FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KAPASITAS ADSORPSI CO 2. Roza Adriany

Transkripsi

1 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KAPASITAS ADSORPSI PADA ZEOLIT Roza Adriany Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi LEMIGAS ; S A R I Karbondioksida ( ) termasuk ke dalam kelompok gas rumah kaca (GRK) disamping Metana (CH 4 ), Dinitro Oksida (N 2 O), Hidrofluorokarbon (HFC), Perfluorokarbon (PFC), dan Sulfur Heksafluorida (SF 6 ) Jenis GRK yang memberikan sumbangan paling besar bagi emisi gas rumah kaca adalah Karbondioksida, Metana, dan Dinitro Oksida Gas-gas tersebut sebagian dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi dan batubara) untuk keperluan industri, transportasi dan pembangkit listrik Beberapa metode penangkapan telah banyak dikembangkan seperti : distilasi cryogenic, pemurnian menggunakan membran, absorpsi dengan cairan, dan adsorpsi menggunakan padatan Salah satu metode yang dapat digunakan yaitu penangkapan dengan adsorben seperti zeolit Kapasitas adsorpsi pada zeolit merupakan hal penting disamping kemampuan regenerasi zeolit Kapasitas adsorpsi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu : kebasaan ; kekuatan polarisasi, distribusi, ukuran dan jumlah kation yang dapat dipertukarkan ; rasio Si/Al ; pengaruh ukuran pori ; karakteristik adsorbat seperti polaritas adsorbat, dimensi adsorbat, pembentukan karbonat pada adsorpsi, adanya air pada adsorpsi dan pengaruh tekanan dan suhu adsorpsi Tulisan ini menjelaskan mengenai faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas adsorpsi pada zeolit dan diharapkan dapat dijadikan sebagai salah satu acuan dalam penelitian dan pengembangan zeolit alam Indonesia sebagai penyerap dari sumber industri, transportasi, dan pembangkit listrik Kata kunci: adsorben, adsorpsi, desorpsi, zeolit 1 PENDAHULUAN Pemanasan global atau Global Warming adalah adanya proses peningkatan suhu rata-rata atmosfer, laut, dan daratan Bumi Suhu ratarata global pada permukaan Bumi telah meningkat 074 ± 018 C (133 ± 032 F) selama seratus tahun terakhir Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) menyimpulkan bahwa, "sebagian besar peningkatan suhu rata-rata global sejak pertengahan abad ke-20 kemungkinan besar disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi gasgas rumah kaca akibat aktivitas manusia melalui efek rumah kaca Model iklim yang dijadikan acuan oleh proyek IPCC menunjukkan suhu permukaan global akan 76 M&E, Vol 9, No3, September 2011

2 meningkat 1,1 hingga 6,4 C (2,0 hingga 11,5 F) antara tahun 1990 dan 2100 Perbedaan angka perkiraan itu disebabkan oleh penggunaan skenario-skenario berbeda mengenai emisi gas-gas rumah kaca di masa mendatang, serta model-model sensitivitas iklim yang berbeda Walaupun sebagian besar penelitian terfokus pada periode hingga 2100, pemanasan dan kenaikan muka air laut diperkirakan akan terus berlanjut selama lebih dari seribu tahun walaupun tingkat emisi gas rumah kaca telah stabil Ini mencerminkan besarnya kapasitas panas dari lautan Meningkatnya suhu global diperkirakan akan menyebabkan perubahan-perubahan yang lain seperti naiknya permukaan air laut, meningkatnya intensitas fenomena cuaca ekstrem, serta perubahan jumlah dan pola presipitasi Akibat-akibat pemanasan global yang lain adalah terpengaruhnya hasil pertanian, hilangnya gletser, dan punahnya berbagai jenis hewan Metode penangkapan dalam rangka mengurangi kadar yang dilepas ke udara telah banyak dilakukan Secara umum ada 4 metode utama memisahkan dari gas-gas ringan lain yaitu : distilasi cryogenic, pemurnian menggunakan membran, absorpsi dengan cairan dan adsorpsi menggunakan padatan Pemisahan gas melalui adsorpsi selektif pada media padat sudah diketahui dimana penyerapan dapat terjadi melalui adsorpsi fisika yang lemah atau melalui interaksi adsorpsi kimia yang kuat Adsorben padat ini dapat digunakan kembali melalui proses adsorpsi dan desorpsi yang disebabkan perubahan tekanan dan suhu Salah satu adsorben padat yang dapat digunakan untuk menangkap adalah zeolit Zeolit adalah senyawa kimia alumino-silikat berhidrat dengan kation natrium, kalium, barium, kalsium, magnesium dan lain-lain Secara umum, Zeolit memiliki melekular sruktur yang unik, dimana atom silikon dikelilingi oleh 4 atom oksigen sehingga membentuk semacam jaringan dengan pola yang teratur Di beberapa tempat di jaringan ini, atom Silikon digantikan dengan atom Aluminium, yang hanya terkoordinasi dengan 3 atom Oksigen Atom Aluminium ini hanya memiliki muatan 3+, sedangkan Silikon sendiri memiliki muatan 4+ Keberadaan atom Aluminium ini secara keseluruhan akan menyebabkan Zeolit memiliki muatan negatif Muatan negatif inilah yang menyebabkan Zeolit mampu mengikat kation Kapasitas adsorpsi zeolit menyerap bergantung pada beberapa faktor meliputi : ukuran dan bentuk pori, kekuatan polarisasi, distribusi dan jumlah kation dalam struktur pori, rasio Si/Al, polaritas dan ukuran molekul yang diadsorpsi, pengaruh adanya air dan gas lain, adanya karbonat di permukaan zeolit dan kondisi operasi seperti tekanan dan suhu Tulisan ini menjelaskan mengenai karakteristik zeolit alam sebagai penangkap dan faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas adsorpsi pada zeolit dan diharapkan dapat dijadikan sebagai salah satu acuan dalam penelitian dan pengembangan zeolit alam Indonesia sebagai penyerap dari sumber industri, transportasi, dan pembangkit listrik 2 PEMBAHASAN 21 Karakteristik Zeolit Alam Sebagai Penangkap Zeolit alam adalah mineral yang diperoleh langsung dari alam merupakan senyawa aluminosilikat terhidrasi yang memiliki kerangka struktur tiga dimensi (3D), dibangun oleh susunan berkala tetrahedral TO4 (T= Si atau Al), mikroporous, dan berbentuk padatan kristalin dengan kandungan utama Silikon, Aluminium, dan Oksigen serta mengikat sejumlah tertentu molekul air di dalam porinya Senyawaan kristal dengan sruktur tiga dimensi ini mempunyai rongga-rongga teratur yang saling berhubungan, membentuk saluran ke segala arah dimana molekul-molekul dengan ukuran yang sesuai seperti, air dan kation Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kapasitas Adsorpsi ; Roza Adriany 77

3 logam yang dapat dipertukarkan (Li +, Na +, K +, Ca 2+, Ba 2+, Cu 2+, Zn 2 +, Mg 2+ dan lain-lain) dapat masuk ke dalamnya Adanya atom Aluminium dalam bahan penyaring molekul berbasis silikat ini menyebabkan rangka zeolit bermuatan negatif dan muatan ini dinetralkan oleh adanya kation yang dapat dipertukarkan yang terdapat dalam ruang pori zeolit Karakteristik struktur zeolit seperti ini memungkinkan mereka untuk mengadsorpsi sebagian besar molekul gas termasuk gas asam seperti Proses physisorption umumnya mendominasi adsorpsi pada zeolit, walaupun sebagian kecil terjadi proses chemisorpsi dalam bentuk karbonat atau karboksilat Physisorption dipengaruhi oleh muatan listrik yang ditimbulkan oleh kation penyeimbang muatan yang ada dalam pori dan oleh ikatan hidrogen dengan permukaan gugus silanol Ini menunjukkan bahwa sifat-sifat adsorpsi pada zeolit dipengaruhi oleh kandungan Aluminium yang menentukan jumlah kation penyeimbang bermuatan dalam struktur zeolit 22 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kapasitas Adsorpsi Pada Zeolit 221 Kebasaan Sifat basa zeolit disebabkan oleh adanya kation-kation dalam pori dimana kekuatan basa meningkat dengan meningkatnya sifat elektropositif kation yang dapat dipertukarkan Kekuatan basa kation zeolit dari logam golongan IA meningkat dengan urutan Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + Sifat basa dapat menurun bila kation logam golongan IA seperti Na + diganti dengan kation logam golongan IIA seperti Ba 2+ Hal ini disebabkan karena penurunan muatan negatif parsial atomatom oksigen yang berdekatan dengan kation Ba 2+ Kekuatan basa dan kapasitas adsorpsi zeolit juga meningkat secara signifikan dengan adanya oksida logam alkali Pusat basa oksida logam seperti oksida tanah jarang dan oksida logam alkali dianggap basa yang lebih kuat dari ion-ion yang dapat dipertukarkan Meningkatnya kekuatan basa zeolit dapat meningkatkan kemampuannya dalam menyerap yang bersifat asam lemah 222 Kekuatan Polarisasi, Distribusi, Ukuran dan Jumlah Kation Yang Dapat Dipertukarkan Adsorpsi gas oleh zeolit juga ditentukan oleh kekuatan polarisasi kation yang dapat dipertukarkan dan distribusi mereka, ukuran dan jumlah yang mempengaruhi muatan listrik lokal dan polarisasi molekul gas yang teradsorpsi pada zeolit Secara umum kekuatan polarisasi kation-kation berbanding terbalik dengan jari-jari ioniknya Sebagai contoh, diameter kation-kation dari golongan IA yaitu : Cs+ (3,3 A) > Rb+ (2,9 A) > K+ (2,7 A) > > Na + (1,9 A) > Li + (1,4 A) dan kepolarannya adalah : Li + > Na + > K + > Rb + > Cs + Energi yang timbul akibat interaksi antara dan kation logam menurun dengan meningkatnya ukuran kation Keadaan distribusi kation-kation yang dapat dipertukarkan dalam zeolit berbedabeda dan menyebabkan karakter adsorpsi nya berbeda-beda untuk masingmasing jenis zeolit Sebagai contoh, penyerapan pada zeolit jenis faugasite terjadi hanya pada supercage khususnya sodalite cage dan atau pada prisma heksagonal 223 Rasio Si/Al Kapasitas adsorpsi dan selektifitas zeolit pada molekul-molekul polar meningkat bila rasio Si/Al menurun Efek ini lebih penting bila momen quadrapole molekul besar Fenomena ini disebabkan karena 78 M&E, Vol 9, No3, September 2011

4 meningkatnya muatan listrik dalam pori zeolit yang dipengaruhi oleh meningkatnya jumlah pusat muatan pada permukaan zeolit Selain dari pada itu sifat kebasaan rangka zeolit meningkat dengan meningkatnya kandungan ion Al +3 yang disebabkan karena meningkatnya jumlah kation yang dapat dipertukarkan Pada tekanan rendah, zeolit yang mempunyai rasio Si/Al sangat kecil mempunyai kapasitas adsorpsi terbaik dan selektif terhadap molekul-molekul polar seperti Fenomena ini disebabkan karena polaritas molekul yang diadsorpsi lebih berperan pada proses adsorpsi karena muatan listrik dalam pori zeolit besar 224 Pengaruh Ukuran Pori Ukuran pori zeolit merupakan faktor lain yang mempengaruhi kapasitas dan kecepatan adsorpsi Pada dasarnya ukuran pori harus sesuai dengan ukuran molekul yang diserap agar molekul bisa masuk ke dalam pori Hubungan antara kapasitas adsorpsi zeolit dan ukuran pori mereka bergantung terutama pada tekanan pengisian Tentu saja pada tekanan rendah, densitas adsorbat paling tinggi dalam pori yang sangat kecil dan pada tekanan tinggi untuk pori yang besar Pada tekanan rendah, molekul adsorbat mempunyai kecendrungan untuk menempati tempat dimana interaksi adsorbat-adsorbat kurang dari interaksi adsorbat - pori, sesuai dengan tempat dengan energi paling menguntungkan Pada suhu tinggi, molekul adsorbat menempati daerah pusat pori dan meningkatkan kedudukan mereka ke densitas yang lebih besar Hal ini didukung oleh beberapa fakta bahwa afinitas zeolit NaA terhadap lebih besar dibandingkan zeolit NaX dan NaY (NaA > NaX > NaY) pada tekanan rendah Hal ini disebabkan karena diameter pori zeolit NaA lebih kecil dibanding NaX dan NaY Afinitas yang tinggi zeolit NaA menyebabkan selektifitasnya lebih baik terhadap dibandingkan NaX dan NaY pada saat adanya N 2 dan O 2 Selanjutnya karena juga berinteraksi dengan dinding pori zeolit, pada tekanan tinggi adsorpsi kemungkinan dibatasi oleh ukuran pori zeolit karena interaksi - dapat menghalangi adsorpsi molekul yang baru ke dalam dinding pori Bentuk pori juga mempengaruhi selektifitas adsorpsinya terhadap Adsorpsi pada beberapa zeolit alam dan zeolit sintetik seperti chabazite, clinoptilolite, clinoptilolite-smectite-opal CT, mordenite, ferrierite, mordeniteferrierite-pielite, erionite, MS-5A, MS-4A, MS-13X, H-ZSM-5 dengan struktur berbeda memperlihatkan zeolit dengan struktur sambungan pori dimensi tiga mempunyai unjuk kerja yang lebih baik dalam memisahkan 225 Karakteristik Adsorbat 225 a Polaritas Adsorbat Afinitas zeolit terhadap gas juga diakibatkan oleh polaritas molekul adsorben Molekul-molekul dengan momen quadrupole permanen besar dapat berinteraksi secara kuat dengan medan listrik yang diinduksi oleh kation zeolit Momen quadrupole gas bervariasi seperti > CO > N 2 > H2 > CH 4 _ Ar _ Kr Zeolit sintetik ITQ-3 dan ITQ-7 mengadsorpsi secara selektif pada saat ada gas N 2 Selektifitas ini berhubungan dengan kekuatan Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kapasitas Adsorpsi ; Roza Adriany 79

5 interaksi colombic antara molekulmolekul versus N 2 dan medan listrik zeolit, dimana kemungkinan disebabkan oleh momen quadrupole (-1, cm 2 ) tiga kali lebih besar dari N b Dimensi Adsorbat Dimensi molekul-molekul adsorbat juga mempengaruhi adsorpsinya pada zeolit Porositas rongga zeolit merupakan faktor selektif penyerapan molekul-molekul gas Sebagai contoh: zeolit alam erionites, mordenites, clinoptilolites dan chabazite dapat mengadsorpsi hanya molekul-molekul yang memiliki diameter 43, 39, and 43 Å berturut-turut Ini menunjukkan bahwa adsorpsi (diameter = 33 Å) dibatasi oleh faktor halangan ruang (faktor sterik) 226 Pembentukan Karbonat Pada Adsorpsi Dalam beberapa kasus zeolit kationik, adsorpsi kimia disertai dengan pembentukan karbonat termasuk karbonat monodentat atau unidentat dan karbonat bidentat pada permukaan mereka, karena adanya interaksi dengan Oksigen sebagai penghubung atom aluminium dan silikon Pembentukan karbonat monodentat pada permukaan zeolit sintetik CaY terdiri dari tiga tahap yaitu : tahap pertama dipolarisasi oleh adanya interaksi dengan ion Ca 2+ yang berdekatan Tahap kedua, atom karbon pada menyerang oksigen yang menghubungkan atom aluminium dan silikon dan memutus ikatan oksigen dan aluminium dan membentuk karbonat monodentat yang stabil pada permukaan zeolit seperti tampak pada Gambar 1 Gambar 1 Pembentukan karbonat monodentat pada zeolit Pembentukan karbonat dapat menurunkan kemudahan masuk pada sebagian besar permukaan zeolit dan dengan demikian akan membatasi adsorpsi pada rongga zeolit Hal ini biasanya terjadi bila terbentuk karbonat jenis unidentat selama adsorpsi 227 Adanya Air Pada Adsorpsi Adanya sejumlah kecil air dapat menghambat adsorpsi pada beberapa kationik yang ada dalam zeolit, seperti pada zeolit X (NaLSX, LiLSX, CaX) Hambatan ini terjadi karena penurunan kekuatan dan heterogenitas muatan listrik zeolit yang disebabkan karena kapasitas adsorpsi tinggi air pada kation yang dapat dipertukarkan yang dihasilkan oleh kekuatan polaritas air yang tinggi Adanya air selama adsorpsi pada permukaan zeolit juga mendukung terbentuknya bikarbonat melalui 80 M&E, Vol 9, No3, September 2011

6 pembentukan gugus hidroksil dimana pembentukan bikarbonat ini meningkatkan suhu desorpsi Sebagai contoh, ikatan yang kuat dari dalam karbonat jenis bikarbonat atau karbonat bidentat yang terbentuk pada zeolit alam seperti herschelite-sodium chabazite dan clinoptilolite menyebabkan suhu desorpsi terjadi pada 115 C dimana suhu ini lebih tinggi dibandingkan dengan suhu desorpsi sebagian besar proses adsorpsi (secara fisika) yaitu pada suhu ruang 228 Tekanan dan Suhu Adsorpsi Secara umum kapasitas adsorpsi pada zeolit meningkat bila tekanan parsial dinaikkan dan menurun bila suhu ditingkatkan Sebagai contoh efek tekanan dan suhu pada zeolit NaX dan 13X di mana memperlihatkan efek suhu dan tekanan pada adsorpsi seperti tampak pada Tabel 1 Pada tabel 1 terlihat bahwa kapasitas adsorpsi menurun dengan naiknya suhu 3 KESIMPULAN 1) Sifat basa zeolit disebabkan oleh adanya kation-kation dalam pori dimana kekuatan basa meningkat dengan meningkatnya sifat elektropositif kation yang dapat dipertukarkan Kekuatan basa kation zeolit dari logam golongan IA meningkat dengan urutan Li + < Na + < K + < Rb + < Cs + 2) Secara umum kekuatan polarisasi kationkation berbanding terbalik dengan jari-jari ioniknya Sebagai contoh, diameter kationkation dari golongan IA yaitu : Cs + (3,3 A) > Rb + (2,9 A) > K + (2,7 A) > > Na + (1,9 A) > Li + (1,4 A) dan kepolarannya adalah : Li + > Na + > K + > Rb + > Cs + 3) Kapasitas adsorpsi dan selektifitas zeolit pada molekul-molekul polar meningkat bila rasio Si/Al menurun Fenomena ini disebabkan karena meningkatnya muatan listrik dalam pori zeolit yang dipengaruhi oleh meningkatnya jumlah pusat muatan pada permukaan zeolit 4) Pada dasarnya ukuran pori harus sesuai dengan ukuran molekul yang diserap agar molekul bisa masuk ke dalam pori Tabel 1 Pengaruh suhu terhadap kapasitas adsorpsi 13X dan NaX pada tekanan tetap No Zeolit Suhu (K) Tekanan (kpa) Kapasitas Adsorpsi (mmolg -1 ) 1 13X dan NaX 273, , ,4 313, ,75 333, ,3 353, Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kapasitas Adsorpsi ; Roza Adriany 81

7 5) Afinitas zeolit terhadap gas juga diakibatkan oleh polaritas molekul adsorben Molekulmolekul dengan momen quadrupole permanen besar dapat berinteraksi secara kuat dengan medan listrik yang diinduksi oleh kation zeolit Momen quadrupole gas bervariasi seperti > CO > N 2 > H 2 > CH 4 _ Ar _ Kr 6) Porositas rongga zeolit merupakan faktor selektif penyerapan molekul-molekul gas 7) Pembentukan karbonat dapat menurunkan kemudahan masuk pada sebagian besar permukaan zeolit dan dengan demikian akan membatasi adsorpsi pada rongga zeolit 8) Adanya sejumlah kecil air dapat menghambat adsorpsi pada beberapa kationik yang ada dalam zeolit dan mendukung terbentuknya bikarbonat melalui pembentukan gugus hidroksil di mana pembentukan bikarbonat ini meningkatkan suhu desorpsi 9) Kapasitas adsorpsi pada zeolit meningkat bila tekanan parsial dinaikkan dan menurun bila suhu ditingkatkan DAFTAR PUSTAKA idwikipediaorg/wiki/pemanasan_global - 125k Danielle Bonenfant, Mourad Kharoune, Patrick Niquette, Murielle Mimeault dan Robert Hausler, " Advances in Principal Factors Influencing Carbon Dioxide Adsorption on Zeolites", National Institute for Materials Science Printed in the UK, Sci Technol Adv Mater (2008) Topical Review Sunho Choi, Jeffrey H Drese, and Christopher W Jones, "Adsorbent Materials for Carbon Dioxide Capture from Large Anthropogenic Point Sources", ChemSusChem 2009, 2, _ 2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim www chemsuschemorg M&E, Vol 9, No3, September 2011