fly ash dengan aktivasi asam HCl 2 M. Dari gambar tersebut, diketahui bahwa zeolite yang dihasilkan berbentuk bola dan memiliki diameter 1-8 μm. Sedangkan zeolite yang disintetis dari abu sekam padi dengan aktivasi HCl 2 M ditunjukkan pada gambar 11. Dari gambar 11 ini dapat diamati bahwa zeolite memiliki ukuran 1-10 μm.

II.3 Uji Kinerja Adsorben

Pada uji kinerja adsorben, kami menggunakan 1 g zeolit sintesis dalam 20 mL limbah batik yang kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer. Berikut merupakan hasil pengamatan secara kualitatif perubahan warna limbah batik setelah ditambahkan zeolite.

(14)

Tabel 2. Hasil pengamatan limbah batik setelah ditambahkan zeolite sintetis

No Variabel Gambar

1. Sampel Limbah Batik

2. Zeolit Sintetis Abu Sekam Padi (Variabel HCl 1M, 2M, dan 3M)

3. Zeolit Sintetis Fly Ash

(Variabel NaOH 2M, 4M, dan 6M)

4. Zeolit Sintetis Campuran Fly Ash dan Abu Sekam Padi

(Variabel NaOH 2M, 4M, dan 6M)

Dari hasil uji kinerja adsorben secara kualitatif ini dapat diketahui bahwa warna limbah batik yang pada awalnya berwarna biru pekat kehitaman, berubah warna menjadi kecoklatan. Akan tetapi

(15)

pada masing-masing variabel konsentrasi zat pengaktivasi, terdapat perbedaan tingkat kepekatan warna, meskipun perbedaannya tidak terlalu signifikan. Untuk rencana selanjutnya, akan dianalisa kinerja adsorben secara kuantitatif, yaitu berdasarkan konsentrasi zat warna tertentu yang diserap oleh zeolite menggunakan spektofotometer UV-Vis, sehingga dapat diperoleh data yang lebih terukur.

(16)

BAB III STATUS LUARAN

Luaran wajib dari penelitian doktor baru ini adalah jurnal internasional terindeks scopus dengan kuartil minimum Q2. Status penelitian ini masih dalam tahap pelaksanaan penelitian dan analisa sampel. Tahapan berikutnya adalah penyusunan draft manuskrip jurnal. Adapun jurnal yang dipilih adalah Particulate Science and Technology Journal dengan SJR rank 0.33 dan kuartil Q2.

(17)

BAB IV KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Dalam penelitian ini, kendala yang kami hadapi adalah terkait bahan dan teknis dalam penelitian. Bahan-bahan kimia yang digunakan adalah bahan kimia PA (pro-analyze) yang mana dalam pemesanannya membutuhkan waktu yang relative lama, yaitu sekitar 2-3 minggu sehingga cukup menghambat untuk memulai penelitian. Selain itu, kerusakan beberapa alat pendukung dalam penelitian seperti pemanas yang bermasalah dan labu leher 3 yang pecah cukup menghambat dalam proses pengerjaan penelitian. Kendala lainnya yaitu, dalam proses analisa zeolit sintesis yang banyak memakan waktu hingga 3-4 minggu, karena di masa pandemi ini ada batasan untuk pengujian sampel, sehingga antrian analisa XRD dan SEM cukup lama.

(18)

BAB V RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA

Rencana tahapan selanjutnya pada penelitian ini yaitu menganalisa secara kuantitatif efisiensi adsorbansi zeolite yang telah disintesis terhadap zat warna pada limbah batik. Selain itu, titik variabel penelitian, yaitu konsentrasi zat pengaktivasi akan ditambah menyesuaikan dengan hasil Analisa yang telah diperoleh sebelumnya. Tahapan berikutnya adalah pembuatan manuskrip untuk disubmit ke jurnal internasional. Adapun rencana penelitian berikutnya adalah mengembangkan zeolite sintetis ini untuk diterapkan sebagai katalis.

(19)

BAB VI DAFTAR PUSTAKA

[1] F. Sholichah, A. Suseno, J. Kimia, F. Sains, U. Diponegoro, J.P. Soedarto,

PENGARUH WAKTU HIDROTERMAL PADA SINTESIS ZEOLIT DARI ABU SEKAM PADI SERTA APLIKASINYA SEBAGAI BUILDER DETERJEN, 1 (2013). https://ejournal3.undip.ac.id/index.php/kimia/article/view/1864.

[2] P. Hanipa, P. Pardoyo, T. Taslimah, A. Arnelli, Y. Astuti, Pengaruh Variasi Waktu Hidrotermal terhadap Sintesis dan Karakterisasi Nanokristal Zeolit A dari Abu Sekam Padi, J. Kim. Sains Dan Apl. 20 (2017) 79–83. doi:10.14710/jksa.20.2.79-83.

[3] Jumaeri, Sutarno, E.S. Kunarti, S.J. Santosa, PENGARUH KONSENTRASI NaOH DAN TEMPERATUR PADA SINTESIS ZEOLIT DARI ABU LAYANG SECARA ALKALI HIDROTERMAL, J. Indones. Zeolites. 8 (2009) 1411–6723.

[4] T.P.L. Jumaeri Jumaeri, Astuti, Preparasi dan karakterisasi zeolit dari abu laying batu bara secara alkali hidrotermal, (2017). doi:https://doi.org/10.14710/reaktor.11.1.38-44.

(20)