BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1. Zeolit Sejarah perkembangan zeolit

5
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1. Zeolit
Sejarah perkembangan zeolit dimulai dari penemuan seorang ahli mineral
dari Swedia bernama Cronstedt pada tahun 1756, dia menyebutkan zeolit
merupakan mineral yang terdiri dari hidrat aluminosilikat dari alkali dan alkali
tanah. Karena Kristal yang berubah jika dipanaskan. Zeolit berasal dari dua kata
Yunanai ‘zeo’ dan ‘lithos’ artinya dipanaskan dan batu. Kemudian banyak
penelitian yang dilakukan untuk mengetahui sifat dari zeolit. Apa yang membuat
zeolit sangat spesial, pertanyaan kenapa sangat spesial karena jika dibandingakan
dengan crystalline inorganic oxide-material, bisa dijawab dengan kombinasi sifat
yang dimiliki seperti; karakter
microporous, yang memungkinkan molekul
hidrokarbon masuk ke dalam kristal zeolit. Sifat penukar ion yang dimiliki,
memungkinkan terjadinya pertukaran ion. Dengan meningkatkan keasaman
sehingga bisa digunakan untuk bahan katalis organik. Zeolit adalah kristal
aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam
kerangka tiga dimensi. Kerangka dasar sturuktur zeolit terdiri dari unit tetrahedral
AlO2 dan SiO2 yang saling berhubungan melalui atom O, sehingga zeolit
mempunyai rumus empiris sebagai berikut x/n Mn+[(AlO2)x(SiO2)y]⋅zH2O.
Komponen pertama Mn+ adalah sumber kation yang dapat bergerak bebas dan
dapat dipertukarkan secara sebagian atau secara sempurna oleh kation lain. Zeolit
mempunyai sifat yang dikenal sebagai penukar kation, penyerap dan penyaring
5
6
molekul serta sebagai katalis. Selain mengandung alkali dan alkali tanah, zeolit
alam juga mengandung mineral lain seperti feldspar, kuarsa dan lainnya.
Perbedaan jenis zeolit adalah mempunyai daya jerap (adsorption) molekul yang
berbeda-beda secara selektif. Keselektifan ini tergantung dari struktur masingmasing jenis zeolit, sehingga zeolit dapat digunakan sebagai (Bekkum dkk, 1991):
a. Penyaring ion, molekul atau sebagai katalis, Zeolit dapat menyaring ion,
molekul, maupun atom karena mempunyai saluran (channel) dan rongga
(cavity) dalam struktur zeolit bila oxygen window dari saluran atau
rongga lebih kecil dari ion, molekul, atau atom. Zeolit mempunyai pori
sehingga juga dapat digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi
dalam proses kimia.
b. Bahan penjerap, Bila zeolit dipanaskan pada suhu tinggi maka akan
terjadi dehidrasi, penguapan yang dikandungnya sehingga menyebabkan
zeolit akan selektif dalam menyerap molekul-molekul seperti He, N2, O2,
CO2, SO2, Ar, dan Kr. Proses penyerapan molekul oleh zeolit terjadi
karena strukturnya juga mempunyai polaritas yang tinggi.
c. Penukar ion, Pertukaran ion pada dasarnya terjadi dalam suatu cairan
yang mengandung anion, kation, dan molekul air dimana salah satu atau
sebagian ion yang terikat pada matriks mikropori berfase padat. Molekul
air dapat berada dalam mikropori bersama ion (kation, anion) dengan
muatan yang berlawanan dengan ion matriks sehingga terjadi
kesetimbangan muatan untuk mencapai kedaan
netral, sehingga ion
yang berada dalam cairan dapat bergerak bebas di dalam matriks
7
mikropori. Ikatan kation dan anion pada Kristal zeolit berupa ikatan
kovalen,ikatan ion dan juga ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen adalah
ikatan yang melibatkan hidrogen. Ikatan kovalen adalah ikatan antara
ion positif dan negative karena partikel yang muatan yang berlawanan
saling tarik menarik, ikatan ion adalah ikatan pada atom dengan
pemakaian bersama sepasang electron atau lebih ( Sukri, 1999 ), ikatan
ion akan terbentuk dengan mudah jika atom yang bersangkutan mudah
membentuk kation ( Sukarja, 1989 ). Pada zeolit terjadi proses
pertukaran ion antara molekul zeolit seperti Si dan Al dengan molekum
logam pada limbah logam cair yang berasal dari limbah industry, seperti
limbah nikel pada proses electroplating nikel, berdasarkan selektifitas
dari pertukaran kation berdasarkan deret Al3+ > Ba2+ > Pb2+> Ca2+ > Ni2+
> Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > Ag2+ > K+ > NH4+ > Na+ > H+ >
Li+ , Al memiliki selektifitas yang tinggi ( Harvey, 2000), jika dilihat
antara Ni dan H, selektifitas Ni lebih tinggi, sehingga kecendrungan Ni
lebih kuat menggantikan H pada proses penjerapan limbah nikel. Pada
saat zeolit diaktifasi dengan pemanasan molekul hydrogen yang
berikatan dengan SiO2 akan lepas sehingga muatan negatif berada pada
unsur O. Nikel yang berada pada limbah cair yang bermuatan 2 + jika
diinteraksikan dengan zeolit maka Ni yang ada akan tertarik dan
berikatan dengan O. dengan adanya ikatan yang lepas dari limbah
menuju zeolit maka kandungan zeolit yang ada pada limbah akan
berkurang.
8
Energy,aktifasi dengan pemanasan
O
Si
H
O
2+
Si2+
O
H
O
H
O
Ni2+
O
Si2+
H
H
O
O
O
( Zeolit aktif )
Ni2+
O
H
H
O
H
( Proses Penjerapan )
O
H
H
Gambar 2.1 Gambar Pertukaran Ion Dalam Proses Penjerapan
Sekitar 190 tipe rangka dari zeolit telah diketahui, secara nyata
hanya 10 tipe yang telah diaplikasikan, karena sifat termal, dan
kesetabilan mekanis yang dimilikinya, zeolit sintetis memerlukan
banyak biaya untuk membuatnya, dan banyak tipe yang tidak tersedia
secara komersial. Yang digunakan secara komersial adalah seperti dalam
tabel 2.1 dibawah ini, selain zeolit alami (Niwa dkk.,2010), Ada tiga tipe
zeolite (Chester dkk., 2001) diklasifikasikan
zeolit yang memiliki
porositas kecil, sedang dan besar. Zeolit dengan porositas kecil biasa
digunakan untuk menjerap n-paraffins, zeolit yang memiliki porositas
yang lebih besar digunakan untuk menjerap branched paraffins.
9
Tabel 2.1. Zeolit Yang Digunakan Dalam Industri (Niwa dkk,2010)
Zeolite dengan porositas sedang atau menengah hanya digunakan untuk
paraffin rantai bercabang, tetapi yang tidak terlalu tinggi dapat terjerap. Zeolite
yang memiliki porositas yang besar, dipakai sebagai molecular sieves, yang bisa
memisahkan molekul yang memiliki struktur yang berbeda. Mekanisme yang
terjadi selama hidrotermal, diantaranya meliputi: terlarutnya sedikit padatan
dalam air, difusi zat terlarut dan timbulnya senyawa yang berbeda dari padatan
terlarut, yang terjadi pada suhu cukup rendah (100-300oC), pada autoclave di atas
100oC. Proses ini meliputi modifikasi tekstur atau struktur pada suatu padatan
yang mengikuti hukum termodinamika dan proses ini mengurangi energi bebas
pada sistem. Perubahan pada tekstur murni akan menyebabkan reduksi pada luas
permukaan dan meningkatkan ukuran partikel dan pori (Jumaeri dkk,. 2007).
Proses aktifasi juga berujuan untuk menghilangkan unsur-unsur pengotor dan
menguapkan air yang terperangkap dalam pori-pori kristal zeolit (Supriono dan
Pujiastuti, 2003 ). Ada dua tipe proses yang digunakan dalam penelitian, yaitu
10
type batch dan type columm. Type batch digunakan untuk mengetahui pengaruh
pH, Suhu Proses, sedangkan type columm digunakan untuk mengetahui pengaruh
laju aliran terhadap penjerapan limbah (Malcok dkk,.2006).
2.2. Penggunaan Zeolit
Ada beberapa fungsi utama dari penggunaan zeolit antara lain : pertama
sebagai media penjerap,misalnya diaplikasikan sebagai media pengering pada
proses pemurnian gas, sebagai separator dalam proses pemisahan n-paraffins dari
branched paraffins, p-xylene dari isomers. Yang kedua adalah sebagai katalis
dalam proses pemurnian bahan bakar, pembuatan bahan bakar sintetik. Yang
ketiga adalah digunakan sebagai detergent atau bahan baku sabun, sebagai
pengganti penggunaan phospat. Yang keempat adalah digunakan sebagai
bermacam-macam hal seperti pada proses pengolahan limbah air, makanan
tambahan pada makanan ternak, juga sebagai pembenah tanah di bidang pertanian
(Bekkum dkk., 1991). Dapat digunakan sebagai banyak hal seperti yang telah
dijabarkan di atas, ini karena zeolit memiliki sifat yang dimiliki, antara lain
(Ribeiro dkk., 1995):
1. Memiliki struktur porositas mikro (microporous) yang unik, sehingga
memiliki sifat molecular sieving yang baik, sehingga banyak
digunakan sebagai katalis.
2. Struktur yang bervariasi, mulai dari dengan porositas rendah, sampai
dengan yang memiliki porositas yang tinggi, sehingga cukup untuk
memproses molekul yang berat.
11
3. Kemungkinan untuk kontrol dengan cara yang bervariasi, tidak hanya
geometri, tetapi juga komposisinya.
4. Kemampuan zeolit sebagai media penjerap, media lain yang memiliki
sifat katalis , seperti ion logam, gugus logam kecil atau transisi logam
kompleks.
Zeolit sudah dapat digunakan untuk menjerap limbah, untuk
meningkatkan kemampuan zeolit maka dilakukan aktifasi, aktifasi secara
kimia dan fisika, aktifasi secara fisik akan meningkatkan luas permukaan
pori zeolit dan akan meningkatkan porositasnya. Aktifasi ada dua yaitu
(Ahmadi, 1997):
1.
Fisika dilakukan dengan melakukan pemanasan pada temperatur
tertentu untuk mengurangi kandungan air, dan meningkatkan
porositas dari zeolit,
2.
Kimiawi yaitu dengan menggunakan bahan kimia tertentu yang
berfungsi mengikat dan membuang senyawa pengotor dan mengatur
kembali letak atom yang dapat dipertukarkan. Bahan kimia yang
digunakan untuk aktifasi antara lain asam sulfat
2.3. Standar Baku air
Penetapan baku mutu air selain didasarkan pada peruntukan (designated
beneficial water uses), juga didasarkan pada kondisi nyata kualitas air yang
mungkin berada antara satu daerah dengan daerah lainnya. Setiap komunitas atau
perkumpulan akan menghasilkan limbah padatan dan cairan.
12
Tabel 2.1
Baku Mutu Air Limbah Bagi Usaha Dan/Kegiatan Pertambangan Bijih Nikel
Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup No 09 Tahun 2006 (Anonim,2006)
Limbah cair, atau cairan yang sudah pernah digunakan untuk berbagai keperluan.
Dari sumbernya limbah cair dapat dikatagorikan bagian dari cairan atau air
pembawa limbah, dari perumahan, institusi, dan industri, yang tercampur dengan
air tanah, air permukaan, atau air hujan ( George dkk., 2004). Setiap limbah harus
dianalisa apakah sudah sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Dalam tabel
2.1 dapat dilihat batas untuk logam berat dalam air. Di tabel untuk kandungan
cemaran nikel 0,5 mg/l.
2.4. Elektroplating Nikel
Industri elektroplating juga termasuk salah satu indstri yang berpeluang
besar
sebagai
penghasil
limbah
logam
nikel.
Elektroplating
adalah
elektrodeposisi logam pelapis yang melekat ke elektroda untuk menjaga
substrat dengan memberikan permukaan dengan sifat dan dimensi berbeda
13
dari pada logam basisnya memperbaiki penampilan, kekuatan dan ketahanan
terhadap korosi. Proses melekatnya logam pelapais merupakan kebalikan
dari proses korosi, dimana logam yang lebih mulia sebagai anoda yang akan
teroksidasi, dipaksa untuk melepaskan ion dengan cara memberi muatan
listrik dari sumber luar, dan ion yang lepas akan menempel pada k atoda,
dan melapisi pemukaan katoda (Lowenheim, 1978). Pada proses permulaanya
banyak dilakukan proses pengikisan logam, atau permukaan benda kerja,
dan pada proses pelapisan pada saat slesai dilapisi, dilakukan pencucian
benda kerja dari sisa larutan yang masih menempel pada permukaan benda
kerja, dan ini akan terbawa oleh air cucian sebagai limbah logam dan
hanyut ke lingkungan . Larutan yang digunakan adalah larutan dari type
Watts (Lowenheim,1978)
Nikel sulfate,NiSO 4 6H2 O
330 g/L
Nikel clorida,NiCL 2 6H 2 O
45 g/L
Asam borak,H 3 BO3
38 g/L
Temperatur
55
PH
1,5
Rapat arus
250
s
s
/d
/d
s
/d
60 o C
4,5
1000 A/m2 .
2.5 Statistik Untuk Penelitian
Dalam penelitian ini perlu dilakukan uji statistik,uji hipotesa
untuk mengetahui apakah signifikan perubahan porositas yang terjadi,
antara suhu aktifasi yang dilakukan. ( Sugiono, 2010.)
14
Varian untuk Variabel populasi
∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2
𝜎2 =
𝑛
(2.1)
Standar deviasi untuk variable populasi
𝜎= √
∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2
𝑛
(2.2)
Varian untuk data sampel
𝑠2 =
∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2
(2.3)
(𝑛−1)
Standar deviasi untuk data sampel
𝑠= √
∑(𝑥𝑖−𝑥̅ )2
(𝑛−1)
(2.4)
Nilai korelasi
𝑟𝑥𝑦 =
∑𝑥𝑦
√( ∑𝑥 2 )( ∑𝑦 2 )
(2.5)
Rumus t tes kerhubungan, digunakan untuk mengetahui hubungan antara dua
data sampel.
𝑡=
𝑥̅ 1 −𝑥̅2
𝑠2 𝑠2
𝑠
𝑠
√ 1 + 2 −2𝑟( 1 )( 2 )
𝑛1 𝑛2
√𝑛1 √𝑛2
Keterangan :
𝑥̅1 :
rata-rata sampel 1
𝑥̅ 2 :
rata-rata sampel 2
(2.6)
15
S1
:
simpangan baku sampel 1
S2
:
simpangan baku sampel 2
S1 2 :
varian sampel 1
S2 2 :
varian sampel 2
r
korelasi antara data dua kelompok.
:
Nilai t hasil perhitungan akan dibandingakan dengan nilai t pada tabel, untuk
mendapatkan adanya hubungan antara masing-masing sampel.
2.6. Faktor Kebulatan Dari Ukuran Butiran Zeolit
Dilambangkan dengan 𝜓
atau 𝜙 aadalah menyatakan seberapa bulat
partikel zeolit yang telah diayak mempengaruhi luas permukaan dari zeolit yang
akan menjerap limbah elektroplating nikel. Kebulatan partikel bervariasi dari
bulat dan tidak bulat, menurut Wadell pada tahun 1933, untuk mengetahui faktor
kebulatan dapat dicari dengan rasio luas permukaan bola pada volume yang sama
dengan luas permukaan dari partikel, karena sulitnya melakukan pengukuran
volume untuk partikel yang kecil ( Smith dkk.,2001), dan berkembang cara yang
lebih mudah, dengan mencari rasio dari diameter lingkaran yang ada pada
proyeksi gambar partikel dengan diameter dari lingkaran pada circumscribing
pada partikel yang akan dicari kebulatannya (Willard & Margaret, 1943).
Diameter partikel didapat dengan mengukur luas dari partikel dengan
menggunakan
program
ImageJ,
dari
luas
tersebut
dicari
diameternya
menggunakan rumus luas lingkaran. Lingkaran circumscribing juga dibuat dengan
program ImageJ.
16
Luas partikel (A1)
Luas circumscribing (A2)
Gambar 2.2 Ilustrasi Pengukuran Diameter Partikel
Dari luas partikel (A1) dan Luas circumscribing (A2) dapat dicari diameter dari
keduanya
𝐴1 = 𝜋𝑟 2 , 𝐴2 = 𝜋𝑟 2
𝑟1 = √𝐴⁄𝜋
; 𝑑1 = 2𝑟1 , 𝑟2 = √𝐴⁄𝜋
( 2.7 )
; 𝑑2 = 2𝑟2
( 2.8 )
Setelah didapat diameter dari partikel dan circumscribing, kemudian factor
kebolaan dapat dicari dengan persamaan berikut:
𝜓=
𝑑1
𝑑2
( 2.9 )
Dari sumber lain kebolaan dicarai dengan cara seperti di bawah ini ( Basu &
Fraser., 1991 )
Dv = [(6/π) x Volume partikel](1/3) = [(6V/π)](1/3)
( 2.10 )
Dv (volume diameter ) adalah diameter dari bola yang memiliki volume yang
sama dengan partikel.
17
ds = [ luas permukaan partikel /π](1/2)
( 2.11 )
ds ( diameter Permukaan ) adalah diameter dari bola yang memiliki permukaan
luar seperti partikel
dsv = 6V/S
( 2.12 )
dsv ( diameter volume-permukaan) adalah diameter dari bola yang memiliki rasio
volume permukaan yang sama dengan partikel
kebolaan ( 𝜙) adalah luas permukaan sebuah bola dengan volume yang sama
dengan partikel dibagi luas permukaan sebenarnya dari partikel
𝜙 = πdv2 / S
( 2.13 )
Dengan eleminasi persamaan (2.10), (2.12), dan (2.13) akan menjadi
dsv = 𝜙 dv ,sehingga 𝜙 = dsv / dv
( 2.14 )
hubungan antara semua diameter di atas dengan ukuran ayakan ( d p ) dapat
ditentukan dengan cara penelitian dan perhitungan geometri partikel, sebuah
pendekatan untuk batuan pecahan didapat seperti :
dv ≈ 1.13 dp
( 2.15 )
dsv ≈ 0.773 dp
( 2.16 )
dsv ≈ 0.87 dp
( 2.17 )
18
Gambar 2.3 Ilustrasi Pengukuran Diameter Partikel ( Basu & Fraser., 1991 )
Gambar 2.4 skema aliran limbah
Pada aliran limbah cair di dalam tabung yang telah diisi zeolit, jika memiliki
kebulatan yang bagus akan memudahkan cairan mengalir dan kontak dengan
permukaan juga semakin banyak, dibandingkan jika butiran zeolit berbentuk
kubus, atau dengan kata lain faktor kebulatan mendekati bentuk kubus.