SINTESIS ZEOLIT ZSM-5 DARI METAKAOLIN TERDEALUMINASI TANPA CETAKAN ZAT ORGANIK DENGAN METODE DESILIKASI SKRIPSI

Transkripsi

1 SINTESIS ZEOLIT ZSM-5 DARI METAKAOLIN TERDEALUMINASI TANPA CETAKAN ZAT ORGANIK DENGAN METODE DESILIKASI SKRIPSI KHULAILATUL LUTFIAH PROGRAM STUDI S-1 KIMIA DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2016 i

2 SINTESIS ZEOLIT ZSM-5 DARI METAKAOLIN TERDEALUMINASI TANPA CETAKAN ZAT ORGANIK DENGAN METODE DESILIKASI SKRIPSI Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Bidang Kimia pada Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga OLEH : KHULAILATUL LUTFIAH NIM Tanggal Lulus : 3 Agustus 2016 Disetujui Oleh : Pembimbing I, Pembimbing II, Dr. Hartati, M.Si NIP Alfa Akustia Widati, S.Si, M.Si NIP ii

3 LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI Judul : Sintesis Zeolit ZSM-5 dari Metakaolin Terdealuminasi Tanpa Cetakan Zat Organik dengan Metode Desilikasi Penyusun : Khulailatul Lutfiah NIM : Pembimbing I : Dr. Hartati, M.Si Pembimbing II : Alfa Akustia Widati, S.Si, M.Si Tanggal Seminar : 3 Agustus 2016 Disetujui Oleh : Pembimbing I, Pembimbing II, Dr. Hartati, M.Si NIP Alfa Akustia Widati, S.Si, M.Si NIP Mengetahui, Ketua Program Studi S-1 Kimia Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga Dr. Purkan, M.Si NIP iii

4 PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan seijin penulis dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga iv

5 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala rahmat, karunia serta hidayah-nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan serta penelitian skripsi dengan judul Sintesis Zeolit ZSM-5 dari Metakaolin Terdealuminasi Tanpa Cetakan Zat Organik dengan Metode Desilikasi. Naskah skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat kelulusan dalam menempuh pendidikan S1 pada Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. Penulisan naskah skripsi ini tidak lepas dari bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu Dr. Hartati, M.Si. selaku Dosen Pembimbing I yang senantiasa memberikan bimbingan dan nasehat selama penyusunan naskah skripsi ini. 2. Ibu Alfa Akustia Widati, S.Si, M.Si. selaku Dosen Pembimbing II yang senantiasa pula meluangkan waktunya untuk memberikan saran, nasehat dan masukan dalam penyelesaian naskah skripsi ini. 3. Bapak Drs. Handoko Darmokoesoemo, DEA selaku Dosen Wali yang senantiasa memberikan dukungan moral untuk menyelesaikan skripsi ini. 4. Ketua Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga yang telah memberikan kelancaran untuk menyelesaikan skripsi ini. 5. Seluruh Staf Pengajar Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga atas ilmu yang telah diberikan. 6. Bapak, Ibu, dan Adik Lutfi atas dukungan materi dan semangat baik moral maupun spiritual demi terselesaikannya skripsi ini. 7. Seluruh Staf Laboratorium Departemen Kimia Universitas Airlangga yang senantiasa membantu dan meluangkan waktunya demi terseleaikannya skripsi ini. v

6 8. Sahabat saya Anik, Rahma, Mutiara, Anggraeni, Ani, Fifit, Dona, Rahmi, Defi, Hurin yang selalu ceria menemani serta memberi dukungan penuh pada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 9. Teman-teman kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga angkatan 2012 yang tak dapat disebutkan satu persatu yang telah menemani setiap langkah, bergandengan tangan dan berjuang bersama selama kurang lebih empat tahun. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan skripsi ini. Surabaya, Agustus 2016 Penulis vi

7 Lutfiah, K., 2016, Sintesis Zeolit ZSM-5 Dari Metakaolin Terdealuminasi Tanpa Cetakan Zat Organik Dengan Metode Desilikasi. Skripsi di bawah bimbingan Dr. Hartati, M.Si., dan Alfa Akustia Widati, S.Si., M.Si. Departemen Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. ABSTRAK Pada penelitian ini telah dilakukan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik dari metakaolin terdealuminasi. Metakaolin diperoleh dari kalsinasi kaolin Bangka-Belitung pada suhu 650 C selama 8 jam. Metakaolin terdealuminasi diperoleh dari dealuminasi metakaolin menggunakan larutan HCl. Zeolit ZSM-5 dengan komposisi molar 0,047 SiO 2 :0,010 NaOH:1,67 H 2 O dibuat tanpa cetakan zat organik. Zeolit ZSM-5 terbentuk melalui proses hidrotermal pada suhu 170 C selama 48 jam, yang ditunjukkan oleh analisis hasil XRD dan FTIR. Pembentukan mesopori dilakukan dengan metode desilikasi melalui penambahan larutan NaOH. Metode desilikasi menurunkan luas permukaan mikropori, meningkatkan luas permukaan mesopori, dan volume pori yang ditunjukkan dari hasil analisis fisisorpsi N 2. Kata kunci : Zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik, metakaolin, dealuminasi, hidrotermal, desilikasi. vii

8 Lutfiah, K., 2016, Synthesis of ZSM-5 Zeolite from Dealuminated Metakaoline Without Organic Template Using Desilication Method. This thesis is under guidance of Dr. Hartati, M.Si., and Alfa Akustia Widati, S.Si., M.Si. Chemistry Department, Faculty of Science and Technology, Airlangga University. ABSTRACT This research has been synthesis of ZSM-5 zeolite without organic template from dealuminated metakaoline. Metakaoline obtained from calcination of kaolin Bangka-Belitung at 650 C for 8 hour. Dealuminated metakaoline obtained from dealumination metakaoline use of HCl solution. ZSM-5 zeolite with molar composition 0,047 SiO 2 :0,010 NaOH:1,67 H 2 O produce without organic template. ZSM-5 zeolite formed by hydrothermal process at 170 C for 48 hour, shown by analysis result XRD and FTIR. Formation the mesoporous with desilication method through addition of NaOH. Desilication method decrease of microporous surface area, increase of mesoporous surface area, and pore volume shown from result of analysis fisisorption nitrogen. Keywords: ZSM-5 zeolite without organic template, metakaoline, dealumination, hydrothermal, desilication. viii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PERSETUJUAN... ii LEMBAR PENGESAHAN... iii PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI... iv KATA PENGANTAR... v ABSTRAK... vii ABSTRACT... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Kaolin Metakaolinisasi Zeolit ZSM Mesopori pada Zeolit ZSM Karakterisasi X-Ray Fluorescence (XRF) X-Ray Diffraction (XRD) Fourier Transform Infrared (FTIR) Fisisorpsi N BAB III METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Bahan dan Alat Penelitian Bahan-bahan penelitian Alat-alat penelitian Diagram Alir Penelitian Metakaolinisasi Dealuminasi metakaolin ix

10 3.3.3 Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik dengan penambahan aluminat Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik Prosedur Penelitian Metakaolinisas Dealuminasi metakaolin Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik dengan penambahan aluminat Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik Karakterisasi ZSM Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Karakterisasi X-Ray Fluorescence (XRF) Karakterisasi Fourier Transform Infrared (FTIR) Karakterisasi fisisorpsi N BAB IV PEMBAHASAN Metakaolinisasi Dealuminasi Metakaolin Sintesis Zeolit ZSM-5 Mikropori Tanpa Cetakan Zat Organik Karakterisasi zeolit ZSM-5 mikropori tanpa menggunakan cetakan zat organik X-Ray Diffraction (XRD) Fourier Transform Infrared (FTIR) Sintesis Zeolit ZSM-5 Mesopori dengan Metode Desilikasi Tanpa Cetakan Zat Organik BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN x

11 DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 2.1 Komposisi Kimia pada Kaolin Tanpa Pemanasan (RK) dan Kaolin dengan Pemanasan (RB) Data XRF Metakaolin Data XRF Metakaolin Terdealuminasi Sifat Struktur Pori Zeolit ZSM-5 Sebelum dan Sesudah Desilikasi.. 50 xi

12 DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1 Struktur Sistematik dari Kaolin Pola Difraktogram Kaolin Berkadar Rendah Pola Difraktogram a) Kaolin b) Metakaolin Struktur Tetrahedral Zeolit Struktur MFI Zeolit ZSM Proses Desilikasi dengan Perlakuan Alkali pada Zeolit ZSM-5 dengan Rasio Si/Al Emisi Foton Sinar X Pemantulan Berkas Sinar X pada Bidang Kristal Pola Difraktogram Zeolit ZSM Spektrum Elektromagnetik Interferometer Menggunakan FTIR Spektra FTIR pada Zeolit ZSM Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Non Pori Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mikropori Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mesopori Adsorpsi-Desorpsi N 2 pada Zeolit ZSM-5 dengan Perbedaan Perlakuan Kurva Distribusi Pori Zeolit ZSM-5 dengan Perlakuan yang Berbeda Pola Difraktogram a)metakaolin b) Kaolin Pola Difraktogram Zeolit ZSM-5 a) Metode Pan dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam Suhu 170 C b) Metode Pan dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam Suhu 170 C dengan Penambahan Aluminat c) Metode Cheng dengan Waktu Hidrotermal 72 Jam Suhu 170 C Spektra FTIR Zeolit ZSM-5 dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam pada Suhu 170 C a) Tanpa Penambahan Aluminat b) dengan Penambahan Aluminat Isoterm Adsorpsi-Desorpsi Nitrogen Zeolit ZSM-5 Sebelum dan Sesudah Desilikasi xii

13 DAFTAR LAMPIRAN No Judul 1 Lampiran Perhitungan 2 Lampiran XRF kaolin Bangka dan Belitung 3 Lampiran XRD kaolin Bangka dan Belitung 4 Lampiran XRD metakaolin 5 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 2M 6 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 3M 7 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 4M 8 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 5M 9 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 6M 10 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 7M 11 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 8M 12 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014) 13 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menggunakan metode Pan dkk., (2014) 14 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Cheng dkk., (2005) 15 Lampiran FTIR sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014) 16 Lampiran FTIR sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menggunakan metode Pan dkk., (2014) 17 Lampiran Fisisorpsi N 2 sintesis zeolit ZSM-5 setelah desilikasi xiii

14 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Zeolit merupakan kristal mikropori alumino-silikat hidrat yang tersusun atas [SiO 4 ] 4- dan [AlO 4 ] 5- dengan bentuk tetrahedral (Rios dkk., 2009). Zeolit banyak digunakan dalam bidang katalis, pemisahan, dan pertukaran ion, karena mempunyai ukuran pori yang sama, luas permukaan yang tinggi, dan stabilitas termal yang baik (Wang dkk., 2010). Zeolit dibagi menjadi dua, yaitu zeolit alam dan zeolit sintetis. Zeolit alam memiliki kemurnian yang lebih rendah dibandingkan dengan zeolit sintetis. Hal tersebut dikarenakan zeolit alam dapat ditemukan di sekitar daerah vulkanik, sehingga banyak mengandung mineral-mineral kecil dan beberapa tipe kation logam seperti Fe, Mg, Na, dan Ca (Salim dan Malek, 2016). Zeolit sintetis memiliki sifat dan ukuran pori yang dapat direkayasa menggunakan bahan kimia (Gougazeh dkk., 2014). Saat ini zeolit sintetis lebih banyak digunakan dari pada zeolit alam, karena zeolit sintetis memiliki bentuk kristal yang lebih murni dengan ukuran partikel yang lebih seragam. Namun demikian, zeolit sintetis biasanya membutuhkan bahan kimia sebagai sumber silika dan alumina yang harganya mahal. Oleh karena itu, beberapa peneliti menggunakan material alam sebagai bahan utama dalam sintesis zeolit, misalnya kaolin (Gougazeh dan Buhl, 2014). Kaolin merupakan mineral tanah yang mengandung dua lapis alumuno-silikat 1

15 2 yang terdiri dari satu alumina oktahedral dan satu silika tetrahedral dengan rasio 1:1 (Ma dkk., 2014). Dari sekian banyak macam zeolit, salah satu zeolit yang disintesis dengan bahan dasar kaolin adalah ZSM-5 (Wang dkk., 2007). ZSM-5 merupakan zeolit dengan ukuran diameter pori nm dengan rasio mol Si/Al bervariasi dari 10 sampai 100 (Narayanan dkk., 2014). Zeolit tersebut banyak digunakan dalam industri karena mempunyai sifat derajat termal, stabilitas asam, dan selektivitas yang tinggi. Zeolit ZSM-5 banyak diaplikasikan sebagai katalis pada industri petrokimia untuk proses isomerisasi, alkilasi, dan aromatisasi (Wang dkk., 2007). Sintesis zeolit ZSM-5 dari kaolin dapat dilakukan secara tidak langsung, yaitu melalui tahap metakaolinisasi, yaitu tahap kalsinasi kaolin menjadi metakaolin pada suhu antara 400 sampai 700 C. Metakaolinisasi digunakan untuk mengubah struktur kimia pada kaolin yang bersifat stabil dan kurang reaktif menjadi metakaolin yang bersifat reaktif dengan rasio mol Si/Al sekitar satu (Ayele dkk., 2015). Umumnya sintesis zeolit ZSM-5 menggunakan cetakan zat organik untuk memperoleh hasil kristalinitas dan kemurnian yang tinggi, tetapi penggunaan cetakan zat organik merugikan karena beracun dan harganya mahal. Selain itu penggunaan cetakan zat organik dapat menyebabkan polusi lingkungan akibat proses kalsinasi pada saat penghilangan cetakan zat organik dari struktur zeolit (Pan dkk., 2014). Penghilangan cetakan zat organik dari struktur zeolit juga dapat menyebabkan gumpalan irreversible pada kristal serta terjadinya perubahan rasio mol Si/Al pada produk akhir. Oleh karena itu, penelitian mengenai sintesis zeolit

16 3 ZSM-5 tanpa cetakan zat oganik mulai dikembangkan (Jafari dkk., 2014). Menurut penelitian yang dilakukan Pan dkk. (2014), sintesis zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik dengan kaolin sebagai sumber silika dan alumina memberikan kristalinitas serta kemurnian yang tinggi setelah melalui proses hidrotermal. Zeolit ZSM-5 umumya berukuran mikropori. Mikropori memiliki ukuran pori kecil dengan selektivitas tinggi, tetapi keadaan tersebut menyebabkan transport molekul pada sisi aktif menjadi terbatas sehingga mempengaruhi efektivitas katalitik pada reaksi kimia. Untuk meningkatkan efektivitas katalitik diperlukan zeolit ZSM-5 mesopori. Zeolit ZSM-5 mesopori memiliki ukuran pori lebih besar sehingga efektivitas katalitik reaksi kimia menjadi meningkat akibat dari meningkatnya transport molekul (Groen dkk., 2004). Zeolit mesopori dapat diperoleh melalui proses dealuminasi dan desilikasi. Dealuminasi merupakan proses pengurangan Al dari kerangka zeolit yang umumnya menggunakan pelarut asam dan suhu tinggi. Dealuminasi menyebabkan meningkatnya rasio mol Si/Al sehingga dapat meningkatkan stabilitas termal serta modifikasi sifat asam. Proses dealuminasi yang kaya akan silika pada zeolit ZSM- 5 umumnya memiliki pembentukan mesopori yang terbatas sehingga diperlukan proses desilikasi, yaitu proses pelepasan Si dari kerangka zeolit dalam pelarut alkali (Groen dkk., 2005). Penelitian lain menunjukkan, kondisi desilikasi yang optimal pada media alkali dapat meningkatkan luas permukaan mesopori hingga 5 kali lebih besar yaitu dari 40 menjadi 225 m 2 /g dan penurunan luas permukaan mikropori yang relatif kecil yaitu sekitar 0,3 kali lebih kecil (Groen dkk., 2004). Berdasarkan penelitian Groen dkk., (2005), kombinasi dealuminasi dan desilikasi

17 4 pada zeolit ZSM-5 menghasilkan ukuran mesopori dan modifikasi keasaman secara terpisah. Desilikasi pada media alkali menghasilkan ukuran mesopori tanpa adanya modifikasi sifat asam. Sementara dealuminasi dengan pemanasan akan berdampak pada keasaman zeolit ZSM-5 tanpa adanya perubahan pada porositas. Pada penelitian ini dilakukan sintesis zeolit ZSM-5 dengan bahan dasar kaolin yang berasal dari Bangka-Belitung karena kaolin tersebut memiliki kadar kuarsa yang rendah. Kaolin Bangka berwarna putih, berbutir halus, lunak, dan lengket apabila basah. Sintesis dilakukan secara tidak langsung, yaitu melalui tahap metakaolinisasi untuk mengubah bahan kimia pada kaolin yang bersifat stabil dan kurang reaktif menjadi metakaolin yang bersifat reaktif. Dealuminasi pada metakaolin dilakukan untuk membentuk zeolit ZSM-5 berukuran mikropori dan desilikasi untuk mengubah zeolit ZSM-5 mikropori menjadi zeolit ZSM-5 mesopori. Hasil sintesis selanjutnya dikarakterisasi menggunakan X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR), dan analisis fisisorpsi N Rumusan Masalah 1. Bagaimana zeolit ZSM-5 dapat disintesis dari metakaolin terdealuminasi tanpa menggunakan cetakan zat organik melalui metode desilikasi? 2. Bagaimana karakteristik zeolit ZSM-5 hasil sintesis dari metakaolin terdealuminasi tanpa menggunakan cetakan zat organik dengan metode

18 5 desilikasi yang diamati dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR), dan analisis fisisorpsi N 2? 1.3 Tujuan Penelitian 1. Mempelajari sintesis zeolit ZSM-5 dari metakaolin terdealuminasi tanpa menggunakan cetakan zat organik melalui metode desilikasi. 2. Mempelajari karakteristik zeolit ZSM-5 hasil sintesis dari metakaolin terdealuminasi tanpa menggunakan cetakan zat organik dengan metode desilikasi yang diamati dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR), dan analisis fisisorpsi N Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat mempelajari sintesis zeolit ZSM-5 dari metakaolin terdealuminasi tanpa cetakan zat organik dengan metode desillikasi. Hasil penelitian ini juga dapat digunakan sebagai katalis pada industri petrokimia untuk proses isomerisasi, alkilasi, dan aromatisasi serta sebagai tambahan informasi untuk penelitian yang akan datang.

19 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kaolin Kaolin merupakan polimer anorganik alami dengan lapisan struktur yang terdiri atas siloksan dan gibsit. Siloksan tersusun atas SiO 4 tetrahedral yang saling terkait pada bidang heksagonal. Bagian dasar tetrahedra terdiri atas koplanar dan atom oksigen yang saling terkait pada kedua lapisan yang mengandung ion alumunium dan gugus OH. Kaolin merupakan pilosilikat dioktahedral 1:1 yang dibentuk oleh superposisi dari lapisan silikon tetrahedral dan lapisan aluminium oktahedral. Lapisan yang berdekatan dihubungkan oleh gaya van der Waals dan ikatan hidrogen. Antar lapisan ini menyebabkan akses aluminol (Al-OH) menjadi terbatas. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.1 (Cheng dkk., 2012). Gambar 2.1 Struktur Sistematik dari Kaolin (Cheng dkk., 2012) 6

20 7 Kaolin sering digunakan sebagai bahan baku dalam sintesis zeolit sejak memiliki rasio molar SiO 2 /Al 2 O 3 sekitar 2. Tetapi sintesis zeolit membutuhkan peningkatan rasio Si/Al dengan nilai diatas 2,5. Hal tersebut menunjukkan bahwa sintesis zeolit membutuhkan proses lebih lanjut baik dengan pengurangan Al atau dengan penambahan Si. Kaolin memiliki komponen utama berupa silika (56,30%) dan alumina (29,52%). Karakterisasi kaolin menggunakan XRD menunjukkan bahwa kaolin terdiri dari kaolinit (55%), illit (44%), dan kuarsa (1%). Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2 (Ma dkk., 2014). Gambar 2.2 Pola Difraktogram Kaolin (Ma dkk., 2014) 2.2 Metakaolinisasi Sintesis zeolit dari bahan dasar kaolin membutuhkan tahap metakaolinisasi, yaitu tahap kalsinasi kaolin pada suhu tinggi untuk mengubah komponen kimia dalam kaolin yang bersifat stabil mejadi metakaolin yang

21 8 bersifat reaktif. Metakaolin memiliki rasio Si/Al sekitar 1 sehingga cocok digunakan untuk sintesis zeolit. Metakaolinisasi dilakukan pada suhu antara 400 sampai 700 C (Ayele dkk., 2015). Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 Kaolin Al 2 Si 2 O 7 + H 2 O Metakaolin Karakterisasi kaolin dan metakaolin menggunakan XRD menunjukkan bahwa kandungan kaolin sebagai material utama sebesar 72% dengan kuarsa sebesar 27% dan komponen kecil lainnya sebesar 1%. Identifikasi kaolin pada karakterisasi XRD menunjukkan puncak pada sudut 2θ yang khas pada 12,34 dan 24,64. Pola XRD pada metakaolin menunjukkan perubahan yang signifikan dibandingkan dengan kaolin. Hal ini ditunjukkan dengan hilangnya puncak difraksi kaolin dan munculnya aluminosilikat amorf. Metakaolin merupakan struktur amorf dengan puncak difraksi tertinggi setara dengan banyaknya kuarsa yang terdapat pada metakaolin. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.3 (Gougazeh dan Buhl, 2014).

22 9 Gambar 2.3 Pola Difraktogram a) Kaolin b) Metakaolin (Gougazeh dan Buhl, 2014) 2.3 Zeolit Zeolit merupakan mineral kristal aluminosilikat hidrat yang memiliki struktur tiga dimensi, berbentuk tetrahedral, tersusun atas [SiO 4 ] 4- dan [AlO 4 ] 5- yang saling terhubungkan oleh atom-atom oksigen, sehingga membentuk kerangka tiga dimensi terbuka yang mengandung saluran-saluran dan ronggarongga, yang didalamnya terisi oleh ion-ion logam. Ion logam biasanya adalah logam alkali atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas (Chetam, 1992). Struktur zeolit ditunjukkan pada Gambar 2.4.

23 10 Si Si O O Al - H + O O Si Si Gambar 2.4 Struktur Tetrahedral Zeolit (Etim dkk., 2016) Zeolit banyak digunakan sebagai katalis dalam proses penyulingan minyak, industri petrokimia, dan sintesis bahan kimia. Selain itu zeolit juga digunakan sebagai adsorben dan pertukaran ion pada industri pemisahan dan pemurnian fluida (Zhu dkk., 2009). Berdasarkan asalnya, zeolit dibagi menjadi dua, yaitu zeolit alam yang terbentuk akibat proses vulkanik di dalam lapisan perut bumi dan zeolit sintetis yang dapat disintesis dari prekursor silika dan alumina. Zeolit sintetik lebih banyak digunakan dibandingkan dengan zeolit alam. Hal ini dikarenakan zeolit sintetik memiliki struktur dan sifat yang dapat direkayasa sehingga selektivitas zeolit sintetik lebih tinggi dari pada zeolit alam (Kadja dkk., 2013). 2.4 ZSM-5 Zeolit ZSM-5 merupakan salah satu jenis zeolit yang pertama kali dibuat oleh divisi katalis Mobil Oil Corporation pada tahun 1972 (Wang dkk, 2007). ZSM-5 merupakan salah satu zeolit yang memiliki struktur MFI (Mobile Five-I) (Gambar 2.5). Struktur tersebut memiliki dua saluran, yaitu saluran melingkar

24 11 dengan ukuran 5.3 Å x 5.6 Å dan saluran elips dengan ukuran 5.1 Å x 5.5 Å. Saluran pada sturuktur MFI mudah mengalami difusi benzen, baik benzen monosubtitusi, benzen para-disubtitusi, maupun senyawa alifatik monometilbercabang (Busca, 2014). Gambar 2.5 Struktur MFI Zeolit ZSM-5 (Burca, 2014) Sintesis zeolit ZSM-5 dari kaolin sebagai sumber silikat dan aluminat dapat dilakukan menggunakan metode hidrotermal (Wang dkk., 2007). Sebelum dilakukan proses hidrotermal, terlebih dahulu dilakukan aktifasi termal pada bahan kimia yang terdapat pada kaolin. Pertama dilakukan metakaolinisasi, yaitu kalsinasi kaolin pada suhu tinggi untuk mengubah kaolin yang bersifat stabil menjadi metakaolin yang bersifat reaktif. Kedua dilakukan optimasi pembentukan gel dengan menggunakan parameter konsentrasi NaOH dan waktu aging. Proses aging merupakan proses pengadukan sampel pada suhu dan waktu tertentu. Ketiga

25 12 dilakukan proses hidrotermal, yaitu proses pengubahan gel menjadi zeolit ZSM-5 menggunakan suhu tinggi pada selang waktu tertentu (Ayele dkk., 2015). 2.5 Mesopori pada zeolit ZSM-5 Zeolit ZSM-5 merupakan material mikropori aluminosilikat yang memilki struktur dan komposisi pori yang baik. Zeolit ZSM-5 memiliki difusi yang terbatas. Hal ini dikarenakan zeolit ZSM-5 memiliki ukuran pori yang kecil sehingga transport molekul pada sisi aktif zeolit menjadi terbatas akibatnya aktivitas katalitik menjadi menurun (Wang dkk., 2015). Untuk mengatasi hal tersebut maka dilakukan sintesis zeolit ZSM-5 mesopori. Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dapat dilakukan dengan menggunakan metode desilikasi. Desilikasai merupakan metode yang digunakan untuk membuat ekstra porositas pada zeolit yang banyak mengandung Si serta pada zeolit yang memiliki struktur tipe MFI. Porositas yang baru dibuat tersebut diperoleh dari pengurangan kerangka Si akibat adanya ion OH - pada proses hidrolisis. Proses desilikasi dilakukan dengan menggunakan larutan alkali, perlakuan alkali tersebut dipengaruhi suhu, waktu dan rasio Si/Al. Desilikasi zeolit yang memiliki rasio Si/Al antara dengan perlakuan yang optimal menghasilkan ukuran mesopori tanpa mempengaruhi ukuran mikropori maupun sifat keasaman. Pada Gambar 2.6 menunjukkan proses desilikasi dengan menggunakan perlakuan alkali menghasilkan zeolit ZSM-5 mesopori tanpa mempengaruhi sifat asam (Groen dkk., 2005).

26 13 Gambar 2.6 Proses Desilikasi dengan Perlakuan Alkali pada Zeolit ZSM-5 dengan Rasio Si/Al 30 (Groen dkk., 2005) 2.6 Karakterisasi Untuk mengetahui unsur-unsur kimia, sifat-sifat dan kemampuan suatu material maka perlu dilakukan karakterisasi, yaitu menggunakan X-Ray Fluorescence (XRF), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) dan analisis fisisorpsi N X-Ray Fluorescence (XRF) X-Ray Fluorescence (XRF) merupakan teknik analisis non destruktif yang digunakan untuk menganalisis komposisi kimia baik yang terdapat pada sampel padat maupun cair dengan selektifitas tinggi. Metode tersebut sangat efektif dan efisisen untuk analisis sampel padat, misalnya keramik, logam, dan batuan (Verma, 2007). Prinsip dasar XRF adalah ketika elektron keluar dari kulit atom yang berenergi rendah, maka terbentuk lubang kosong, lubang ini selanjutnya akan diisi oleh elektron dari kulit atom yang berenergi tinggi (Zhang, 2016).

27 14 Gambar 2.7 Emisi Foton Sinar X (Verma, 2007) Pada penelitian yang telah dilakukan oleh Mohiuddin dkk. (2016) menunjukkan bahwa kaolin tanpa pemanasan sebagian besar terdiri dari SiO 2 dan Al 2 O 3. Konsentrasi SiO 2 lebih tinggi dibandingkan dengan konsentrasi Al 2 O 3 karena pada SiO 2 terdapat kuarsa. Selain SiO 2 dan Al 2 O 3 terdapat komponen lain pada kaolin yaitu besi, kalium, magnesium, dan titanium. Kaolin tanpa permanasan memiliki rasio mol SiO 2 /Al 2 O 3 sebesar 3,6. Pada kaolin yang mengalami pemanasan menunjukkan komponen SiO 2 menurun akibat dari hilangnya kuarsa. Hal ini mengakibatkan komponen Al 2 O 3 dan K 2 O menjadi meningkat sehingga rasio mol SiO 2 /Al 2 O 3 sebesar 1,57 mendekati nilai teoritis rasio mol SiO 2 /Al 2 O 3 kaolin 1. Tabel 2.1 Komposisi Kimia pada Kaolin Tanpa Pemanasan (RK) dan Kaolin dengan Pemanasan (BK) (Mohiuddin dkk., 2016) Sampel Komponen Oksida (w.t%) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 K 2 O MgO RK BK X-Ray Diffraction (XRD) X-Ray Diffraction (XRD) merupakan alat karakterisasi yang yang digunakan untuk mengidentifikasi struktur dan kristalinitas pada sintesis zeolit dan sampel kristal lainnya (Weller, 1994). Prinsip kerja XRD didasarkan pada fenomena hamburan kristal yang mengalami difraksi kisi pada sinar X. Menurut

28 15 hukum Bragg, sinar X ditembakkan pada tumpukan bidang datar yang terdapat dalam kristal, maka sinar yang dipantulkan menghasilkan sudut pantul yang besarnya sama dengan sudut datang, seperti pada Gambar 2.8 (Clearfield, 2008). Gambar 2.8 Pemantulan Berkas Sinar X pada Bidang Kristal (Zhang, 2016) Penelitian yang telah dilakukan Feng dkk. (2009) menunjukkan sintesis zeolit ZSM-5 dari kaolin menghasilkan kristalinitas tinggi dengan rasio mol Si/Al 18,8, ph 10,5, dan kristalisasi dilakukan pada suhu 180 C selama 24 jam. Hasil karakterisasi menunjukkan adanya puncak khas yang dimiliki oleh zeolit ZSM-5, yaitu puncak pada sudut 7,9, 8,7, 23,0, dan 23,9 yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.

29 16 Gambar 2.9 Pola Difraktogram Zeolit ZSM-5 (Feng dkk., 2009) Fourier Transform Infrared (FTIR) Fourier Transform Infrared (FTIR) merupakan cara yang didasarkan pada interaksi antara radiasi IR dengan sampel baik berupa padatan, cairan, atau gas. Metode analisis ini digunakan untuk mengukur frekuensi dan intensitas sampel. Frekuensi yang dihasilkan digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi pada sampel karena setiap gugus fungsi menyerap radiasi pada frekuensi yang berbeda. Komponen konsentrasi ditentukan berdasarkan intensitas serapan. Daerah inframerah pada spektrum elektromagnetik memanjang dari daerah tampak sampai daerah gelombang mikro, ditunjukkan pada Gambar 2.10 (Smith, 2011).

30 17 Gambar 2.10 Spektrum Elektromagnetik (Smith, 2011) Prinsip FTIR ditunjukkan pada Gambar 2.11, yaitu sumber radiasi IR dipancarkan pada dua kaca yang berbeda. Salah satu kaca diam dan lainnya bergerak dengan kecepatan konstan. Kedua kaca yang berbeda, mula-mula memantulkan radiasi IR sehingga terjadi penggabungan kedua radiasi IR dari kaca yang berbeda, kemudian radiasi IR ini bergerak melewati sampel dan detektor. Pada detektor tersebut tercatat semua panjang gelombang sampel dalam rentang IR (Blum dan John, 2012). Gambar 2.11 Interferometer Menggunakan FTIR (Blum dan John, 2012)

31 18 Liu dkk. (2015) telah menganalisis zeolit ZSM-5 dari rektorit dengan perlakuan yang berbeda menggunakan spektrum FTIR. Gambar 2.12 menunjukkan rektorit tanpa perlakuan (Re), rektorit dengan perlakuan panas (T- Re), rektorit dengan penambahan alkali (AF-Re) dan rektorit diaktivasi menggunakan SMS (SMS-Re). Pada bilangan gelombang 1029 cm -1, Si-O-Si mengalami stretching, namun AF-Re dan SMS-Re mengalami pergeseran dari panjang gelombang 1029 cm -1 menuju bilangan gelombang 980 cm -1 akibat hilangnya matriks alumunium dan terbentuknya empat alumunium terkoordinasi. Bilangan gelombang 550 cm -1 merupakan pita kristalinitas molekul zeolit. Spektrum menunjukkan, pada bilangan gelombang tersebut terdapat puncak pada Re dan T-Re, sedangan AF-Re dan SMS-Re hilang akibat SiO 4 tetrahedral dan AlO 6 oktahedral hilang. Aktivitas SMS-Re dan AF-Re lebih efektif pada perlakuan panas (Liu dkk., 2015). Gambar 2.12 Spektra FTIR pada Zeolit ZSM-5 (Liu dkk., 2015)

32 Fisisorpsi N 2 Penentuan luas permukaan dan distribusi ukuran pori pada zeolit dan kaolin menggunakan adsorpsi N 2. Hal ini dikarenakan nitrogen merupakan bahan serap yang disukai karena memiliki momen quadra-pole permanen yang bertanggung jawab dalam pembentukan monolayer pada permukaan, selain itu nitrogen cair sangat berlimpah. Pada dasarnya adsorpsi dibagi menjadi dua, yaitu adsorpi fisik (fisisorpsi) dan adsorpsi kimia (kemisorpsi). Fisisorpsi merupakan jenis adsorpsi fisik dialam yang dikendalikan oleh gaya Van Der Waals, sedangkan kemisorpsi melibatkan pembentukan ikatan ionik dan kovalen antara adsorben dan adsorbat. Adsorben merupakan fasa padat, sedangkan adsorbat merupakan fasa fluida. Pada kemisorpi ionik, molekul terbatasi pada daerah reaktif permukaan material sehingga adsorpsi hanya pada daerah monolayer. Proses fisisorpsi dapat melibatkan pembentukan multilayer sehingga fisisorpsi lebih kuat dibandingkan dengan kemisorpsi. Fisisorpsi terutama digunakan untuk menentukan luas permukaan dan ukuran pori pada suatu bahan (Allen, 1997). Ukuran pori pada material dibagi menjadi 3, yaitu non pori, mikropori, dan mesopori. Material non pori memilki permukaan hampir datar sehingga luas permukaannya sangat rendah akibatnya pada proses adsorpsi hanya sedikit gas yang teradsorsi. Pada tekanan, P/P 0 = 0, gas yang teradsorpsi sangat sedikit, terlihat pada koordinatnya yang sangat rendah. Pada tekanan, P/P 0 < 1, gas yang teradsorpsi hanya pada daerah monolayer, terlihat kurva naik sedikit. Pada tekanan, P/P 0 = 1, gas yang teradsorpsi terjadi pada daerah multilayer, terlihat

33 20 puncak naik tajam. Pada material non pori jumlah gas yang terdesorpsi sama dengan jumlah gas yang teradsopsi (Perry, 1997). Gambar 2.13 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material non Pori (Perry, 1997) Berbeda dengan material non pori dan mesopori, material mikropori memiliki adsorpsi yang kompleks. Pada material mikropori terjadi overlap potensial dari kedua sisi dinding pori sehingga potensial adsorpsinya meningkat. Semakin meningkat potensial adsorpsi tersebut maka semakin kecil ukuran pori sehingga energi adsorpsi meningkat. Proses adsorpsi terjadi pada tekanan rendah sehingga gas terlebih dahulu mengisi mikropori yang berukuran kecil kemudian mengisi mikropori yang berukuran besar. Pada tekanan, P/P 0 = 0, gas yang teradsorpsi banyak, sehingga kurva naik tajam. Gas yang teradsorpsi pada material mikropori lebih besar dari pada material mesopori sehingga luas permukaan mikropori lebih tinggi dari pada material mesopori. Pada material mikropori jumlah gas yang terdesorpsi sama dengan jumlah gas yang teradsopsi (Perry, 1997).

34 21 Gambar 2.14 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mikropori (Perry, 1997) Material mesopori pada tekanan, P/P 0 = 0, gas yang teradsorpsi sangat sedikit, pada daerah monolayer belum terjenuhi. Pada tekanan, P/P 0 < 1 gas teradsopsi pada daerah monolayer telah terjenuhi, pada tekanan (P/P 0 ) sekitar 0.5 volume gas teradsorbsi pada daerah multilayer, sedangkan pada tekanan (P/P 0 ) = 1 volume gas teradsorpsi pada daerah mesopori. Tekanan yang sangat tinggi menyebabkan jumlah gas yang teradsorpsi sangat besar sehingga kurva isotermal naik. Ketika tekanan turun terjadi loop histerisis, yaitu jumlah gas yang teradsorpsi tidak sama dengan jumlah gas yang terdesorpsi. Histerisi terjadi karena adanya kondensasi kapiler pada mesopori (Perry, 1997).

35 22 Gambar 2.15 Mekanisme Adsorpsi-Desorpsi pada Material Mesopori (Perry, 1997) Groen dkk. (2005) telah mengamati proses adsorpsi dan desorpsi N 2 pada zeolit ZSM-5 dengan perlakuan dan rasio yang berbeda, yaitu perlakuan alkali pada rasio 15 (Z-15-at), rasio 35 (Z-35-at), dan rasio 200 (Z-200-at), perlakuan uap pada rasio 15 (Z-15-st), rasio 35 (Z-35-st), dan rasio 200 (Z-200-st) serta zeolit ZSM-5 tanpa perlakuan pada rasio 15 (Z-15-nt), rasio 35 (Z-35-nt) dan rasio 200 (Z-200-nt). Pada ZSM-5 tanpa perlakuan menunjukkan karakteristik tipe I, yaitu zeolit ZSM-5 berukuran mikropori. Hal ini ditunjukkan dengan jumlah volume absorbansi tinggi. Adsorpsi N 2 pada zeolit ZSM-5 dengan perlakuan uap menunjukkan sedikit perubahan yang ditunjukkan pada jumlah volume absorbansi sedikit lebih menurun dibandingkan dengan adsorpsi N 2 tanpa perlakuan. Pada perlakuan uap tersebut luas permukaan mesopori Z-200-st lebih besar dari pada Z- 35-st dan luas permukaan Z-35-st lebih besar dari pada Z-15-st. Hal ini

36 23 dikarenakan dengan adanya perlakuan uap konsentrasi Al dalam zeolit menurun, sehingga semakin sedikit konsentrasi Al dalam zeolit maka luas permukaan mesoporinya semakin besar. Adsorpsi N 2 dengan perlakuan alkali mengakibatkan zeolit berukuran mesopori, ditunjukkan pada jumlah volume absorbansi menurun dibandingkan dengan adsorbsi N 2 tanpa perlakuan. Perlakuan tersebut menyebabkan luas permukaan pada Z-35 dan Z-200 meningkat karena rasio Si/Al tinggi, selain itu juga dikarenakan pada Z-35 dan Z-200 terdapat histeresis, semakin tinggi histeresis maka semakin besar luas permukaan (Gambar 2.16). Gambar 2.16 Adsorpsi desorpsi N 2 pada zeolit ZSM-5 dengan perbedaan perlakuan (Groen dkk., 2005) Groen dkk. (2005) telah meneliti ditribusi ukuran pori menggunakan metode Barrett-Joyner-Halenda (BJH), dan menghitung total luas permukaan menggunakan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET). Luas permukaan pori terdiri dari permukaan luar partikel maupun ukuran mesopori dan mikropori.

37 24 Metode t-plot digunakan untuk membedakan antara mikropori dan mesopori, saito-foley digunakan untuk menghitung distribusi ukuran mikropori, dan ICP- OES digunakan untuk menentukan konsentrasi Al dan Si pada zeolit. Pada Gambar 2.17 menunjukkan distribusi ukuran pori zeolit ZSM-5 dengan rasio Si/Al 35 pada perlakuan yang berbeda. Zeolit ZSM-5 dengan rasio Si/Al 35 tanpa perlakuan (Z-35-nt), dengan perlakuan uap (Z-35-st), dengan perlakuan alkali (Z- 35-at), dengan perlakuan alkali uap (Z-35-at-st) dan dengan perlakuan uap alkali(z-35-st-at). Z-35-st kurang efektif dalam pengurangan Si dan pembentukan mesopori dibandingkan dengan Z-35-nt. Z-35-st memiliki rasio Si/Al lebih tinggi dibandingkan dengan Z-35-nt, sehingga Z-35-st sulit mengalami desilikasi. Z-35- st-at memiliki rasio Si/Al 38, sedangkan Z-35-at memiliki rasio Si/Al 24. Hasil adsorpsi N 2 menunjukkan Z-35-st-at mengalami perkembangan mesopori yang terbatas dengan volume mikropori yang sulit mengalami penurunan sehingga hasil BJH ditribusi ukuran pori menunjukkan mesopori Z-35-st-at lebih rendah dibandingkan Z-35-at, yaitu dengan volume mesopori Z-35-st-at 0,16 sedangkan Z-35-at 0,48.

38 25 Gambar 2.17 Kurva distribusi pori zeolit ZSM-5 dengan perlakuan yang berbeda (Groen dkk., 2005).

39 BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian untuk sintesis dilaksanakan di Laboratorium Kimia Analitik dan Laboratorium Penelitian, Departemen Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. Karakterisasi sampel dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan Fourier Transform Infrared (FTIR) dilakukan di Teknik Material, jurusan Material dan Metalurgi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, analisis fisisorbsi N 2 dilakukan di Laboratorium Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Jakarta, Jakarta, serta karakterisasi X-Ray Fluorescence (XRF) dilakukan di Laboratorium Sentral, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang. Penelitian dilaksanakan mulai bulan Februari 2016 sampai dengan bulan Juni Bahan dan Alat Penelitian Bahan-bahan penelitian Bahan-bahan yang digunakan adalah kaolin alam, yang diperoleh dari Kepulauan Bangka dan Belitung, natrium hidroksida (NaOH Merck 99%), asam klorida (HCl Merck 37%), dan akuades. 26

40 Alat-alat penelitian Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah autoclave stainless steel, hotplate merk Cimarec, pengaduk magnetik, oven Memmert UNB 400, furnace merk Nabartherm, centrifuge merk Hittech, timbangan analitik merk Ohauss Analytical Balance, dan seperangkat alat gelas yang biasa digunakan di laboratorium kimia. Instrumen yang digunakan untuk karakterisasi pada penelitian ini adalah X-Ray Fluorescence (XRF) (Philip Analytical JOEL JSX-3400R), X- Ray Diffraction (XRD) (Philip Analytical JOEL JDX-3530), Fourier Transform Infrared (FTIR) (Shimadzu) dan instrumen analisis fisisorpsi N 2 (ASAP 2020 V4.02 (V4.02 E)).

41 Diagram Alir Penelitian Metakaolinisasi Kaolin Bangka dan Belitung Dikalsinasi pada suhu 650 C selama 8 jam Metakaolin Karakterisasi dengan XRD dan XRF Dealuminasi metakaolin 5 g Metakaolin Campuran dalam gelas beker Ditambah 25 ml HCl 8M atau 6M (1:5 g/ml), dipanaskan dan diaduk pada suhu 80 C selama 2 jam Dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam Metakaolin terdealuminasi Karakterisasi dengan XRF

42 Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik 1 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M dan 0,5 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M Campuran dalam botol polipropilen Campuran dalam autoklav stainless steel Campuran dalam beker poliproilen Ditambah 30 ml akuades dan 0,4 g NaOH, dengan perbandingan rasio molar 0,047 SiO 2 :0,010 NaOH:1,67 H 2 O Diaduk selama 3 jam pada suhu kamar Dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 48 jam Dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam Zeolit ZSM-5 mikropori Karakterisasi dengan XRD dan FTIR

43 Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik dengan penambahan aluminat 2 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M Ditambah 0,089 g aluminat, 42 ml akuades dan 0,565 g NaOH, dengan perbandingan rasio molar 0,066 SiO 2 :0,014 NaOH:2,333 H 2 O Campuran dalam botol polipropilen Diaduk selama 3 jam pada suhu kamar Campuran dalam autoklav stainless steel Dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 48 jam Campuran dalam beker poliproilen Dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam Zeolit ZSM-5 mikropori Karakterisasi dengan XRD dan FTIR

44 Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik 1 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M dan 0,5 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M Campuran dalam botol polipropilen Campuran dalam autoklav stainless steel Campuran dalam beker poliproilen Ditambah 34 ml akuades dan 4 g NaOH, dengan perbandingan rasio molar 0,05 SiO 2 :0,1 NaOH:1,9 H 2 O Diaduk selama 5 jam lalu didiamkan selama 19 jam pada suhu kamar Dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 72 jam Dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam Zeolit ZSM-5 mikropori Karakterisasi dengan XRD

45 Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik 0,2630 g zeolit ZSM-5 Mikropori Ditambah 30 ml akuades dan 0,155 g NaOH Campuran dalam botol polipropilen Dihidrotermal dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam Campuran Larutan Padatan Dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 ZSM-5 Mesopori Karakterisasi fisisorpsi N 2

46 Prosedur Penelitian Metakaolinisasi Kalsinasi dilakukan pada kaolin Bangka dan Belitung menggunakan furnace pada temperatur 650 C, selama 8 jam sehingga diperoleh metakaolin. Metakaolin yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan XRD dan XRF Dealuminasi metakaolin Sebanyak 5 g metakaolin dilarutkan dalam 25 ml HCl 8M dan 6M. Campuran tersebut dipanaskan dan diaduk pada suhu 80 C selama 2 jam (Pan dkk., 2014). Kemudian campuran larutan tersebut dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam. Metakaolin hasil dealuminasi dikarakterisasi menggunakan XRF Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sebanyak 1 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M dan 0,5 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M ditambah dengan 0,4 g NaOH dan 30 ml akuades dengan rasio molar 0,047 SiO 2 :0,010 NaOH:1,67 H 2 O. Campuran tersebut diaduk selama 3 jam pada suhu kamar. Kemudian campuran tersebut dipindahkan ke dalam autoclave stainless steel, lalu dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 48 jam (Pan dkk., 2014). Produk dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven

47 34 pada suhu 100 C selama 24 jam. Selanjutnya produk dikarakterisasi menggunakan XRD dan FTIR Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik dengan penambahan aluminat Sebanyak 2 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M ditambah dengan 0,089 g aluminat, 0,565 g NaOH dan 42 ml akuades dengan rasio molar 0,066 SiO 2 :0,014 NaOH:2,333 H 2 O. Campuran tersebut diaduk selama 3 jam pada suhu kamar. Kemudian campuran tersebut dipindahkan ke dalam autoclave stainless steel, lalu dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 48 jam (Pan dkk., 2014). Produk dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam. Selanjutnya produk dikarakterisasi menggunakan XRD dan FTIR Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik Sebanyak 1 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M dan 0,5 g metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M ditambah dengan 4 g NaOH dan 34 ml akuades dengan rasio molar 0,05 SiO 2 :0,1 NaOH:1,9 H 2 O. Campuran tersebut diaduk selama 5 jam lalu didiamkan selama 19 jam pada suhu kamar. Kemudian campuran tersebut dipindahkan ke dalam autoclave stainless steel, lalu dihidrotermal dalam oven pada suhu 170 C selama 72 jam (Cheng dkk., 2005). Produk dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam. Selanjutnya produk dikarakterisasi menggunakan XRD.

48 Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik Sebanyak 0,2630 g zeolit ZSM-5 mikropori ditambah dengan 30 ml akuades dan ditambah dengan 0,155 g NaOH. Selanjutnya campuran dipindahkan ke dalam botol polipropilen dan dilakukan hidrotermal pada suhu 100 C selama 24 jam (Yoo dkk., 2012). Produk dicuci dengan akuades menggunakan sentrifuse sampai ph netral, lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam. Selanjutnya produk dikarakterisasi menggunakan fisisorpsi N Karakterisasi ZSM Karakterisasi X-Ray Diffraction (XRD) Sampel dalam bentuk serbuk ditempatkan pada plat besi dan dipadatkan, kemudian plat besi diletakkan dalam alat XRD dan dianalisis menggunakan radiasi Cu Kα (λ= 1,5405Å) dengan energi sebesar 40 kv pada 2θ = Karakterisasi X-Ray Fluorescence (XRF) Sampel dalam bentuk serbuk dengan ukuran ±100 mesh dimasukkan ke dalam tube sampel sebanyak ±1/3 bagian dari tinggi tube sampel, selanjutnya sampel diletakkan dalam alat XRF dan dianalisis menggunakan energi sebesar 2,2 kw Karakterisasi Fourier Transform Infrared (FTIR) Sampel dalam bentuk serbuk dicampur dengan KBr bebas air dan telah digerus halus. Pencampuran dilakukan dalam mortar. Campuran tersebut

49 36 selanjutnya ditekan menggunakan alat penekan hidrolitik sehingga terbentuk lempengan bulat tipis yang transparan, kemudian sampel yang telah jadi dimasukkan ke dalam wadah sampel dan direkam spektrumnya dengan peralatan FTIR pada rentang bilangan gelombang cm Karakterisasi fisisorpsi N 2 Sampel dalam bentuk serbuk divakum pada suhu 523 K selama 24 jam, selanjutnya sampel dimasukkan ke dalam sampel sel dan dihubungkan dengan port gas pada alat fisisorpsi N 2. Nitrogen cair pada suhu 77 K dituang ke dalam thermostat yang secara otomatis akan merendam sampel sel sehingga proses analisis berlangsung pada suhu konstan, yaitu 77 K.

50 BAB IV PEMBAHASAN Pada umumnya, zeolit ZSM-5 disintesis dengan menggunakan cetakan zat organik, namun zat organik tersebut merugikan karena bersifat toksik. Pada penelitian ini, dilakukan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa menggunakan cetakan zat organik. Bahan yang digunakan sebagai sumber silika dan alumina adalah metakaolin terdealuminasi. Metakaolin terdealuminasi diperoleh dari dealuminasi metakaolin. Metakaolin diperoleh dari kalsinasi kaolin pada suhu tinggi. Kaolin yang digunakan berasal dari Kepulauan Bangka dan Belitung. 4.1 Metakaolinisasi Metakaolinisasi merupakan proses perubahan komponen kimia dari kaolin yang bersifat stabil menjadi metakaolin yang bersifat reaktif. Metakaolinisasi dilakukan dengan melakukan kalsinasi kaolin pada suhu 650 C selama 8 jam. Kalsinasi dilakukan dengan cara meletakkan kaolin pada tutup krus porselen secara merata dan tipis, kira-kira 1 mm, agar kaolin teraliri oleh panas secara merata. Menurut Ayele dkk., (2015) proses kalsinasi kaolin dilakukan pada rentang suhu 400 C C. Hal ini dikarenakan pada suhu tersebut kandungan silika dan alumina pada kaolin menjadi lebih reaktif. Jika suhu kalsinasi lebih rendah dari 400 C, maka lempengan-lempengan kaolin belum mengalami kerusakan, artinya komponen kimia kaolin masih dalam bentuk yang stabil. Jika 37

51 38 suhu kalsinasi lebih besar dari 700 C, maka akan terbentuk fasa yang sangat stabil. Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 Kaolin Al 2 Si 2 O 7 + H 2 O Metakaolin Sampel metakaolin dianalisis menggunakan X-Ray Fluorescence (XRF) dan X-Ray Diffraction (XRD). XRF digunakan untuk mengetahui komposisi kimia pada metakaolin. Hasil analisis XRF metakaolin dapat dilihat pada Tabel 4.1 yang menunjukkan adanya senyawa Al 2 O 3 sebesar 38,60±0,080% dan senyawa SiO 2 sebesar 54,30±0,090%. Kadar Al 2 O 3 dan SiO 2 cukup besar sehingga memungkinkan untuk dijadikan sebagai bahan dasar zeolit. Namun untuk sintesis zeolit ZSM-5 perlu diturunkan kadar Al 2 O 3. Tabel 4.1 Data XRF Metakaolin No Nama Senyawa Kadar (%) 1 Al 2 O 3 38,60±0,080 2 SiO 2 54,30±0,090 3 K 2 O 0,72±0,008 4 CaO 0,58±0,008 5 TiO 2 1,57±0,009 6 V 2 O 5 0,03±0,007 7 Cr 2 O 3 0,05±0,007 8 MnO 0,04±0,001 9 Fe 2 O 3 3,38±0, NiO 0,49±0, CuO 0,08±0, ZnO 0,02±0, Ga 2 O 3 0,04±0, Re 2 O 7 0,07±0,004 Karakterisasi XRD digunakan untuk mengetahui kristalinitas dan struktur pada metakaolin. Analisis XRD dilakukan menggunakan sinar radiasi Cu Kα (λ =

52 39 1,54056 Å) dengan sudut 2θ = Difraktogram hasil analisis XRD dapat dilihat pada Gambar 4.1. Kaolin memiliki puncak khas pada 2θ = 12,3 dan 24,8. Selain itu, difraktogram juga menunjukkan kaolin mempunyai kuarsa yang rendah pada 2θ = 26,6. Metakaolin tidak menunjukkan adanya puncak khas yang dimiliki oleh kaolin dan mempunyai struktur yang amorf. Hal ini menunjukkan adanya perubahan struktur dari kaolin menjadi metakaolin akibat dari adanya proses kalsinasi yang menyebabkan hilangnya struktur air. Selain itu, difraktogram juga menunjukkan metakaolin mempunyai kuarsa dengan tingkat kristalinitas yang tinggi. Intensitas (%) a 400 b θ Gambar 4.1 Pola Difraktogram a) Metakaolin b) Kaolin

53 Dealuminasi Metakaolin Dealuminasi metakaolin merupakan proses pelepasan atom Al dari kerangka metakaolin dengan tujuan untuk mendapatkan rasio mol Si/Al yang tinggi. Dealuminasi metakaolin dilakukan dengan mencampurkan metakaolin ke dalam HCl 8M dengan perbandingan 1:5 g/ml. Selanjutnya campuran tersebut diaduk dan dipanaskan pada suhu 80 C selama 2 jam dengan menggunakan refluks. Pada proses ini, campuran berubah dari berwarna putih menjadi kuning kehijauan. Hal ini menunjukkan adanya reaksi yang terjadi antara metakaolin dengan HCl. Selanjutnya campuran tersebut dicuci menggunakan akuades sampai ph netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 100 C selama 24 jam. Proses dealuminasi metakaolin juga dilakukan dengan menggunakan HCl 2, 3, 4, 5, 6, dan 7M. Sampel metakaolin terdealuminasi selanjutnya dianalisis menggunakan X- Ray Fluorescence (XRF) untuk mengetahui komposisi kimia yang terkandung dalam metakaolin terdealuminasi. Hasil analisis XRF dapat dilihat pada Tabel 4.2 yang menunjukkan metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8M dengan kandungan SiO 2 berturut-turut sebesar 64,5±0,1%, 67,2±0,097%, 68,4±0,1%, 72,0±0,09%, 78,7±0,07%, 91,6±0,04%, 92,0±0,05% dan kandungan Al 2 O 3 berturut turut sebesar 25,2±0,08%, 22,1±0,07%, 21,0±0,06%, 17,6±0,07%, 11±0,05%, 0%, 0%. Hal ini menunjukkan semakin besar konsentrasi HCl yang digunakan pada proses dealuminasi metakaolin maka semakin banyak jumlah Al yang hilang. Menurut Bai dkk., (2009) semakin tinggi konsentrasi asam yang

54 41 digunakan dalam proses dealuminasi maka semakin rendah kristalinitas dan semakin besar rasio Si/Al. Tabel 4.2 Data XRF metakaolin terdealuminasi No Konsentrasi HCl (M) Kadar (%) Notasi SiO 2 Al 2 O ,5±0,1 25,2±0,08 MDA ,2±0,097 22,1±0,07 MDA ,4±0,1 21,0±0,06 MDA ,0±0,09 17,6±0,07 MDA ,7±0,07 11±0,05 MDA ,6±0,04 0 MDA ,0±0,05 0 MDA Sintesis Zeolit ZSM-5 Mikropori Tanpa Cetakan Zat Organik Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik dilakukan dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014) dengan komposisi molar bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah 0,047 SiO 2 :0,010 NaOH:1,67 H 2 O. Sintesis dilakukan dengan menggunakan campuran MDA-6 dan MDA-8 sebagai sumber silika dan alumina. Hal ini dikarenakan pada MDA-8 memiliki kandungan SiO 2 yang tinggi, yaitu 92,0±0,05% dan tidak terdapat kandungan Al 2 O 3. Sedangkan MDA-6 memiliki kandungan SiO 2 sebesar 78,7±0,07% dan kandungan Al 2 O 3 sebesar 11±0,05%. Jumlah MDA-8 yang digunakan dua kali lebih banyak dibandingkan dengan MDA-6. Hal ini dikarenakan agar rasio mol Si/Al menjadi tinggi, yaitu sebesar 23. Campuran metakaolin terdealuminasi tersebut selanjutnya ditambahkan sedikit semi sedikit kedalam larutan NaOH 0,3 M. Ini bertujuan agar metakaolin terdealuminasi bereaksi secara sempurna dengan NaOH membentuk Si(OH) 4 dan Al(OH) 4 sehingga larutan NaOH dari yang tidak

55 42 berwarna menjadi berwarna putih keruh. NaOH berfungsi melarutkan Si(OH) 4 dan Al(OH) 4 menjadi bentuk kristal zeolit ZSM-5. Pengadukan dilakukan selama 3 jam, ini merupakan proses aging, yaitu proses pembentukan inti kristal zeolit ZSM-5. Pada proses aging silikat, aluminat, dan NaOH bercampur membentuk dua fasa, yakni fasa padat berupa gel amorf dan fasa larutan berupa larutan lewat jenuh. Kedua fasa tersebut dalam keadaan yang seimbang. Gel amorf secara bertahap larut dan mengalami penataan ulang struktur membentuk inti kristal. Inti kristal muncul dari larutan lewat jenuh dan peleburan gel amorf. Pada tahap ini terjadi keseimbangan antara inti kristal, gel amorf sisa, dan larutan lewat jenuh. Reaksi pembentukkan gel adalah: Si(OH) 4 + NaAl(OH) 4 NaAlSiO 4.2H 2 O (gel) + 2H 2 O Campuran selanjutnya dipindahkan kedalam autoclave stainlees steel, kemudian dilakukan proses hidrotermal dengan suhu 170 C selam 48 jam. Pada proses ini inti kristal yang terbentuk dari proses aging tumbuh membesar mencapai ukuran kritis yang selanjutnya secara cepat tumbuh sebagai kristal. Selama proses hidrotermal, gel amorf sisa dari proses aging secara bertahap habis terlarut dan laju pertumbuhan meningkat hingga seluruh inti kristal tumbuh menjadi kristal. Reaksi pembentukan kristal adalah: NaAlSiO 4.4H 2 O (gel) NaAlSiO 4.2H 2 O (zeolit) + 2H 2 O Proses hidrotermal menggunakan autoclave stainlees steel, agar uap air dalam larutan tersebut tidak ada yang keluar sehingga komposisi molar tetap terjaga. Selanjutnya padatan dinetralkan menggunakan akuades lalu dikeringkan pada suhu 100 C selama 24 jam.

56 43 Sintesis zeolit ZSM-5 mikropori tanpa cetakan zat organik juga dilakukan dengan menggunakan penambahan aluminat. Cara kerjanya sama halnya dengan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa penambahan aluminat namun, bahan dasar yang digunakan dalam sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menggunakan MDA-8 sebagai sumber silika. Aluminat yang ditambahkan 22 kali lebih kecil dibandingkan dengan jumlah metakaolin terdealuminasi sehingga didapatkan rasio molar Si/Al sebesar 20. Selain itu, zeolit ZSM-5 juga dapat disintesis dengan menggunakan metode Cheng dkk., (2005). Komposisi molar bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu 0,05 SiO 2 :0,1 NaOH:1,9 H 2 O dengan rasio Si/Al= 23. Sintesis dilakukan dengan menggunakan MDA-6 dan MDA-8 sebagai sumber silika dan alumina. Metakaolin terdealuminasi dilarutkan sedikit demi sedikit menggunakan NaOH 3M hingga larut sempurna. Selanjutnya dilakukan pengadukan selama 5 jam lalu campuran didiamkan (diaging) selama 19 jam yang bertujuan agar inti kristal mulai terbentuk. Campuran kemudian dipindahkan ke dalam autoclave stainless steel, lalu dilakukan proses hidrotermal pada suhu 170 C selama 72 jam. Pada proses hidrotermal menggunakan autoclave stainless steel agar uap air tidak keluar sehingga komposisi molar campuran tetap terjaga. Selanjutnya padatan dinetralkan menggunakan akuades lalu dikeringkan pada suhu 100 C selama 24 jam Karakterisasi zeolit ZSM-5 mikropori tanpa menggunakan cetakan zat organik Untuk mengetahui karakteristik zeolit ZSM-5 dilakukan karakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan Fourier transform infrared (FTIR).

57 44 XRD digunakan untuk mengetahui kristalinitas dan struktur pada zeolit ZSM-5. Sedangkan FTIR digunakan untuk mengetahui gugus fungsi yang terdapat pada kerangka zeollit ZSM X-Ray Diffraction (XRD) Karakterisasi XRD dilakukan dengan menggunakan sinar radiasi Cu Kα (λ = 1,54056 Å) pada sudut 2θ = Hasil karakterisasi XRD zeolit ZSM-5 dapat dilihat pada Gambar 4.2. Hasil karakterisasi zeolit ZSM-5 metode Pan dkk., (2014) dengan waktu hidrotermal 48 jam pada suhu 170 C menunjukkan adanya difraktogram pada sudut 2θ = 8,0; 8,9; 23,0; 23,3; 23,7; 23,9 dan menunjukkan adanya kuarsa dan mordenit yang rendah. Hasil karakterisasi zeolit ZSM-5 metode Pan dkk., (2014) dengan waktu hidrotermal 48 jam pada suhu 170 C dengan penambahan aluminat menunjukkan adanya difraktogram pada sudut 2θ = 7,9; 8,8; 23,0; 23,3; 23,6; 23,8 dan menunjukkan adanya kuarsa dan mordenit yang rendah. Sedangkan, hasil karakterisasi zeolit ZSM-5 metode Cheng dkk., (2005) dengan waktu hidrotermal 72 jam pada suhu 170 C yang menunjukkan adanya difraktogram pada sudut 2θ = 6,3; 15,9; 18,4; 24,3; 26,0; dan 27,8. Menurut Feng dkk., (2009) ZSM-5 mempunyai difraktogram yang spesifik yaitu pada sudut 2θ = 7,9; 8,7; 23,0; dan 23,9. Dari hasil karakterisasi XRD tersebut menunjukkan bahwa zeolit ZSM-5 dapat disintesis tanpa menggunakan cetakan zat organik dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014) baik dengan menggunakan tambahan aluminat maupun tidak. Zeolit ZSM-5 tidak dapat disintesis dengan menggunakan metode Cheng dkk., (2005) karena jumlah NaOH

58 45 yang ditambahkan terlalu banyak dan waktu kristalisasi terlalu lama. Kandungan NaOH dengan rasio mol NaOH/SiO 2 melebihi 0,13 akan mengalami penurunan produk dan terbentuk fasa lain seperti kuarsa dan mordenit (Pan dkk., 2014). Selain itu waktu kristalisasi terlalu lama juga menyebabkan terbentuknya fasa lain. Kondisi optimum sintesis zeolit ZSM-5 dengan kemurnian tinggi berada pada waktu kristalisasi 48 jam (Mohiuddin dkk., 2016).

59 46 B a B Intensitas (%) b B c θ ( ) Gambar 4.2 Pola Difraktogram Zeolit ZSM-5 a) Metode Pan dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam Suhu 170 C b) Metode Pan dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam Suhu 170 C dengan Penambahan Aluminat c) Metode Cheng dengan Waktu Hidrotermal 72 Jam Suhu 170 C ( Zeolit ZSM-5 Kuarsa Mordenit)

60 Fourier Transform Infrared (FTIR) Karakterisasi FTIR digunakan untuk mengetahui gugus fungsi yang terdapat pada kerangka zeollit ZSM-5. Analisis FTIR dilakukan pada bilangan gelombang 400 sampai 1700 cm -1. Hal ini dikarenakan pada bilangan gelombang tersebut terdapat gugus fungsi yang dimiliki oleh zeolit ZSM-5. Karakterisasi FTIR hanya dilakukan pada hasil sintesis yang jadi zeolit ZSM-5 berdasarkan pola difraktogramnya, yaitu sintesis zeolit ZSM-5 pada suhu 170 C selama 48 jam menggunakan metode Pan dkk., (2014) baik dengan penambahan aluminat maupun tidak. Spektra FTIR hasil sintesis zeolit ZSM-5 ditunjukkan pada Gambar 4.3. Sintesis zeolit ZSM-5 tanpa penambahan aluminat menunjukkan pita serapan pada bilangan gelombang 418,59; 787,43; 1061,63; 1628,73 cm -1. Sedangkan sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menunjukkan pita serapan pada bilangan gelombang 449,43; 542,02; 786,98; 1003,02; 1084,03; 1224,84; 1641,48 cm -1. Menurut Goncalves dkk, (2008) Pita serapan pada daerah sekitar 1100 cm -1 merupakan pola vibrasi asimetris Si-O-Si dan pita serapan pada bilangan gelombang sekitar 800 cm -1 merupakan mode vibrasi simetris. Sementara itu, pita serapan pada bilangan gelombang sekitar 544 cm -1 merupakan puncak yang dimiliki oleh zeolit ZSM-5 yang menunjukkan adanya struktur MFI dan adanya gugus pentasil.

61 48 ~ 1200 cm -1 ~ 1100 cm -1 ~ 800 cm -1 ~ 544 cm -1 B ~ 450 cm -1 Transmitan (%) a b Bilangan Gelombang (cm -1 ) Gambar 4.3 Spektra FTIR Zeolit ZSM-5 dengan Waktu Hidrotermal 48 Jam pada Suhu 170 C a) Tanpa Penambahan Aluminat b) dengan Penambahan Aluminat 4.4 Sintesis Zeolit ZSM-5 Mesopori dengan Metode Desilikasi Tanpa Cetakan Zat Organik Sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik dilakukan dengan menggunakan metode Yoo dkk., (2012) dengan komposisi molar yang digunakan pada penelitian ini adalah 0,002 ZSM-5:0,004 NaOH:1,5 H 2 O. Sintesis dengan metode desilikasi dilakukan untuk mengubah zeolit ZSM-5 mikropori menjadi zeolit ZSM-5 mesopori. Zeolit ZSM-5 mikropori yang digunakan untuk pembentukan mesopori adalah zeolit ZSM-5 mikropori dengan waktu hidrotermal 48 jam pada suhu 170 C menggunakan metode Pan

62 Jumlah Adsorpsi (cm 3 /g STP) ADLN - PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA 49 dkk., (2014). Sampel dicampur dengan NaOH 0,1M dan diaduk dengan menggunakan pengaduk magnetik hingga tercampur merata. Kemudian campuran dihidrotermal pada suhu 100 C selama 24 jam dengan menggunakan botol pp yang tertutup rapat. Hidrotermal dengan suhu 100 C kebawah dapat dilakukan menggunakan botol pp agar lebih praktis dan efisien. Selanjutnya dinetralkan menggunakan akuades lalu dikeringkan pada suhu 100 C selama 24 jam. Hasil sintesis zeolit ZSM-5 mesopori dengan metode desilikasi tanpa cetakan zat organik selanjutnya dikarakterisasi menggunakan fisisorpsi N 2. Fisisorpsi N 2 digunakan untuk menentukan luas permukaan dan volume pori pada zeolit ZSM- 5. Karakterisasi fisisorpsi N 2 pada zeolit ZSM-5 sebelum dan sesudah desilikasi dapat dilihat pada Gambar B N2 yang teradsorpsi (cm3/g) B Adsorpsi zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi Desorpsi zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi Adsorpsi zeolit ZSM-5 sebelum desilikasi Desorpsi zeolit ZSM-5 sebelum desilikasi 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4X Axis 0,5Title0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Tekanan Relatif (P/P 0 ) Tekanan Relatif (P/P 0 ) 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Gambar 4.4 Isoterm Adsorpsi/desorpsi X Axis Nitrogen Title pada ZSM-5 sebelum dan sesudah Desilikasi Gambar 4.4 merupakan kurva jumlah adsorpsi desorpsi nitrogen terhadap sampel hasil sintesis zeolit ZSM-5 pada tekanan relatif (P/P 0 ). Isoterm adsorpsi

63 50 desorpsi nitrogen pada zeolit ZSM-5 sebelum desilikasi menunjukkan kenaikan yang tinggi pada tekanan relatif rendah (P/P 0 = 0). Pada tekanan P/P 0 < 1 adsorpsi nitrogen tidak mengalami kenaikan namun pada P/P 0 = 1 adsorpsi nitrogen sedikit naik. Isoterm ini merupakan isoterm tipe I yang merupakan jenis adsorpsi dari padatan berpori mikro. Jumlah nitrogen yang teradsorpsi pada material mikropori sama dengan jumlah nitrogen yang terdeadsorpsi (Perry, 1997). Isoterm adsorpsi desorpsi nitrogen pada zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi menunjukkan kenaikan yang rendah pada tekanan relatif rendah (P/P 0 = 0). Pada tekanan P/P 0 < 1 adsorpsi nitrogen terus mengalami kenaikkan. Pada tekanan yang tinggi (P/P 0 = 1) jumlah nitrogen yang teradsorpsi besar sehingga kurva isoterm naik. Ketika turun terjadi loop histerisis, yaitu jumlah nitrogen yang teradsorpsi jumlahnya lebih kecil dari pada jumlah nitrogen yang terdesorpsi. Histeresis ini merupakan ciri khas yang dimiliki oleh material mesopori. Isoterm ini merupakan isoterm tipe IV. Luas permukaan dan volume pori zeolit ZSM-5 sebelum dan sesudah desilikasi ditunjukkan pada Tabel 4.2. Tabel 4.3 Sifat Struktur Pori Zeolit ZSM-5 Sebelum dan Sesudah Desilikasi Sampel Rasio Si/Al a Zeolit ZSM-5 sebelum desilikasi Zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi a Ditentukan oleh XRF b Ditentukan oleh BJH c Ditentukan oleh BET Luas permukaan mesopori b (m 2 /g) Luas permukaan mikropori c (m 2 /g) Volume pori (cm 3 /g) b 24 0, ,6436 0, , ,0296 0,049617

64 51 Data sifat struktur tersebut menunjukkan zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi mengalami penurunan luas permukaan mikropori, yaitu dari 255,6436 m 2 /g menjadi 245,0296 m 2 /g. Ini diduga disebabkan cincin-cincin pembentuk pori bergabung satu sama lain menjadi double pore atau quadra pore menghasilkan ukuran pori lebih besar dalam bentuk mesopori. Luas permukaan mesopori zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi mengalami kenaikan, yaitu dari 0,6566 m 2 /g menjadi 41,7733 m 2 /g. Selain itu, volume zeolit ZSM-5 sesudah desilikasi juga mengalami kenaikan, yaitu dari 0, m 3 /g menjadi 0, m 3 /g.

65 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Zeolit ZSM-5 mesopori dapat disintesis menggunakan bahan dasar metakaolin terdealuminasi. Dealuminasi metakaolin dilakukan dengan menggunakan HCl. Sintesis zeolit ZSM-5 dilakukan dengan menggunakan suhu hidrotermal 170 C selama 48 jam. Fase mesopori diperoleh dari desilikasi zeolit ZSM-5 menggunakan NaOH. 2. Berdasarkan hasil karakterisasi XRD dan FTIR telah terbentuk zeolit ZSM-5 tetapi dengan hasil karakterisasi fisisorpsi N 2 menunjukkan bahwa zeolit ZSM-5 telah terbentuk mesopori dengan luas permukaan mesopori 41,7733 m 2 /g dan masih banyak mikropori dengan luas permukaan mikropori 245,0296 m 2 /g. 5.2 Saran Dari penelitian yang dilakukan, disarankan untuk sintesis zeolit ZSM-5 dari metakaolin terdealuminasi tanpa cetakan zat organik dengan metode desilikasi menggunakan variasi rasio Si/Al, agar ZSM-5 yang terbentuk lebih sempurna dan dapat terbentuk pori yang berukuran meso. 52

66 DAFTAR PUSTAKA Allen, T., 1997, Particle Size Measurement, fifth edition, London: Chapman, 2, 251 Ayele, L., Pariente, J.P., Chebude, Y. and Diaz, I., 2015, Synthesis of Zeolite A from Ethiopian Kaolin, Microporous and Mesoporous Materials, 215, Bai, X., Sun, K., Wu, W., Yan, P. and Yang, J., 2009, Methylation of Naphthalene to Prepare 2,6-dimethylnaphthalene Over Acid- Dealuminated HZSM-12 Zeolites, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 314, Blum, M.M. and John, H., 2012, Historical Perspective and Modern Applications of Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR FTIR), Drug Test Analysis, 4, Burca. G., 2014, Solid State Chemistry, Surface Chemistry and Catalytic Behaviour, Cheetam, D., A., 1992, Solid State Compound, Oxford university press, Cheng, H., Liu, Q., Yang, J., Ma, S. and Frost, R.L., 2012, The Thermal Behavior of Kaolinite Intercalation Complexes-A Review, Thermochimica Acta, 545, 1 13 Cheng, Y., Wang, L.J., Li, J.S., Yang, Y.C. and Sun, X.Y., 2005, Preparation and Characterization of Nanosized ZSM-5 Zeolites in The Absence of Organic Template, Materials Letters, 59: Clearfield, A., J. Reibenspies, and N. Bhuvanesh, 2008, Principle and Application of Powder Diffraction, Chichester Wiley, 397 Etim, U.J., Xu, B., Ullah, R. and Yan, Z., 2016, Effect of Vanadium Contamination on The Framework and Micropore Structure of Ultra Stable Y-Zeolite, Journal of Colloid and Interface Science, 463,

67 54 Feng, H., Li,C. and Shan, H., 2009, In-Situ Synthesis and Catalytic Activity of ZSM-5 Zeolite, Applied Clay Science, 42, Gonzalez, M.D., Cesteros, Y. and Salagre, P., 2010, Effect of Microwaves on The Surface and Acidic Properties of Dealuminated Zeolites, Physics Procedia, 8, Gougazeh, M. and Buhl, J.C., 2014, Synthesis and Characterization of Zeolite A by Hydrothermal Transformation of Natural Jordanian Kaolin, Journal of the Association of Arab Universities for Basic and Applied Sciences, 15, Groen, J.C., Abello, S., Villaescusa, L.A. and Ramirez, J.P., 2008, Mesoporous Beta Zeolite Obtained by Desilication, Microporous and Mesoporous Materials, 114, Groen, J.C., Moulijn, J.A. and Ramirez, J.P., 2005, Decoupling Mesoporosity Formation and Acidity Modification in ZSM-5 Zeolites by Sequential Desilication Dealumination, Microporous and Mesoporous Materials, 87, Groen, J.C., Peffer, L.A.A., Moulijn, J.A. and Ramirez, J.P., 2004, Mesoporosity Development in ZSM-5 Zeolite upon Optimized Desilication Conditions in Alkaline Medium, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 241, Jafari, M., Mohammadi, T. and Kazemimoghadam, M., 2014, Synthesis and Characterization of Ultrafine Sub-Micron Na-LTA Zeolite Particles Prepared via Hydrothermal Template-Free Method, Ceramics International, l40, Kadja, G.T.M., Rilyanti, M., Mukti, R.R., Marsi, I.Y., Ismunandar, 2013, Strategi Sintesis Zeolit Hirarkis: Kajian Metode Cetak Lunak dan Cetak Keras, Jurnal Matematika & Sains, 18, 3 Liu, H., Shen, T., Wang, W., Li, T., Yue, Y. and Bao, X., 2015, From Natural Aluminosilicate Minerals to Zeolites: Synthesis of ZSM-5 from Rectorites Activated via Different Methods, Applied Clay Science, 115,

68 55 Ma, Y., Yan, C., Alshameri, A., Qiu, X., Zhou, C. and Li, D., 2014, Synthesis and Characterization of 13X Zeolite from Low-Grade Natural Kaolin, Advanced Powder Technology, 25, Marques, J.P., Gener, I., Ayrault, P., Bordado, J.C., Lopes, J.M., Ribeiro, F.R. and Guisnet, M., 2005, Dealumination of HBEA Zeolite by Steaming and Acid Leaching: Distribution of The Various Aluminic Species and Identification of The Hydroxyl Groups, C. R. Chimie, 8, Mohiuddin, E., Isa, Y.M., Mdleleni, M.M., Sincadu, N., Key, D. and Tshabalala, T., 2016, Synthesis of ZSM-5 from Impure and Beneficiated Grahamstown Kaolin: Effect of Kaolinite Content, Crystallisation Temperatures and Time, Applied Clay Science, 119, Narayanan, S., Vijaya, J.J., Sivasanker, S., Yang, S. and Kennedy, L.J., 2014, Hierarchical ZSM 5 Catalyst Synthesized by A Triton X 100 Assisted Hydrothermal Method, Chinese Journal of Catalysis, 35, Pan, F., Lu, X., Wang, Y., Chen, S., Wang, T. and Yan, Y., 2014, Synthesis and Crystallization Kinetics of ZSM-5 without Organic Template from Coal-Series Kaolinite, Microporous and Mesoporous Materials, 184, Perry, R.H. and Green, D.W., 1997, Perry s Chemical Engineer s Handbook. Seventh Edition, McGraw-Hill Rios, C.A., Williams, C.D. and Fullen, M.A., 2009, Nucleation and Growth History of Zeolite LTA Synthesized from Kaolinite by Two Different Methods, Applied Clay Scienc, 42, Salim, M.M. and Malek, N.A.N.N., 2016, Characterization and Antibacterial Activity of Silver Exchanged Regenerated NaY Zeolite from Surfactant-Modified NaY Zeolite, Materials Science and Engineering C, 59, Smith, B.C., (2011), Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 2nd Edn, CRC Press, Boca Raton, FL, USA Taylor, A.E., 2007, Microwave Synthesis and Occlusion Reactions of Zeolites, Thesis, University of Birmigham: Birmigham, 222

69 56 Verma, H.R, 2007, Atomic and Nuclear Analytic Method: XRF, Mossbauer, XPS, NAA and Ion Beam Spectroscopic Techniques, New York Springer, 386 Wang, D., Li, X., Liu, Z., Zhang, Y., Xie, Z. and Tang, Y., 2010, Hierarchical Structured ZSM-5 Zeolite of Oriented Nanorods and Its Performance in The Alkylation of Phenol with Isopropanol, Journal of Colloid and Interface Science, 350, Wang, P., Shen, B., Shen, D., Tong, P. and Gao, J., 2007, Synthesis of ZSM-5 Zeolite from Expanded Perlite/Kaolin and Its Catalytic Performance for FCC Naphtha Aromatization, Catalysis Communications, 8, Wang, G., Wu, W., Zan, W., Bai, X., Wang, W., Qi, X. and Kikhtyanin, O.V., 2015, Preparation of Zn-Modified Nano-ZSM-5 Zeolite and Its Catalytic Performance in Aromatization of 1-Hexene, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 25, Weller, M.T., 1994, Inorganic materials chemistry, Oxford university press, 92. Yoo, W.C., Zhang, X., Tsapatsis, M. and Stein, A., 2012, Synthesis of Mesoporous ZSM-5 Zeolites Through Desilication and re-assembly Processes, Microporous and Mesoporous Materials, 149, Zhang, X., 2016, Material Characterization of Inorganic Controlled Release, Materials and Concepts for Advanced Drug Formulation, Zhu, H., Liu, Z., Kong, D., Wang, Y., Yuan, X. and Xie, Z., 2009, Synthesis of ZSM-5 with Intracrystal or Intercrystal Mesopores by Polyvinyl Butyral Templating Method, Journal of Colloid and Interface Science, 331,

70 LAMPIRAN Lampiran Perhitungan 1. Perhitungan komposisi molar bahan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014) Diketahui dari data XRF jika : Metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M : Si = 92,0±0,05% Al = 0% Metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M : Si = 78,7±0,07% Rasio molar bahan : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 1:0,215:35,5 Rasio molar bahan resep : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 0,047:0,010:1, Si dari metakaolin terdealuminasi 8M Al = 11±0,05% 1 g metakaolin % Si dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,92 g Si dalam 1 g metakaolin Mol = = = 0,033 mol - Si dari metakaolin terdealuminasi 6M 0,5 g metakaolin % Si dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,39 g Si dalam 0,5 g metakaolin Mol = = = 0,014 mol

71 - Al dari metakaolin terdealuminasi 6M 0,5 g metakaolin % Al dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,055 g Al dalam 0,5 g metakaolin Mol = = = 0,002 mol Jumlah mol Si = 0, ,014 = 0,047 mol, sehingga rasio = =23 2. NaOH NaOH yang dibutuhkan = 0,010 mol 0,010 mol Mr NaOH = 0, = 0,4 g 3. H 2 O H 2 O yang dibutuhkan = 1,67 mol 1,67 mol Mr H 2 O = 1,67 18 = 30 ml 2. Perhitungan komposisi molar bahan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik dengan penambahan aluminat menggunakan metode Pan dkk., (2014) Diketahui dari data XRF jika : Metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M : Si = 92,0±0,05% Rasio molar bahan : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 1:0,215:35,5 Rasio molar bahan resep : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 0,066:0,014:2,333 Al = 0%

72 1. - Si dari metakaolin terdealuminasi 8M 2 g metakaolin % Si dalam metakaolin terdealuminasi = 2 = 1,84 g Si dalam 2 g metakaolin Mol = = = 0,066 mol - Al yang ditambahkan Rasio yang diinginkan sebesar 20, sehingga : = 20 Al = = = 0,0033 mol Gram Al = = 2. NaOH NaOH yang dibutuhkan = 0,014 mol 0,014 mol Mr NaOH = 0, = 0,565 g 3. H 2 O H 2 O yang dibutuhkan = 2,333 mol 2,333 mol Mr H 2 O = 2, = 42 ml 3. Perhitungan komposisi molar bahan sintesis zeolit ZSM-5 tanpa cetakan zat organik dengan menggunakan metode Cheng dkk., (2005) Diketahui dari data XRF jika : Metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 8M : Si = 92,0±0,05% Al = 0%

73 Metakaolin terdealuminasi menggunakan HCl 6M : Si = 78,7±0,07% Al = 11±0,05% Rasio molar bahan : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 1:2:38 Rasio molar bahan resep : SiO 2 :NaOH:H 2 O = 0,05:0,1:1, Si dari metakaolin terdealuminasi 8M 1 g metakaolin % Si dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,92 g Si dalam 1 g metakaolin Mol = = = 0,033 mol - Si dari metakaolin terdealuminasi 6M 0,5 g metakaolin % Si dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,39 g Si dalam 0,5 g metakaolin Mol = = = 0,014 mol - Al dari metakaolin terdealuminasi 6M 0,5 g metakaolin % Al dalam metakaolin terdealuminasi = = 0,055 g Al dalam 0,5 g metakaolin Mol = = = 0,002 mol Jumlah mol Si = 0, ,014 = 0,047 mol, sehingga rasio = = 23

74 4. NaOH NaOH yang dibutuhkan = 0,1 mol 0,1 mol Mr NaOH = 0,1 40 = 4 g 5. H 2 O H 2 O yang dibutuhkan = 1,9 mol 1,9 mol Mr H 2 O = 1,9 18 = 34 ml

75 Lampiran XRF kaolin Bangka dan Belitung No Nama Senyawa Kadar (%) 1 Al 2 O ±0,08 2 SiO 2 54,3±0,09 3 K 2 O 0,72±0,008 4 CaO 0,58±0,008 5 TiO 2 1,57±0,009 6 V 2 O 5 0,03±0,007 7 Cr 2 O 3 0,052±0,007 8 MnO 0,037±0, Fe 2 O 3 3,38±0, NIO 0,489±0, CuO 0,079±0, ZnO 0,02±0, Ga 2 O 3 0,044±0, Re 2 O 7 0,07±0,004

76 Lampiran XRD kaolin Bangka dan Belitung

77

78 Lampiran XRD metakaolin

79

80

81

82

83 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 2M Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 3M

84 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 4M Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 5M

85 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 6M Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 7M

86 Lampiran XRF dealuminasi metakaolin menggunakan HCl 8M

87 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014)

88

89

90

91 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menggunakan metode Pan dkk., (2014)

92

93

94

95 Lampiran XRD sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Cheng dkk., (2005)

96

97

98 Lampiran FTIR sintesis zeolit ZSM-5 dengan menggunakan metode Pan dkk., (2014)

99 Lampiran FTIR sintesis zeolit ZSM-5 dengan penambahan aluminat menggunakan metode Pan dkk., (2014)