BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Material mesopori menjadi hal yang menarik untuk dipelajari terutama setelah ditemukannya material mesopori berstruktur nano yang kemudian dikenal sebagai bahan M41S oleh Mobil Corporation, yang di antara anggotanya adalah MCM-48 yang berfase kubus, MCM-50 berfase lamellar, dan MCM-41 yang berfase heksagonal. Di antara anggota M41S yang paling menarik adalah MCM- 41 karena merupakan padatan berpori yang tersusun dari silika amorf, namun memiliki struktur teratur dengan rongga yang seragam, membentuk susunan heksagonal dengan luas permukaan yang besar hingga 1000 m 2 /g serta stabilitas termal yang baik (Beck et al., 1992). Keunggulan MCM-41 yang lain adalah diameter porinya dapat diatur dengan berbagai cara, di antaranya pemilihan surfaktan, penambahan senyawa organik, dan pengubahan parameter reaksi (Zhao et al., 1996). Selain itu, Corma et al. (1997) juga mengungkapkan bahwa salah satu fakta menarik dari MCM-41, walaupun tersusun dari silika amorf, MCM-41 menunjukkan pori yang seragam, serta tersusun menjadi kisi heksagonal. MCM- 41 merupakan material berpori dengan ukuran meso yang sesuai sebagai penangkap molekul besar dan struktur porinya mampu mengatasi masalah difusi yang sering ditemui dalam material mikropori, seperti zeolit (Hui dan Chao, 2006). Sintesis MCM-41 telah banyak dilakukan dan menjadi bahan yang menarik untuk selalu dikembangkan. Pada awalnya sintesis MCM-41 dilakukan dengan metode hidrotermal, yakni kombinasi sol-gel dengan hidrotermal menggunakan reaktor pada temperatur dan tekanan tinggi. Metode hidrotermal menghasilkan material MCM-41 dengan kristalinitas tinggi, namun memiliki kelemahan yakni memerlukan waktu reaksi yang lama serta memerlukan temperatur dan tekanan yang tinggi. Penggunaan temperatur tinggi pada proses 1

2 2 sintesis ini mengakibatkan penggunaan energi yang berlebihan dan biaya produksi yang tinggi. Penelitian dalam sintesis MCM-41 selanjutnya berkembang pada sintesis dengan menggunakan temperatur kamar, yakni proses sol-gel yang dikombinasikan dengan aging pada temperatur kamar. Metode sintesis dengan temperatur kamar ini merupakan suatu metode sintesis dengan pendekatan Green Chemistry (Hui dan Chao, 2006; Chiarakon et al., 2007). Menurut Chiarakon et al. (2007) metode sintesis pada temperatur kamar dapat dikatakan menerapkan green chemistry karena metode ini memiliki beberapa poin asas green chemistry, di antaranya peningkatan efisiensi energi, desain sintesis yang tidak berbahaya dan peminimalan potensi kecelakaan kerja. Penggunaan alat yang sederhana pada semua proses dapat meminimalkan penggunaan energi dan biaya dengan tingkat keamanan kerja yang tinggi serta ramah lingkungan ketika dibutuhkan MCM-41 dalam jumlah yang lebih banyak. Sintesis MCM-41 dengan metode temperatur kamar pada umumnya dilakukan tanpa temperatur tinggi, namun kristalinitas MCM-41 yang dihasilkan masih lebih rendah dibandingkan dengan sintesis dengan hidrotermal. Metode hidrotermal memiliki keunggulan yakni dihasilkan material dengan kristalinitas tinggi, namun juga memiliki kelemahan, yakni memerlukan suhu dan tekanan tinggi sehingga tidak mendukung green chemistry serta memerlukan waktu reaksi yang lama antara 1 sampai 6 hari. Sedangkan metode sintesis dengan temperatur kamar memiliki keunggulan yakni tidak memerlukan suhu dan tekanan tinggi, cukup sederhana dan mudah dilakukan, namun juga terdapat kelemahan, yakni material yang dihasilkan memiliki kristalinitas yang rendah, serta masih memerlukan waktu aging antara 1sampai 47 hari. Beberapa metode dalam sintesis MCM-41 disajikan dalam Tabel 1.1. Dalam penelitian ini, peneliti berusaha mensintesis material mesopori MCM-41 dengan temperatur kamar dan mengusahakan agar material yang terbentuk memiliki kristalinitas tinggi. Oleh karena itu, peneliti menggunakan metode sonokimia, yakni kombinasi sol-gel dan sonikasi dengan tujuan untuk mempersingkat waktu reaksi dan meningkatkan kristalinitas material hasil

3 3 sintesis. Metode sonokimia dilakukan pada temperatur kamar, sehingga metode ini mendukung green chemistry. Tabel 1.1 Beberapa metode dalam sintesis MCM-41 Metode Peneliti Uraian Hidrotermal Kresge et al. (1992) Yu et al. (2001) Oshima et al. (2006) Manzano et al. (2007) 150 C selama 48 jam Sintesis Si-MCM 41 pada 383 K diperoleh MCM-41 dengan kondisi optimum dengan waktu hidrotermal 72 jam dengan rasio mol Sur/Si= 0,1 Sintesis MCM-41 pada suhu 100 C selama 144 jam diperoleh MCM-41 dengan intensitas XRD tinggi Melakukan sintesis MCM-41 dengan metode hidrotermal pada Wantala et al. (2010) 100 C selama 24 jam Sintesis Fe-MCM-41 dari abu sekam padi dengan suhu 100 C Ahda (2011) selama 3 hari. Sintesis MCM-41 dengan variasi waktu hidrotermal 18, 24, 48, dan 88 jam diperoleh waktu optimum 24 jam pada 100 C Sol-gel pada Lin et al. (1996) temperatur kamar Chiarakon et al. (2007) Hui dan Chao (2006) Lee et al. (2007) Mokhonoana et al. (2010) Yunita (2011) Sintesis MCM-41 pada suhu kamar diperoleh kondisi optimum dengan waktu aging 10 hari Sintesis MCM-41 dari sekam padi dengan temperatur kamar, dengan waktu aging 2 hari diperoleh kondisi optimal kamar dengan waktu aging 24 jam kamar dengan waktu aging 24 jam kamar diperoleh kondisi optimum dengan waktu aging 47 hari kamar diperoleh kondisi optimum dengan waktu aging 48 jam

4 4 Sonokimia merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan efek gelombang ultrasonik pada suatu reaksi kimia (Clark dan Macquire, 2002). Kekuatan gelombang ultrasonik pada sonokimia dapat meningkatkan reaktivitas kimia pada medium liquid melalui pembangkitan cavitasi (peronggaan). Adanya cavitasi ini akan melepaskan energi kinetik untuk mendorong terjadinya transformasi kimia. Ultrasonik digunakan pada sintesis material untuk mempersingkat waktu reaksi dan memberikan dispersi yang baik pada suatu material (Beltran et al., 2008). Penggunaan ultrasonik dengan frekuensi tinggi, diatas 20 kh diharapkan proses pertumbuhan kristal dapat berlangsung dengan cepat, dan terbentuk material dengan kristalinitas dan keteraturan pori yang baik. Berbagai modifikasi MCM-41 telah dilakukan dengan tujuan meningkatkan karakter dan performa dari MCM-41, di antaranya memperbesar diameter pori MCM-41 sehingga meningkatkan efektivitas material ini dalam apikasinya sebagai adsorben. Selain itu, juga dilakukan modifikasi dengan tujuan memperoleh luas permukaan yang lebih besar sehingga MCM-41 efektif untuk keperluan katalisis. Modifikasi MCM-41 juga dilakukan untuk memberi muatan negatif pada kerangka MCM-41 agar mampu mengadsorpsi ion logam tertentu. Di antara modifikasi MCM-41 yang telah dilakukan adalah melakukan penyisipan kerangka MCM-41 dengan logam-logam transisi seperti Fe, Al, dan Ti. Silva et al. ( 2002) telah melakukan sintesis Al-MCM-41 dan Ti-MCM-41 diperoleh bahwa diameter pori Ti-MCM-41 lebih besar daripada Al-MCM-41 dan lebih besar daripada MCM-41. Yunita (2011) melakukan sintesis MCM-41 dan Al-MCM-41 pada temperatur kamar menghasilkan diameter pori Al-MCM-41 lebih besar daripada MCM-41. Pada sintesis Al-MCM-41 menunjukkan bahwa semakin banyak logam Al yang ditambahkan, maka diameter pori akan meningkat (Riberio et al., 2006). Modifikasi MCM-41 dapat dilakukan dengan penyisipan logam Zn ke dalam kerangka MCM-41 dengan dasar pemikiran bahwa logam Zn memiliki ukuran yang lebih besar daripada Si, sehingga akan dihasilkan material MCM-41 yang memiliki diameter pori yang lebih besar untuk aplikasi adsorpsi zat warna metilen biru. Jari-jari ionik Zn 2+ lebih besar daripada Si 4+ sehingga akan

5 5 menghasilkan jarak ikat metal-oksida yang lebih besar, akibatnya diameter pori akan meningkat. Selain itu, Zn memilik muatan 2+ sehingga akan menyebabkan kerangka MCM-41 bermuatan negatif sehingga akan meningkatkan keefektifan dalam aplikasinya sebagai adsorben zat warna kationik. Yang menjadi catatan adalah bahwa modifikasi harus dilakukan tanpa merusak struktur MCM-41. Albero et al. (2007) telah melakukan modifikasi MCM-41 dengan logam Zn secara direct synthesis dengan rasio mol Si/Zn=50 dan 25 diperoleh hasil bahwa dengan rasio mol Si/Zn=50 diameter pori meningkat, dan dengan rasio mol Si/Zn=25 diameter pori material menurun seiring dengan rusaknya struktur MCM-41. Sehingga dalam modifikasi MCM-41 dengan logam tertentu, rasio mol antara logam dan silika mempengaruhi karakter material. MCM-41 telah digunakan pada berbagai aplikasi kimia dan lingkungan, antara lain sebagai pendukung katalis, katalis, material penukar ion dan nanofiller (Abdelhamid et al., 1999). Dari berbagai fakta mengenai keunggulan MCM-41, maka MCM-41 sesuai untuk keperluan katalis, adsorpsi, sensor kimia, dan nanoteknologi (Ankur et al., 2006). Salah satu kegunaan dari MCM-41 adalah dapat digunakan sebagai adsorben zat warna. Limbah zat warna banyak ditemui di perairan bebas seperti sungai dan laut. Zat warna tersebut berasal dari berbagai sumber di antaranya industri tekstil, percetakan, pencelupan, pabrik pembuatan zat pewarna, dan pabrik makanan. Modifikasi MCM-41 dengan logam Zn, selain diharapkan mampu memperbesar diameter pori material, juga akan memberikan muatan negatif pada kerangka MCM-41 yang akan digunakan sebagai adsorben untuk mengadsorpsi zat warna kationik. Hal ini didasarkan atas interaksi antara adsorben dan adsorbat. Jika interaksi terjadi secara fisika, maka adsorbat cenderung akan mengalami desorpsi kembali karena interaksinya yang lemah, sehingga hanya efektif untuk mengadsorpsi logam dengan konsentrasi rendah, sementara interaksi secara kimia yang diakibatkan oleh muatan negatif pada MCM-41 ini bersifat lebih kuat dan lebih sulit mengalami desorpsi. Modifikasi permukaan negatif pada MCM-41 akan menyebabkan adanya interaksi elektrostatik pada saat proses adsorpsi zat warna kationik. Model zat

6 6 warna kationik yang digunakan adalah metilen biru, dan dengan adanya modifikasi pada MCM-41 ini diharapkan akan meningkatkan kapasitas adsorpsi nya (Ahda, 2011). 1.2 Tujuan Penelitian Berdasarkan uraian latar belakang dan permasalahan diatas, maka tujuan penelitian ini di antaranya: 1. Mengkaji pengaruh waktu sonikasi terhadap kristalinitas dan keteraturan pori MCM Mengkaji pengaruh rasio mol Si/Zn terhadap kristalinitas dan diameter pori Zn-MCM Mengkaji kapasitas adsorpsi metilen biru pada MCM-41 dan Zn-MCM Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan alternatif dalam hal pemilihan metode sintesis MCM-41 tanpa temperatur tinggi. Metode sintesis sonokimia ini memungkinkan proses sintesis yang relatif lebih hemat energi, aman, dan ramah lingkungan sehingga prinsip green chemistry terpenuhi. Selain itu penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang modifikasi MCM-41 dalam aplikasinya untuk adsorpsi zat warna.