137 KAJIAN SPEKTROSKOPI FTIR, XRD DAN SEM KAOLIN ALAM ASAL TATAKAN, KALIMANTAN SELATAN HASIL PURIFIKASI DENGAN METODE SEDIMENTASI THE STUDY OF FTIR , XRD AND SEM OF NATURAL KAOLIN FROM TATAKAN, SOUTH KALIMANTAN AFTER PURIFICATION PROCESS BY SEDIMENTATION METHODS. Sunardi* Program Studi Kimia, FMIPA, Universitas Lambung Mangkurat Banjarbaru, Kalimantan Selatan 70714 Abstract This study aimed at demonstrating complementary roles offered by Fourier transform infrared spectrophotometry, X-ray powder diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) techniques in characterizing clay fraction of kaolins. The clay fraction of kaolin samples from Tatakan, South Kalimantan, Indonesia was purificated by sedimentation methods and siphoning to obtain pure kaolinite and to reduce the quartz mineral and the others impurities. Main peaks in the infrared spectra reflected Al-OH, Al-O and Si-O functional groups in the high frequency stretching and low frequency bending modes and were those for kaolinite but possible absorption interferences peaks for quartz and the other impurities are inferred. The XRD results identified kaolinite as the major minerals phase with confirmed presence of quartz, chlorite, halloysite and christobalite as minor quantities in the samples. Furthermore, the purification process increased the composition of kaolinite, specific surface area , total pore volume and cation exchange capacity of kaolin were about 30-35%. Keyword: natural kaolin, purification, sedimentation, siphoning * Korespondensi: 0511-4772428 Alamat email: [email protected] Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) PENDAHULUAN Material pengotor kaolin Suatu mineral dapat disebut terutama kuarsa mempunyai komposisi sebagai lempung kaolin jika komposisi SiO2 dan berukuran hampir sama mineral dengan kaolinit komposisi lebih mineral (Dombrowski, 2000). dari 50% kaolin ada teragregasi Mineral kaolin pemurnian yang dalam keadaan sehingga proses dengan menggunakan dapat ditemukan di alam dalam bentuk pengayakan kurang efektif. Mineral kaolinit murni maupun mineral kaolin kaolin lain seperti haloisit, nakrit maupun dikrit pseudoheksagonal serta mineral lempung lain seperti dengan ukuran 1-10 µm dan smektit, sebagai keadaan individu biasanya tersusun komponen utama serta feldspar dan dari 10 sampai dengan 50 lapisan silika kuarsa alumina ilit dan sebagai mika pengotor (Ekosse, 2005). mempunyai beberapa Kaolin merupakan struktur berlapis-lapis dalam dengan ketebalan lapisan puluh nanometer hingga mineral beberapa mikrometer (Murray, 2000). lempung dengan struktur lapisan 1:1 Kaolin dapat teragregasi membentuk dengan unit dasar terdiri dari lembaran susunan kartu yang lembaran menyebabkan ukuran partikel kaolin oktahedral dengan Al3+ sebagai kation menjadi relatif sangat besar dan tidak oktahedral. dapat dipisahkan dari mineral kuarsa tetrahedral SiO4 dan rumah Kaolin biasanya berada sebagai mineral kaolinit murni atau dengan metode pengayakan. mineral yang berhubungan misalnya haloisit, nakrit dan dikrit yang Dalam media air dan kondisi serta perlakuan tertentu, agregasi bergabung dengan mineral lain seperti kaolin dapat terpisah dan mineral smektit, mika, kuarsa dan feldspar kaolin akan mempunyai ukuran lebih sebagai pengotor. kecil (≤ 2 µm). Berdasarkan hukum Stokes’s, perbedaan ukuran dan sifat 139 fisis dari kaolin dan kuarsa akan pengotor yang ada dengan metode menyebabkan perbedaan kecepatan sedimentasi. sedimentasi dari kedua mineral tersebut, dimana fraksi kuarsa dengan METODE PENELITIAN Sebanyak 100 g kaolin alam ukuran lebih besar (≥ 20 µm) akan dahulu lolos ayakan 400 mesh dimasukkan sehingga sehingga dapat terpisah dari kedalam 1000 ml akuades sambil fraksi kaolin (Lagaly, 2006). diaduk tersedimentasi terlebih Dalam bidang industri kaolin banyak dimanfaatkan secara luas dengan pengaduk magnet selama 3 sampai 4 jam. Suspensi kemudian dipindahkan ke dalam batch agar kaolin yang ada sebagai bahan tambahan kertas, cat, ultrasonic tinta, karet, keramik dan plastik. Selain terdisagregasi selama sekitar 15 menit. itu kaolin banyak dimanfaatkan dalam Selanjutnya bidang kembali selama beberapa saat dengan obat-obatan, kosmetik, dilakukan penjernih anggur, material pembawa pengaturan (carrier) untuk insektisida, pestisida, didiamkan selama waktu tertentu untuk fungisida, bahan pengisi krayon, pensil, memisahkan fraksi yang mengendap. adsorben minyak, pupuk, dan juga Setelah waktu tertentu, larutan bagian katalis (Ekosse, 2000; Murray, 1986). atas diambil dengan metode sifoning Tujuan yang hendak dicapai dalam dan penelitian diperoleh ini adalah menentukan kemudian Padatan Kalimantan dihaluskan meningkatkan kandungan sampel dengan menghilangkan/mengurangi serta dan kaolin dan sehingga kaolin yang sehingga lolos 200 cara kemudian dianalisis murni. telah diayak kaolinit jumlah kemudian diuapkan padatan komposisi mineral kaolin asal Tatakan, Selatan pH pengadukan kering kembali mesh dan menggunakan FTIR, XRD, SEM dan penentuan luas Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) 140 permukaan spesifik serta harga serapan yang secara umum tidak menunjukkan kapasitas tukar kationnya. perbedaan yang signifikan. Puncak serapan tajam pada daerah HASIL DAN PEMBAHASAN sekitar cm-1 1000 adalah Data spektrogram FTIR dari karakteristik vibrasi ulur dari Si-O. sampel kaolin sebelum dan sesudah Serapan kuat pada daerah 950-1250 purifikasi yang diperiksa memberikan cm-1 adalah vibrasi ulur dari M-O informasi mengenai jenis jenis vibrasi (dimana gugus fungsional pada sampel yang melibatkan gerakan utama dari atom secara oksigen Si-O (Flanigen et al., 1971). tidak langsung juga M = Si atau Sedangkan lempung dan mineral lain dan juga sekitar 1600 dan 3400 cm-1 berturut- adanya senyawa pengotor lain. Jenis- turut adalah serapan untuk jenis vibrasi yang khas tersebut secara tekuk –OH yang terperangkap dalam kualitatif mengindikasikan keberadaan kisi kristal dan vibrasi ulur struktur Puncak serapan dan tingkat pada yang mengindikasikan keberadaan mineral kaolinit serapan Al) daerah vibrasi –OH. di daerah sekitar Spektra FTIR kaolin 3600 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi asal Tatakan sebelum dan sesudah ulur –OH yang memiliki perbedaan purifikasi ditunjukkan pada gambar 1. lingkungan, yaitu –OH yang terikat kemurniannya. Gambar serapan 1 spektra menunjukkan inframerah tiap pada atom Al oktahedral, pada permukaan silikat atau pada antar lapis sampel yang cukup tajam pada daerah silikat. Dari seluruh data puncak- bilangan gelombang di sekitar 500; puncak serapan 1000; 1600; dan 3400 hingga 3600 cm- diperoleh 1 kaolin . Dari kedua spektra inframerah informasi yang tersebut, bahwa diperiksa dapat sampel terdiri dari tersebut dapat diamati bahwa kedua mineral yang memiliki gugus fungsional spektra –OH dan Si-O. dari kaolin menunjukkan Sains dan Terapan Kimia, Vol.4, No. 2 (Juli 2010), 137-149 Dengan demikian 141 dapat disimpulkan bahwa sampel yang mineral silikat kelompok lempung yang dianalisis mineral menyerap air seperti kaolinit, haloisit, Hal ini klorit, smektit (clay) dan ilit. adalah keluarga silikat yang menyerap air. mengarahkan dugaan pada berbagai Gambar 1. Spektra inframerah sampel kaolin Tatakan sebelum purifikasi (Raw Kaolin) dan sesudah purifikasi (Pure Kaolin) Pada spektogram menunjukkan perbedaan adanya serapan pada FTIR purifikasi (Pure Kaolin) yang lebih sedikit ramping dan tajam menunjukkan daerah komposisi yang lebih homogen dari serapan di sekitar 500 cm-1 dan sekitar sampel 1000 cm-1 yang menunjukkan adanya purifikasi (Raw Kaolin). perbedaan lingkungan atau kemurnian sebelum dari kedua sampel. Bentuk serapan pada 1002,98 cm-1 yang merupakan yang kaolin serapan khas dari kuarsa yang pada dimiliki oleh sesudah dibanding kaolin Pada kaolin purifikasi muncul Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) sebelum serapan 142 kaolin sesudah tersebut purifikasi serapn tidak muncul dan bergeser puncak serapan pada daerah 540,07 cm-1 dan cm-1 532,35 merupakan menjadi serapan pada 1010,70 dan serapan hasil vibrasi ulur Si-O-Al (Al 1033,85 cm-1 yang merupakan serapan oktahedral) yang oleh Madejova (2003) khas dari mineral kaolinit (Ekosse, diamati 2005). Hal tersebut menunjukkan Pergeseran puncak serapan ke arah berkurang/hilangnya fraksi kuarsa oleh bilangan gelombang yang lebih tinggi karena proses purifikasi. juga Serapan pada daerah 400-500 pada daerah memperkuat 520 dugaan cm-1. semakin homogennya lingkungan dari mineral cm-1 terjadi sedikit pergeseran puncak silika-alumina serapan ke arah bilangan gelombang langsung menunjukkan berkurangnya yang lebih tinggi dari kaolin sesudah mineral dan senyawa pengotor yang purifikasi dibanding kaolin sebelum ada. purifikasi. muncul Puncak serapan pada daerah 400 cm-1 merupakan serapan hasil vibrasi ulur Si-O yang secara tidak Data puncak serapan yang pada kedua jenis sampel secara detail ditunjukkan pada tabel 1. sedangkan Tabel1. Puncak serapan FTIR kaolin sebelum dan sesudah purifikasi Raw Kaolin Pure Kaolin Teoritis* Keterangan (cm-1) (cm-1) (cm-1) 424,34 432,05 430 Vibrasi Si-O str 462,92 470,63 468 Vibrasi Si-O str 532,35 540,07 537 Vibrasi Si-O-AlIV 694,37 694,37 693 Vibrasi Si-O str 756,10 756,10 752 Vibrasi simetris Si-O-Si 910,40 910,40 912 Vibrasi Al----O-H str 1002,98 1010,70 1010 Vibrasi Si-O1033,85 1032 Vibrasi Si-O1111,00 1111,00 1114 Vibrasi asimetris Si-O-Si 1627,92 1620,21 Vibrasi H-O-H str 3448,72 3448,72 Vibrasi H-O-H str 3618,46 3618,46 3620 Vibrasi OH- (Al---O-H str inter-oktahedral) 3695,61 3695,61 3694 Vibrasi OH- (Al----O-H str) *Ekosse (2005) Sains dan Terapan Kimia, Vol.4, No. 2 (Juli 2010), 137-149 143 Untuk memperkuat dugaan tentang sampel mineralogi sampel kaolin berdasarkan semikuantitatif, hasil mineral analisis menggunakan FTIR kaolin alam. Secara estimasi kelimpahan dilakukan dengan diperlukan data pendukung berupa menggunakan data difraksi sinar-X. Analisis terhadap Lagaly (Amman, 2003). data mampu sinar-X untuk sampel kaolin sebelum memberikan informasi yang lengkap dan sesudah proses purifikasi disajikan mengenai komposisi mineral penyusun pada gambar 2. difraksi sinar-X metode Tributh dan Difraktogram Gambar 2. Difraktogram sinar-X sampel Kaolin alam asal Tatakan sebelum purifikasi (Raw Kaolin) dan sesudah purifikasi (Pure Kaolin) (K=Kaolin; H=Haloisit; Ch=Klorit; Cl=Lempung; Q=Kuarsa; Cr=Kristobalit) menunjukkan sama yaitu di sekitar 2θ (o) = 12,14; perubahan pola difraksi dan intensitas 12,42; 18,91; 19,98; 20,96; 21,38; difraktogram sinar-X untuk kedua jenis 24,09; sampel. Kedua sampel memberikan Puncak-puncak difraksi setiap mineral puncak intensitas difraksi yang hampir lempung adalah khas, sudut difraksi 2θ Gambar 2 25,02; 26,72 Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) dan 35,12. 144 berhubungan dengan bidang kisi kristal mineral yang dianalisis. Identifikasi Analisis terhadap foto SEM yang disajikan pada gambar 3 dan komponen penyusun sampel dilakukan gambar dengan mencocokan harga dhkl yang permukaan ada pad difraktogram sampel dengan morfologi khas kaolin yang berupa harga dhkl mineral yang terdapat pada kelompok Mineral Powder Diffraction File. berlapis untuk kedua sampel. Menurut 4 menunjukaan yang morfologi dominan lembaran dari heksagonal Harga 2θ (o) dan bidang kisi Murray (2000), kristal untuk mineral kaolinit adalah struktur pseudoheksagonal 12,42o (001); untuk lapis dengan ukuran 1-10 µm dengan mineral klorit 6,28o(001); jumlah lembaran tiap lapis sekitas 10 – 24,88o(002); adalah 12,54o(002); 18,90o(003); 25,00o(004); untuk mineral kuarsa kaolin mempunyai berlapis- 50 buah. adalah Pada morfologi kaolin sebelum 20,88o(100); 26,66o(101); untuk mineral purifikasi terlihat jelas adanya mineral clay adalah 19,98o(020); 35,12o(200); kuarsa yang berupa bongkahan cukup untuk kristobalit adalah 22,12o (Amman, besar yang merupakan pengotor dari 2005) dan untuk haloisit adalah 20,00o; mineral sampel, dimana hal tersebut 25,00o yang pada pemanasan pada tidak temperatur 50 oC akan kehilangan air sesudah dan menjadi metahaloisit yang akan menunjukkan memunculkan serapan pada 12,14o kuarsa (Tan, 1982). menunjukkan bahwa proses purifikasi Dari identifikasi yang terjadi pada proses sampel kaolin purifikasi yang hilangnya pada bongkahan sampel yang telah dilakukan, sampel kaolin alam berhasil asal Selatan pengotor pada kaolin alam terutama mineral mineral kuarsa. Pengamatan terhadap kuarsa, klorit dan mineral lain dengan kelimpahan yang Tatakan, menunjukkan kaolinit, haloisit, kristobalit. Kalimantan kelimpahan lebih mengurangi/menghilangkan rendah Sains dan Terapan Kimia, Vol.4, No. 2 (Juli 2010), 137-149 seperti haloisit dan 145 kristobalit tidak selalu berhasil teramati sampel yang dianalisis serta ukuran untuk sampel yang dianalisis. Hal kedua mineral tersebut yang relatif kendala sangat kecil (0,01-1 µm) dibanding tersebut disebabkan oleh pencarian morfologi permukaan khas mineral yang lain (Lee dan Kim, 2002). Gambar 3. Foto SEM sampel kaolin sebelum purifikasi. Kaolin (K) nampak sebagai kelompok lembaran pseudoheksagonal bertumpuk tertutupi klorit. Klorit (Cl) ditunjukan oleh lembaran tipis yang terpisah tidak teratur. Kuarsa (Q) ditujukkan berupa bongkahan cukup besar Gambar 4. Foto SEM sampel kaolin sesudah purifikasi. Kaolin (K) nampak sebagai kelompok lembaran pseudoheksagonal bertumpuk Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) 146 Meskipun secara cukup jelas dugaan secara komposisi mineral penyusun utama perhitungan kaolin Tributh alam Tatakan telah dapat semikuantitif dilakukan menggunakan dan Lagaly seperti metode yang dijelaskan menggunakan analisis foto dilakukan oleh Amman (2003) dengan SEM seperti yang telah dilaporkan oleh memanfaatkan data intensitas difraksi Murray sinar-X yang karakteristik untuk tiap SEM (2000) yang untuk berbagai mengkaji jenis memperkirakan Komposisi relatif (% berat) menggunakan morfologi lempung, komposisi untuk mineral, yang hasilnya disajikan pada gambar 5. mineral 80 70 60 50 Raw Kaolin 40 Pure Kaolin 30 20 10 0 Kaolinit Haloisit Klorit Kuarsa Kristobalit M ineral Gambar 5. Untuk Analisis semikuantitatif komposisi kelimpahan mineral pada sampel kaolin Tatakan (Kalimantan Selatan) dihitung berdasar data XRD menggunakan metode Tributh dan Lagaly komposisi sinar-X, yang hasilnya disajikan pada mineral secara semikuantitif dilakukan gambar 5. Gambar 5 memberikan perhitungan metode informasi komposisi relatif yang penyusun setiap sampel Tributh memperkirakan dan menggunakan Lagaly seperti mineral yang dilakukan oleh Amman (2003) dengan dianalisis. Mineral kaolinit merupakan memanfaatkan data intensitas difraksi komponen Sains dan Terapan Kimia, Vol.4, No. 2 (Juli 2010), 137-149 dengan kelimpahan 147 terbesar untuk kedua jenis sampel Data pada tabel 2 tentang hasil diikuti oleh kelimpahan haloisit, kuarsa, pengukuran luas permukaan spesifik klorit dan kristobalit. Proses purifikasi dan volume pori dan KTK dari kaolin yang dilakukan mampu meningkatkan sebelum dan sesudah proses purifikasi kandungan secara menunjukkan peningkatan harga luas mampu permukaan, volum total pori serta menurunkan kandungan mineral klorit harga kapasitas tukar kation yang serta kuarsa dalam sampel kaolin. cukup Proses purifikasi purifikasi dabanding sebelum purifikasi. perbedaan laju cukup mineral signifikan kaolinit serta berdasarkan sedimentasi besar dari kaolin sesudah cukup efektif untuk memisahkan fraksi kaolin alam. Tabel 2. Hasil pengukuran luas permukaan spesifik dan volume pori dan KTK dari kaolin sebelum dan sesudah proses purifikasi Luas permukaan Volume total KTK Sampel Kaolinit (%) spesifik (m2/g) pori (10-3 cm3/g) (meq/100 g) Raw Kaolin 53,36 29,56 9,22 7,93 Pure Kaolin 73,03 38,70 12,21 10,47 Jika diamati lebih lanjut, persentase mineral kaolin alam sangat ditentukan perubahan oleh fraksi kaolinit yang ada sebagai harga luas permukaan spesifik, volume total pori dan harga mineral yang paling dominan. KTK ternyata berbanding lurus dengan kapasitas tukar kation yang semakin persentase meningkat perubahan komposisi seiring Harga dengan mineral kaolinit yang terdapat pada meningkatnya komposisi kaolinit dapat sampel yaitu sekitar 30 - 35%. Hal dijelaskan karena mineral kaolinit dapat tersebut mengindikasikan bahwa luas mempunyai muatan negatif terutama permukaan spesifik, volume total posi dari sumbangan sisi tepi (edge) yang dan proses pertukaran kation pada mampu mengikat kation, sedangkan Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi) 148 mineral klorit, kuarsa dan kristobalit tidak dapat menukarkan kation karena Dombrowski, T., 2000. The origin of kaolinite. Implication In: utilization. muatan permukaannya yang hampir netral. Carty, for W.M., Sinton, C.W. (Eds.), Science of white wares II. American Ceramic Society, Westerville, OH, pp. 3–12. KESIMPULAN Ekosse, G.E., 2000. The Makoro kaolin Hasil analisis terhadap kaolin sebelum dan sesudah proses purifikasi deposit, southeastern Botswana: its genesis and possible industrial application. menggunakan spektroskopi FTIR, difraksi sinar-X, SEM dan BET serta penentuan harga KTK secara jelas Appl. Clay Sci., 16 (5-6) 301320 Ekosse, G.E., 2005. Fourier Transform Infrared Spectrophotometry and mampu mengkonfirmasi sampel mineral lempung alam asal Tatakan, Kalimantan Selatan merupakan X-ray powder Diffractometry as Complementary Technique in characterizing Clay size fraction of Kaolin. J. Appl. Sci. Enviro. lempung jenis kaolin dengan fraksi terbesar berupa mineral Proses purifikasi yang kaolinit. dilakukan Mgt 9 (2), 43-48 Flanigen, E.E., Khatami, H., Szymanski, H.A., Infrared Structural Studies of Zeolite Framework Molecule dengan metode sedimentasi mampu meningkatkan persentase mineral kaolinit, permukaan spesifik, luas Sieve Society Zeolite I, Amerrican Adv. In Chemistry Series No. 10, Washington, 291-297 volume total pori serta harga kapasitas tukar kation sekitar 30 – 35%. DAFTAR PUSTAKA Lagaly, G., 2006, Colloid clay science, dalam: Handbook of Clay Science, Development in Clay Science, vol.1. Eds. Bergaya, F., Theng, B.K.G., and Lagaly, G., Elsevier., Netherlands Lee, S.Y., dan Kim, S.J., 2002, Amman, L., 2003. Cation exchange Adsorption of naphthalene by and adsorption on clays and clay HDTMA modified kaolinite and minerals. halloysite, Appl. Clay Sci., 22, Dissertation, Kiels University 55-63 Sains dan Terapan Kimia, Vol.4, No. 2 (Juli 2010), 137-149 149 Madejova, J., 2003. FTIR Technique in Clays Mineral Studies, Slovac Academy of Science, Slovakia, general overview, Appl. Clay Sci., 17, 207-221. Tan, K.H., 1995, Dasar-Dasar Kimia Tanah, Edisi 4, Gadjah Mada 31, 1-10 Murray H. H., 1986, Clays. In: Ullman’s encyclopedia of University Press., Yogyakarta. industrial th chemistry. 5 Edition. 109-136 Murray, H.H., 2000, Traditional and new applications for kaolin, smectit, and polygorskite: A Kajian Spektroskopi FTIR, XRD dan SEM Kaolin Alam... (Sunardi)