JURNAL SAINS DAN SENI Vol. x, No. x, (2013) 1-4 1 Pengaruh Konsentrasi NaOH/Na2CO3 Pada Sintesis CaOMgO Menggunakan Metode Kopresipitasi Yanis Febri L, Didik Prasetyoko Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] Abstrak—Sintesis oksida campuran CaOMgO telah berhasil dilakukan menggunakan metode kopresipitasi dengan variasi konsentrasi larutan NaOH/Na2CO3. Hasil endapan oksida campuran CaOMgO dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X dan analisis pola difraksi dengan program Rietica, spektroskopi inframerah dan SEM-EDX. Analisis XRD menunjukkan bahwa sampel hasil sintesis diketahui Berdasarkan hasil sebagai CaO, MgO dan CaCO3. perhitungan menggunakan program Rietica menunjukkan bahwa komposisi fase pada CaO semakin menurun dan MgO semakin meningkat dengan meningkatnya konsentrasi larutan NaOH/Na2CO3. Perkiraan ukuran partikel dengan program Rietica, menghasilkan ukuran CaO > MgO. Analisis FT-IR menunjukkan kelima sampel CaOMgO mudah terhidrasi dan terkarbonasi. Analisis SEM-EDX menunjukkan persebaran partikel Ca dan Mg telah merata. KataKunci—.Konsentrasi Kopresipitasi P NaOH/Na2CO3, CaOMgO, I. PENDAHULUAN ADA beberapa tahun ini, pemanasan global merupakan masalah serius yang memiliki dampak negatif bagi manusia. Pemanasan global disebabkan oleh adanya pelepasan karbon dioksida akibat pembakaran oleh bahan bakar minyak. Oleh karena itu, solusi yang diberikan untuk mengurangi pemanasan global yang ditimbulkan dari pelepasan karbon dioksida ke atmosfer ialah menggantikan bahan bakar fosil menjadi bahan bakar bebas karbon dioksida seperti biodiesel (Umdu dkk, 2009). Penelitian yang telah dilakukan oleh Taufiq-Yap dkk. (2011) menunjukkan bahwa aktivitas katalitik dari katalis CaOMgO lebik baik daripada katalis CaOZnO pada reaksi transesterifikasi minyak jarak. Hal tersebut dapat dilihat dari yield metil ester yang dihasilkan pada sampel biodiesel katalis CaOMgO dan CaOZnO masing-masing sebesar 83% dan 81%. Kondisi reaksi yang digunakan pada reaksi transesterifikasi menggunakan katalis CaOMgO dan CaOZnO sama, yaitu rasio molar minyak metanol 1:15, jumlah katalis 4% dari berat minyak, suhu reaksi 65° C dan waktu reaksi selama 6 jam (Taufiq-Yap dkk., 2011b). Oleh karena itu, penelitian ini mempelajari tentang sintesis katalis CaOMgO. Metode yang sering digunakan dalam sintesis katalis CaOMgO ialah metode kopresipitasi dan solid state. Namun metode solid state memiliki kekurangan yaitu memerlukan waktu yang lama untuk sintesis dan ukuran partikel yang tidak seragam. Oleh karena itu, digunakan metode kopresipitasi pada penelitian ini karena menghasilkan ukuran partikel yang lebih homogen dan stokhiometri yang lebih baik. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menentukan kondisi optimum pada proses sintesis CaOMgO dengan metode kopresipitasi. Taufiq-Yap dkk. (2011a) melaporkan bahwa kondisi optimum yang didapatkan untuk menghasilkan katalis dengan aktivitas katalitik yang tinggi ialah dengan mengunakan rasio molar Ca/Mg sebesar 1 : 2. Maka dari itu, kondisi optimum rasio molar Ca/Mg pada penelitian ini digunakan sesuai dengan Taufiq-Yap dkk. (2011a). Kondisi optimum dalam sintesis katalis CaOMgO dengan metode kopresipitasi juga dipengaruhi oleh konsentrasi agen pengendap. Agen pengendap yang digunakan dalam penelitian ini ialah larutan NaOH/Na2CO3. Variasi konsentrasi agen pengendap dimaksudkan untuk memperoleh hasil endapan CaOMgO yang banyak. Semakin tinggi konsentrasi larutan NaOH/Na2CO3, maka semakin tinggi pula pH larutannya. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Limmanee dkk. (2013) Ca2+ dan Mg2+ lebih mudah mengendap pada pH tinggi. Oleh karena itu, studi mengenai variasi konsentrasi agen pengendap pada penelitian ini dimaksudkan untuk mempelajari pengaruh konsentrasi agen pengendap terhadap endapan CaOMgO yang dihasilkan. II. URAIAN PENELITIAN 2.1 Sintesis Oksida Campuran CaOMgO Oksida campuran CaOMgO disintesis dengan metode kopresipitasi yang telah dilakukan Taufiq-Yap dkk. (2011b) dalam sintesis oksida campuran dari CaOMgO dan CaOZnO. Sintesis CaOMgO menggunakan prekursor nitrat, dengan perbandingan molar Ca/Mg sebesar 1/2. Larutan NaOH dan Na2CO3 didapatkan dengan cara melarutkan padatan NaOH dan serbuk Na2CO3 ke dalam aqua demineralisasi hingga 100 mL. Sintesis campuran oksida CaOMgO dilakukan dengan metode kopresipitasi. Pada awalnya 6,4075 g Mg(NO3)2·6H2O dilarutkan beberapa mL aqua demineralisasi kemudian diencerkan hingga 250 mL, sehingga diperoleh larutan Mg(NO3)2 0,1 M. Sementara itu larutan Ca(NO3)2 0,1 M dibuat dengan melarutkan 2,3609 g Ca(NO3)2·4 H2O dalam aqua demineralisasi, kemudian diencerkan hingga 100 mL. Sebanyak 160 mL larutan Mg(NO3)2 0,1 M dicampur dengan 80 mL Ca(NO3)2 0,1 M dan dipanaskan pada suhu 65°C serta diaduk selama 12 jam. Kemudian ditambahkan 50 mL NaOH 0,15 M dan 50 mL Na2CO3 0,15 M , penambahan ini dilakukan tetes demi tetes. Campuran disaring dan padatan yang diperoleh dicuci dengan aqua demineralisasi. Prosedur yang sama diulangi dengan mengubah konsentrasi agen pengendap dengan variasi konsentrasi yaitu 0,0375; 0,056; 0,075; 0,1125 dan 0,15M (sampel CM-1, CM-2, CM-3, CM-4 dan CM-5). Setelah itu padatan dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama 12 jam dan dilakukan kalsinasi pada suhu 800°C selama 6 jam untuk menghilangkan residu organik. 2.2 Sintesis CaO dan MgO Pada penelitian ini juga dilakukan sintesis CaO dan MgO. CaO disintesis dengan mencampur 250 mL Ca(NO3)2 0,04 M, 100 mLNaOH 0,075 M dan 100 mL Na2CO3 0,075 M dalam pelarut aqua demineralisasi, sedangkan MgO disintesis dengan mencampurkan 250 mL Mg(NO3)2 0,04 M, 100 mL NaOH 0,075 M dan100 mL Na2CO3 0,075 M dilarutkan dalam pelarut aqua demineralisasi. Masing-masing campuran dipanaskan pada suhu 65°C dan diaduk selama 12 jam. Campuran disaring dan padatan yang diperoleh dicuci dengan aqua demineralisasi serta dikeringkan dalam oven pada suhu 105°C selama 12 jam dan dilakukan kalsinasi pada suhu 800°C selama 6 jam. JURNAL SAINS DAN SENI Vol. x, No. x, (2013) 1-4 III. HASIL DAN DISKUSI Tabel 4 3.1 Sintesis Oksida Campuran CaOMgO Sintesis CaOMgO dilakukan sesuai metode TaufiqYap dkk. (2011a) dengan metode kopresipitasi dan perbandingan molar Ca/Mg sebesar 1:2. Prekursor yang digunakan adalah garam nitrat dari kalsium dan magnesium. Penelitian ini dilakukan dengan modifikasi variasi konsentrasi agen pengendap larutan NaOH/Na2CO3. Penggunaan variasi konsentrasi agen pengendap dimaksudkan untuk mengetahui konsentrasi optimal dimana endapan CaOMgO yang terbentuk. Sintesis campuran oksida CaOMgO diawali dengan melarutkan prekursor Ca(NO3)2·4H2O dan Mg(NO3)2·6H2O kedalam pelarut aqua demineralisasi. Variasi konsentrasi agen pengendap larutan NaOH/Na2CO3 pada penelitian ini adalah 0,0375; 0,056; 0,075; 0,1125 dan 0,15M. Sintesis dilakukan dengan mencampurkan larutan kalsium nitrat 0,1 M dengan magnesium nitrat 0,1 M menggunakan perbandingan molar Ca/Mg sebesar 1:2 disertai pengadukan 500 rpm pada suhu 65°C. Pengadukan 500 rpm ini bertujuan agar larutan Ca(NO3)2 dan Mg(NO3)2 dapat tercampur secara homogen. Fungsi digunakan suhu 65°C adalah untuk mendapatkan ukuran partikel yang kecil (Taufiq-Yap dkk., 2011b). Larutan NaOH/Na2CO3 selanjutnya dimasukkan kedalam campuran oksida tetes demi tetes agar tidak terjadi penggumpalan secara mendadak. Penambahan larutan NaOH/Na2CO3 dilakukan hingga didapatkan larutan jenuh. Hal ini dapat dilihat dengan adanya perubahan warna dari larutan yang sebelumnya jernih menjadi berwarna keruh. Reaksi pada proses koprespitasi dapat dilihat pada Persamaan 3.1 (Salomao dkk., 2011). 2 3.1 Hubungan konsentrasi NaOH/Na2CO3 pada kelima sampel CaOMgO terhadap pH dan endapan CaOMgO Konsentrasi Massa Sampel NaOH/Na2CO3 pH CaOMgO (M) (gram) CM-1 0,0375 7-8 0,0854 CM-2 0,056 8 0,1118 CM-3 0,075 8-9 0,1680 CM-4 0,1125 10 0,3099 CM-5 0,15 10 0,4651 3.3 Difraksi Sinar-X (XRD) Karakterisasi menggunakan XRD dilakukan untuk mengetahui kandungan fase-fase dari endapan CaOMgO pada berbagai konsentrasi agen pengendap. Pengukuran XRD dilakukan pada 2θ dari 20-60°. Gambar 3.1 merupakan hasil difraktogram XRD dari kelima sampel CaOMgO pada berbagai variasi konsentrasi larutan agen pengendap NaOH/Na2CO3, CaO sintesis dan MgO sintesis. Sementara itu, sudut dan intensitas dari puncak-puncak yang muncul ditampilkan pada Tabel 3.2. 2Ca(NO3)2(aq) + 2Mg(NO3)2(aq) + 4NaOH(aq) + 2Na2CO3(aq) Ca(OH)2(s) + Mg(OH)2(s)+CaCO3(s)+MgCO3(s)+ 8NaNO3(aq) (3.1) Ca(OH)2(s) + Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) + MgCO3(s) 2CaO(s) + 2MgO(s) + 2H2O(g) + 2CO2(g) (3.2) 3.2 Pengaruh Variasi Konsentrasi Agen Pengendap (NaOH/Na2CO3) Terhadap pH dan Jumlah Endapan Variasi konsentrasi agen pengendap NaOH/Na2CO3 berpengaruh pada derajat keasaman (pH) yang dihasilkan. Natrium hidroksida dan natrium karbonat tidak hanya berperan sebagai agen pengendap tetapi juga pengatur pH. Variasi konsentrasi agen pengendap NaOH/Na2CO3 yang digunakan pada sintesis CaOMgO adalah 0,0375; 0,056; 0,075; 0,1125 dan 0,15M (sampel CM-1, CM-2, CM-3, CM-4 dan CM-5). Tabel 3.1 menunjukkan hubungan antara konsentrasi NaOH/Na2CO3 pada kelima sampel CaOMgO terhadap pH dan endapan CaOMgO. Berdasarkan tabel tersebut didapati bahwa semakin tinggi konsentrasi agen pengendap pada kelima sampel CaOMgO, maka pH yang dihasilkan juga semakin tinggi. Gambar 4 Konsentrasi sangat berpengaruh dengan pH. Semakin tinggi Pola di konsentrasi larutan, maka konsentrasi OH- dari larutan NaOH juga semakin meningkat, sehingga pH larutan meningkat (Chen dkk., 2012). Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Limmanee dkk. (2013), Ca2+ dan Mg2+ lebih suka mengendap pada pH tinggi. Heraldy dkk. (2012) juga melaporkan bahwa kestabilan dalam sintesis oksida campuran CaOMgO paling tinggi adalah pada pH basa. Hasil yang sama juga dilaporkan oleh Tsai dkk, (2010) yang melaporkan bahwa sintesis magnesium hidroksida (Mg(OH)2) dengan metode kopresipitasi menunjukkan adanya pengaruh konsentrasi dari agen pengendap larutan NaOH, dimana dalam sintesis tersebut pH dikontrol antara 8,5-12. Semakin besar konsentrasi NaOH yang digunakan, maka tingkat kebasaan akan semakin besar dan didapatkan endapan yang semakin besar (Tsai dkk., 2010). Oleh karena itu, peningkatan konsentrasi agen pengendap akan mempengaruhi pH larutan dan endapan yang dihasilkan (Tabel 3.1). Gambar 3.1 Pola difraksi sinar-X dari sampel CaO sintesis (a), MgO sintesis (b), CM-1 (c), CM-2 (d), CM-3 (e), CM-4 (f) dan CM-5 (g) [Ket : (*) : CaO, (o)MgO , □) ( : CaCO 3 ,(#) : Ca(OH)2] Gambar 3.1 (a) merupakan pola difraktogram XRD dari CaO sintesis. Puncak-puncak yang muncul pada 2θ = 32,2°; 37,3° dan 53,8° mengindikasikan fase dari CaO. Puncak CaCO3 muncul pada 2θ = 29,4°, sedangkan puncak-puncak Ca(OH)2 muncul pada 2θ = 34,1°, 47,1° dan 50,7°. Hasil yang serupa juga telah dilaporkan oleh Granados dkk. (2007). Gambar 4.1 (b) menunjukkan pola difraktogram XRD MgO sintesis. Puncak-puncak yang muncul pada 2θ = 36,8° dan 42,9° merupakan puncak-puncak dari MgO (Phillipp dkk., 1992). Sementara itu, pola difraktogram XRD dari sampel CM-1, CM2, CM-3, CM-4 dan CM-5 dapat dilihat pada Gambar 4.1 (c) sampai (e). Berdasarkan gambar tersebut, puncak yang muncul pada kelima sampel CaOMgO berada pada 2θ yang sama. Puncak-puncak yang muncul pada 2θ = 32,2°, 37,3° dan 53,8° JURNAL SAINS DAN SENI Vol. x, No. x, (2013) 1-4 merupakan karakteristik puncak dari CaO (Granados dkk., 2007). Selain itu, puncak-puncak dari MgO dan CaCO3 masingmasing muncul pada 2θ = 42,9° dan pada 2θ = 29,4° (Wang dkk., 2012). Puncak karakteristik CaO dan MgO sesuai dengan database JCPDS file No. 37-1497 dan database JCPDS file No.4-0829. Berdasarkan pola difraktogram XRD dari kelima sampel CaOMgO pada berbagai jenis konsentrasi agen pengendap dapat disimpulkan bahwa katalis oksida campuran CaOMgO telah berhasil disintesis. Hasil ini sesuai dengan CaOMgO yang telah dilaporkan oleh Albuquerque dkk. (2009). 3.4 Hasil Penghalusan Rietveld Pola Difraksi Analisis pola difraksi ini menggunakan perangkat lunak Rietica dengan metode Rietveld. Langkah awal sebelum menggunakan metode ini adalah dengan identifikasi fase yang terdapat pada data terukur menggunakan bantuan perangkat lunak (search and match) yang berisi data kristalografi. Hal ini dapat dilihat dengan ada tidaknya puncak yang terukur yang belum termodelkan. Oleh karena itu, parameter-parameter dalam model terhitung diperhalus dengan metode Rietveld. Fase yang muncul pada sampel CaOMgO dimungkinkan muncul sebagai fase CaO, CaCO3 dan MgO. Melalui hasil penghalusan dengan Rietica kelima sampel CaOMgO sesuai dengan puncakpuncak yang dimodelkan oleh data ICSD no. 75785 untuk senyawa CaO, data ICSD no.16710 untuk CaCO3 dan data ICSD no.104844 untuk MgO. Setelah dilakukan penghalusan menggunakan Rietica terdapat kecocokan antara data terhitung dan data terukur. Salah satu contoh hasil penghalusan melalui perangkat lunak Rietica pada sampel CM-1 dapat dilihat pada Gambar 4.2. Gambar tesebut menunjukkan adanya pola difraksi terukur yang ditandai (+) dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan garis lurus. Kurva paling bawah adalah plot selisih antara pola difraksi terukur dengan pola difraksi terhitung. Fluktuasi selisih (difference plot) yang ditunjukkan pada garis di bawah kedua model pada Gambar 3.2 juga kecil, yang menunjukkan bahwa proses penghalusan berhasil. 3 Pita yang tajam dan lebar pada bilangan gelombang 1411 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur dari ikatan O-C-O unidentat pada permukaan CaO (Verziu dkk., 2011). Pita yang tajam pada bilangan gelombang 875 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur dari gugus karbonat. Oleh karena kelima sampel CaOMgO menunjukkan adanya gugus karbonat dan hidroksil, maka sampel oksida campuran CaOMgO mudah mengalami proses karbonasi dan hidrasi ketika berinteraksi dengan udara (Granados dkk., 2007). Gambar 3.3 Spektra FT-IR dari sampel CM-1 (a), CM-2 (b), CM-3 (c), CM-4 (d) dan CM-5 (e) IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulan bahwa variasi konsentrasi larutan NaOH/Na2CO3 mempengaruhi hasil endapan CaOMgO yang diperoleh. Selain itu semakin tinggi konsentrasi NaOH/Na2CO3, kandungan CaO semakin menurun dan kandungan MgO semakin meningkat. UCAPAN TERIMA KASIH Gambar 3.2 Hasil penghalusan dengan perangkat lunak Rietica difaktogram CM-1 3.5 Spektroskopi Inframerah Karakterisasi menggunakan spektroskopi inframerah pada kelima sampel CaOMgO dilakukan untuk mengidentifikasi gugus fungsi dari CaOMgO. Karakterisasi FT-IR dilakukan pada bilangan gelombang 4000-400 cm-1. Gambar 3.3 merupakan spektra FT-IR dari sampel CaOMgO dengan variasi konsentrasi agen pengendap NaOH/Na2CO3. Berdasarkan spektra FT-IR yang ditunjukkan pada Gambar 3.3, terdapat beberapa pita serapan yang intens di daerah bilangan gelombang sekitar 3640, 3470, 1400, 875 dan 400 cm-1. Pita yang tajam pada bilangan gelombang 3640 cm-1 merupakan vibrasi ulur gugus OH dari Ca(OH)2. Sementara itu, pita lebar pada bilangan gelombang sekitar 3470 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur gugus OH dari H2O dan pita kecil pada bilangan gelombang 1627 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi tekuk gugus OH dari H2O. Hal tersebut mengindikasikan adanya air yang terabsorb pada permukaan sampel, yang selanjutnya mengindikasikan bahwa sampel mengalami proses hidrasi dengan cepat (Granados dkk., 2007). Penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Allah SWT yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang yang selalu memberikan ilmu, rahmat dan kasih sayang-Nya, 2. Orang tua dan keluarga tercinta atas segala doa dan dukungannya, 3. Semua dosen Jurusan Kimia dan staff atas segala bimbingan dan bantuannya, 4. Semua sahabatku seperjuangan angkatan 2009 atas segala doa, bantuan, semangat dan kerjasamanya. DAFTAR PUSTAKA [1] Alburquerque, M. C.G., Azevedo, Diana, C.S., Cavalcante Jr, Celio,L., Santamaria-Gonzales, J., Merida-Robles, J, M., Moreno-Tost, R ., Rodriguez-Castellon, E., JimenezLopez, A. dan Maireles-Tost, R. 2009. “Transesterification of Ethyl Butyrate with Methanol using MgO/CaO Catalyst”. Journal of Molecul Catalysis A: Chemical 300, 19-24 JURNAL SAINS DAN SENI Vol. x, No. x, (2013) 1-4 [2] Chang, K.S., Song, H., Park, Yong-Sung dan Woo, JeWan. 2004. “Analysis of N2O Decomposition over Fixed Bed Mixed Metal Oxide Catalysts Made from Hydrotalcite-Type Precursors. 2004. Applied Catalysis A : General 273, 223-231 [3] Chen, Ching-Lung ., Huang, Chien-Chang., Trandang-Thuan . dan Chang, Jo-Shu. 2012. “Biodiesel SynthesisVia Heteregeneous Catalysis using Modified Strontium Oxides as the Catalysts”. Bioresource Technology 113, 8-13 Granados, M.L., Poves, M.D.Z., Alonso, D.M., Mariscal, R., Galisteo, F.C., Moreno-Tost, R., Santamaría, J. dan Fierro, J.L.G. 2007. “Biodiesel from Sunflower Oil by using Activated Calcium Oxide”. Applied Catalysis B: Environmental 73, 317–326. Limmanee, Sasipim., Thikumporn, Naree., Bunyakiat, K. dan Ngamcharussrivichai, C. 2013. “Mixed Oxide of Ca, Mg and Zn as Heterogeneous Base Catalysts for The Synthesis of Palm Kernel Oil Methyl Esters”. Chemical Engineering Journal 225, 616-624 Ngamcharussrivichai, C., Totarat, P. dan Bunyakiat, K. 2008. “Ca and Zn Mixed Oxide as a Heterogeneous Base Catalyst for Transesterification of Palm Kernel Oil”. Applied Catalysis A: General 341, 77–85 Salomao, R., Milena, L.M., Wakamatsu, M.H dan Pandolfelli, V.C. 2011. “ HydrotalciteSynthesis Via Co-precipitation Reactions using MgO and Al(OH)3Precursors”. Ceramic International 37, 3063-3070 Taufiq-Yap, Y.H., Lee H.V., Yunus, R dan Juan, J.C. 2011.”Transesterifiation of Non-Edible Jatropha Curcas Oil to Biodiesel Using Binary Ca-Mg Mixed Oxide Catalyst: Effect of stoichometric composition”. Chemical Engineering Journal 178, 342-347 Taufiq-Yap, Y.H., Lee, H.V., Hussein, M.Z., Yunus, R. 2011. “Calcium-based mixed oxide catalysts for methanolysis of Jatropha curcas oil to biodiesel”, Biomass and Bioenergy 35, 827-834. Umdu, Selahattin., Emin, Tuncer, dkk., 2009. “Transesterification of Nannochloropsis Oulata Microalga’s Lipid to Biodiesel on Al2O3Supported CaO and Mgo Catalysts”. Bioresource Technology 100, 2828-2831 Wang, J.A., Novaro, O., Bokhimi, X, dkk. 1998. “Characterization of The Thermal Decomposition of Brucite Prepared by sol-gel Technique for Synthesis of Nanocrystalline MgO”. Material Letters, 35, 317-323 [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] 4