BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pasir Kuarsa Pasir kuarsa dikenal dengan nama pasir putih merupakan hasil pelapukan batuan yang mengandung mineral utama seperti kuarsa dan feldsfar. Pasir kuarsa mempunyai komposisi gabungan dari SiO 2, Al 2 O 3, CaO, Fe 2 O 3, TiO 2, CaO, MgO, dan K 2 O yang berwarna putih bening atau warna yang lain bergantung pada senyawa pengotornya (Siswanto, et al., 2012). Gambar 2.1. Pasir Kuarsa Tabel 2.1. Sifat-sifat kuarsa Sifat-sifat Nilai Berat Jenis 2,651 Titik lebur ( o C) 1728 Indeks bias 1,544 Sistem Kristal Heksagonal Belahan Kristal Sulit Konstanta Dielektrik 4,5 (Norton, 1974)

2 Pasir kuarsa biasanya dimanfaatkan untuk berbagai keperluan dengan berbagai ukuran tergantung aplikasi yang dibutuhkan seperti dalam industri ban, karet, gelas, semen, beton, keramik, tekstil, kertas, kosmetik, elektronik, cat, film, pasta gigi, dan lain-lain. Saat ini dengan perkembangan teknologi mulai banyak aplikasi penggunaan silika pada industri semakin meningkat terutama dalam penggunaan silika pada ukuran partikel yang kecil sampai ukuran mikron atau bahkan nanosilika. Kondisi ukuran partikel bahan baku yang diperkecil membuat produk memiliki sifat yang berbeda yang dapat meningkatkan kualitas (Siswanto, et al., 2012). Pasir kuarsa digunakan secara luas dalam industri keramik dan metalurgi. Pasir kuarsa juga dapat digunakan dalam pembuatan batu bahan tahan api dan digunakan dalam skala besar sebagai pembentuk jaringan dalam industri kaca (McColm, 1983) Silika (SiO 2 ) Silika merupakan salah satu dari modifikasi kristal yang paling dikenal sebagai kuarsa. Ada dua puluh dua fasa yang berbeda dari silika yang telah diidentifikasi. Pada suhu 573 o C (1063 o F) kuarsa yang biasa atau α-kuarsa dapat berubah struktur secara reversible menjadi β- kuarsa yang memiliki densitas yang lebih rendah dan pada suhu 867 o C (1593 o F), β-kuarsa berubah menjadi suatu modifikasi kristal yang berbeda yaitu β-tridimit yang masih lebih tinggi, pada suhu 1470 o C (2678 o F), β-tridimit menjadi suatu modifikasi ketiga yang disebut β-kristobalit (Iller, 2007). Ada tiga bentuk polimorf dari silika berdasarkan kestabilannya terhadap kenaikan suhu tinggi (McColm, 1983), yaitu : a. Kuarsa, sampai pada suhu 870 o C b. Tridimit, pada suhu o C c. Kristobalit, pada suhu 1470 o C sampai titik leburnya 1730 o C Tridimit merupakan bentuk silika yang jarang ditemui di alam tetapi penting dalam bahan tahan api. Sedangkan kristobalit merupakan bentuk lain dari silika. Kristobalit kurang murni dari kuarsa dan beberapa ahli geologi merasa bahwa zat pengotor ini telah mencegah pembentukan kristal kuarsa. Kristobalit tidak berlimpah di alam dan sedikit digunakan

3 sebagai sumber dari silika tetapi penting sebagai bahan yang ditambahkan pada keramik tahan api (Norton, 1974). Masing-masing dari ketiga bentuk diatas memiliki perubahan pada suhu tinggi dan rendah dimana strukturnya hanya sedikit berubah oleh perubahan yang sederhana pada orientasi dari SiO 4 yang relatif tetrahedral satu sama lain. Perubahan bentuk pada suhu tinggi memiliki simetri yang lebih tinggi atau memiliki unit sel yang lebih kecil daripada perubahan bentuk pada suhu yang rendah (McColm, 1983). Perubahan bentuk Perubahan bentuk 867 o C 1470 o C Kuarsa Tridimit Kristobalit tinggi tinggi tinggi Perubahan Perubahan Perubahan struktur struktur struktur 573 o C 160 o C o C Kuarsa Tridimit Kristobalit rendah sedang rendah Perubahan struktur 105 o C Tridimit rendah Gambar 2.2. Perubahan Polimorf dari Silika (Barsoum,1997) 2.3. Silikon Silikon yang terdapat pada kerak bumi adalah sebesar 27,6% dan merupakan unsure kedua terbanyak sedangkan didalam tanah berkisar 23%-35%. Tanah-tanah berpasir yang belum lapuk dapat mengandung hingga 40% silikon sedangkan tanah-tanah tropika yang sudah

4 mengalami pelapukan hanya mengandung 9% silikon. Tanah-tanah tropika ini seperti kebanyakan adalah Oxisols dan Ultisols, yang mengandung aluminium oksida dan besi oksida yang tinggi setelah silikon terlarut dan tercuci habis sewaktu proses pelapukan yang intensif. Silikon yang terlarut mengalami represipitasi sebagai mineral sekunder yang merupakan suatu proses penting dalam perkembangan tanah. Sumber utama silikon dalam tanah adalah mineral primer, skunder, dan kuarsa (SiO 2 ). Kuarsa merupakan mineral utama didalam tanah yang mengandung hingga 90-95% silicon dalam fraksi debu dan pasir (Makarim, at al., 2007) Silikon tidak tersedia di alam bebas, biasanya bentuk silicon yang tersedia di alam bebas berikatan dengan oksigen (sebagai oksida) contohnya silikon oksida yang terdapat pada pasir kuarsa, batuan kuarsit, dll. Silikon biasanya diklasifikasikan kedalam tiga level kemurnian (Gustiono, et al., 2012), yaitu : 1. Metallurgical Grade Silicon (MG-Si) Tingkat kemurnian dari Metallurgical Grade Silicon adalah 98%. Metallurgical Grade Silicon biasanya digunakan pada paduan aluminium maupun baju dan sebagai bahan baku untuk industri silikon yang sesuai untuk aplikasi PV. 2. Solar Grade Silicon (SG-Si ) Tingkat kemurnian dari Solar Grade Silicon adalah 99,9999% (biasanya disebut dengan 6N ataupun six nines pure). Solar Grade Silicon biasanya digunakan pada aplikasi PV. 3. Electronic Grade Silicon (EG-Si) Tingkat kemurnian dari Electronic Grade Silicon adalah 99,999999% (biasanya disebut dengan 9N ataupun nine nines pure). Electronic Grade Silicon digunakan untuk membuat semikonduktor wafers.

5 2.4. Metode Reduksi Silika Ada beberapa motode reduksi silika, antara lain : 1. Reduksi Aluminotermik Proses reduksi ini menggunakan aluminium sebagai agen pereduksi yang secara umum dikenal sebagai reduksi aluminotermik. Dikarenakan aluminium merupakan sebuah logam yang lebih aktif dari silikon maka, aluminium dapat mereduksi silikon dioksida sehingga dihasilkan silikon. Reaksi ini sangat eksotermik dan kalor yang dilepaskan tersebut cukup untuk mempertahankan reaksi dengan perambatan yang cepat terhadap pembakaran tanpa penambahan energi lagi. Penggunaan reduksi aluminotermik disarankan dalam memproduksi material-material komposit (Das, et al., 2002). Sintesis material-material komposit dari alumina-aluminium silikon juga disarankan menggunakan reduksi aluminotermik dengan campuran dari Al dan SiO 2 sesuai reaksi berikut: 3 SiO Al Al 2 O Si Reaksi ini dapat diterapkan untuk memproduksi silikon. Namun setelah alumina terbentuk melalui reaksi diatas dengan adanya silika, akan memungkinkan dua reaksi lain yang terjadi, yaitu pembentukan mullite dan reduksi silikon dari mullite. 3 Al 2 O SiO 2 Al 6 Si 2 O 13 8 Al + 3 Al 6 Si 2 O Al 2 O Si Pembentukan mullite dan alumina sebagai hasil reduksi dari reduksi aluminotermik tidak cocok dalam suasana asam (Wang and Shi, 2002). 2. Reduksi Karbotermik Silikon didapatkan dengan cara reduksi karbotermik, dimana kuarsa dicampurkan dengan material karbon. Reaksi yang terjadi selama proses reduksi ini adalah:

6 SiO 2(s) + 4 C (s) Si (s) + 2 CO 2(g) Reaksi yang terjadi pada furnace dibedakan menjadi dua, yaitu reaksi pada inner hot zone dan outer cooler zone. Silikon cair dihasilkan pada inner zone yang mana temperaturnya berkisar antara o C, reaksi kimia yang terjadi adalah: 2 SiO 2(l) + SiC (s) 3 SiO (g) + CO (g) SiO (g) + SiC (s) 2 Si (l) + CO (g) Pada outer zone dimana temperaturnya dibawah 1900 o C, SiO (g) dan CO (g), yang keluar dari inner zone akan bereaksi dengan karbon bebas (Gustiono, et al., 2012). Reaksinya adalah: SiO (g) + 2 C (s) SiC (s) + CO (g) 2 SiO (g) Si (l) + SiO 2(s) 3. Reduksi Kalsiotermik Reduksi kalsiotermik sama dengan reduksi aluminotermik. Sebuah proyek penelitian pada reduksi dari silika amorf (yang diperoleh dari sekam padi) menjadi silikon dengan kemurnian yang wajar melalui proses reduksi kalsiotermik menggunakan kalsium telah dilakukan oleh Mishra, et al. (1985). Reaksi yang terjadi sebagai berikut : SiO Ca 2 CaO + Si Reduksi dari silika amorf menjadi silikon menggunakan kalsium yang telah dilakukan pada suhu 720 o C. Kemurnian silikon akhir yang diperoleh setelah pencucian asam dengan menggunakan HNO 3 dan HF terkonsentrasi adalah sebesar 99.9 persen (Mishra, et al., 1985). 4. Reduksi Magnesiotermik Silika (SiO 2 ) dapat direduksi oleh magnesium untuk menghasilkan silikon dengan reaksi : SiO Mg 2 MgO + Si

7 Reaksi dapat melibatkan pembentukan Mg 2 Si terlebih dahulu, diikuti dengan reduksi silika oleh Mg 2 Si melalui reaksi kimia berikut : SiO 2(s) + 4 Mg (s) 2 MgO (s) + Mg 2 Si (s), ΔG o (900 o C) = -308,5 kj/mol Mg 2 Si (s) + SiO 2(s) 2 MgO (s) + 2 Si (s), ΔG o (900 o C) = kj/mol Dengan adanya kebihan Mg pada reaktan, Mg 2 Si akan lebih banyak terbentuk melalui reaksi : Si (s) + 2 Mg (s) Mg 2 Si (s), ΔG o (900 o C) = -308,5 kj/mol Bao, et al.(2007) melakukan konversi diatomik (SiO 2 ) menjadi silikon nanokristal berpori menggunakan Mg pada suhu 650 o C, yang merupakan titik lebur Mg. Dalam keadaan ini, reaksi reduksi terjadi dari lapisan permukaan ke bagian dalam partikel silika yang menghasilkan campuran MgO dan Si. Reduksi relatif secara lambat pada suhu 650 o C dan pembentukan fase MgO terkait dengan produk silikon yang menghambat proses pengkasaran substansial dan proses pelengketan hasil silikon (Bao, et al., 2007). Namun, belum ditemukan aplikasi industri yang luas untuk reduksi magnesiotermik dikarenakan reaksinya yang eksotermis yang menyebabkan peningkatan suhu secara berlebihan dan menghasilkan produk Magnesium Silisit (Mg 2 Si) dengan produk Si (Zulumyan, et al., 2006). Pembentukan Mg 2 Si dipengaruhi oleh Mg yang berlebih dan suhu reduksi. Pengurangan jumlah magnesium mengakibatkan pengurangan Mg 2 Si dan dengan menaikkan suhu pada perbandingan campuran Mg dan SiO 2 akan meningkatkan pembentukan Mg 2 Si. Namun dalam studi yang dilakukan oleh Kalem (2004), Mg 2 SiO 4 dalam kondisi tertentu tidak diperhitungkan. Selain itu, studi kuantitatif pada tahap reduksi hasil tidak dilakukan dan semata-mata didasarkan pada intensitas puncak dari Mg 2 Si, MgO dan Si (Kalem, 2004).

8 2.5. Pengaruh Suhu dan Waktu Terhadap Laju Reaksi Laju reaksi kimia adalah jumlah mol reaktan per satuan volume yang bereaksi dalam satuan waktu tertentu. Jadi, laju reaksi misalnya dapat dinyatakan dalam satuan mol dm -3 det -1. Bila dibuat sebuah kurva penurunan konsentrasi reaktan sebagai fungsi waktu, maka akan diperoleh kurva yang bentuknya seperti pada Gambar 2.3., dimana dalam hal ini suhu selama reaksi berlangsung dianggap tetap. konsentrasi reaktan (c) mol dm -3 c o A t waktu (detik) Gambar 2.3. Kurva konsentrasi sebagai fungsi waktu pada suhu tetap dimana: c o = konsentrasi awal reaktan laju reaksi pada A = - dc dt Dari kurva terlihat bahwa slop kurva pada setiap titik selalu negatif karena konsentrasi reaktan selalu menurun. Jadi laju reaksi pada setiap titik sepanjang kurva sama dengan dc/dt. Tetapi, apabila laju reaksi dituliskan sebagai laju pembentukan produk, maka laju reaksi akan bernilai positif. Jika konsentrasi produk setelah reaksi berlangsung t detik adalah x mol dm -3, maka laju reaksinya adalah + dx/dt. Pengukuran kinetika reaksi pertama kali dilakukan oleh Wilhelmy pada tahun Beliau menyimpulkan bahwa laju reaksi pada setiap waktu sebanding dengan konsentrasi reaktan yang tersisa pada waktu itu (c), secara matematik dapat ditulis: - dc = k 1. c dt dimana :

9 dc dt sering kali disebut sebagai differential rate expression k 1 adalah konstanta laju reaksi (Bird, 1993) Entalpi (H) merupakan kalor yang diberikan sejumlah dengan perubahan dalam sifat termodinamika yang lain dari sistem pada tekanan tetap. Entalpi suatu zat bertambah jika zat itu dipanaskan. Oleh karena itu, entalpi reaksi berubah dengan perubahan temperatur karena entalpi setiap zat dalam suatu reaksi bervariasi dengan cara yang khas (Atkins, 1996) Difraksi Sinar X Percobaan dengan menggunakan difraksi sinar X kebanyakan terbatas pada zat padat saja. Hasil yang paling baik akan diperoleh apabila digunakan satu kristal tunggal. Tetapi, percobaan difraksi sinar ini dapat pula dilakukan dengan menggunakan padatan dalam bentuk serbuk yang sebenarnya terdiri dari kristal-kristal yang sangat kecil. Atau dapat juga digunakan padatan dalam bentuk kumparan yang biasa digunakan untuk menentukan struktur molekul yang mempunyai ukuran sangat besar seperti DNA, protein, dan sebagainya. Alat yang digunakan untuk mengukur dan mempelajari difraksi sinar X dinamakan Goniometer. Pada metode kristal tunggal, sebuah Kristal yang berkualitas baik diletakkan sedemikian rupa sehingga dapat berotasi pada salah satu sumbu kristalnya. Ketika kristal itu diputar pada salah satu sumbu Kristal, seberkas sinar X monokhromatik dipancarkan kearah kristal. Ketika kristal berputar, perangkat-perangkat bidang yang ada dalam kristal secara berurutan akan memantulkan berkas sinar X. Berkas sinar X yang dipantulkan ini kemudian direkam pada sebuah piringan fotografik. Masalah utama dalam metoda difraksi sinar X ini adalah bagaimana menghubungkan pola spot yang diperoleh dengan posisi ion atau atom dalam unit sel. Memang dari jarak antar-spot, kita dapat mengetahui dimensi unit sel, tetapi letak atom atau ion dalam unit sel sangat sulit ditentukan. Salah satu cara untuk mengatasi hal diatas adalah dengan jalan mulamula kita menduga struktur molekul dan kemudian memperkirakan difraksi sinar X yang mungkin diperoleh. Difraksi sinar X yang kita perkirakan kemudian kita bandingkan dengan hasil percobaan. Adanya perbedaan antara pola difraksi hasil perkiraan dan hasil percobaan

10 menunjukkan struktur molekul yang kita perkirakan masih salah dan dengan membandingkan kedua pola difraksi, kita dapat membuat perbaikan-perbaikan sehingga akhirnya diperoleh struktur molekul yang tepat. Tetapi dalam beberapa kasus, misalnya apabila jumlah atom dalam unit sel sangat banyak, metoda diatas menjadi tidak praktis lagi. Dalam kasus seperti ini biasanya posisi atom atau ion ditentukan berdasarkan intensitas relatif dari spot yang dihasilkan. Ketika sinar X menumbuk kristal, sebenarnya electron yang terdapat disekeliling atom atau ionlah yang menyebabkan terjadinya pemantulan. Makin banyak jumlah electron yang terdapat disekeliling atom pada suatu bidang, makin besar intensitas pantulan yang disebabkan oleh bidang tersebut dan akan menyebabkan makin jelas spot yang terekam pada film. Dengan menggunakan suatu metoda yang dikenal dengan nama metoda sintesis Fourier, kita dapat menghubungkan intensitas spot dengan kepekatan distribusi elektron yang terdapat dalam unit sel. Dengan mengamati kepekatan distribusi elektron dalam unit sel, kita dapat menduga letak atom dalam unit sel tersebut. Atom akan terletak pada daerah-daerah yang mempunyai kepekatan distribusi elektron maksimum. Dengan menggunakan metoda difraksi sinar X, struktur molekul yang sangat kompleks dapat ditentukan. Misalnya saja struktur DNA yang sangat kompleks dapat ditentukan dengan metoda sinar X seperti yang telah dilakukan oleh Crick, Wilkins, dan Watson (Bird, 1993). Ada beberapa faktor yang penting untuk dipertimbangkan dalam mempersiapkan sampel pada analisa kuantitatif XRD, yaitu : 1. Ukuran partikel (atau ukuran kristal) a. Disarankan kurang dari 5 mikrometer pada diameter (idealnya 1 mikro) b. Metode tidak harus mengubah struktur kristal (misalnya akibat pemanasan dengan menggiling jika diperlukan) c. Tidak ada kerugian material 2. Orientasi yang disukai (mengubah intensitas puncak difraksi dapat berakibat buruk pada analisia kuantitatif) a. Ukuran partikel

11 b. Keadaan kristal (lembaran silikat seperti mika) c. Persentase dari orientasi mineral d. Pegangan kemasan sampel (pada saat pengepakan kembali dan pada saat keadaan berguncang) 3. Pencampuran yang baik dari setiap standar internal yang ditambahkan a. Penambahan sebelum penggilingan b. Pencampuran secara mekanik (Verrall, 2013) 2.7. Metode Kuantitatif dari Difraksi Sinar X Ada beberapa metode kuantitatif dari difraksi sinar X, antara lain : 1. Metode berdasarkan kalibrasi sederhana C i = I i. B i. µ m Dimana : C i = konsentrasi dari tahap i I i = Intensitas dari tahap i B i = Kalibrasi konstan µ m = massa koefisien absorpsi dari pencampuran a. Metode ini dapat dimodifikasi, misalnya ketika µ m adalah sama untuk semua sampel (menghasilkan sampel) b. Menggunakan jenis tabung yang benar dapat membantu mengurangi perubahan µ m. Contohnya menggunakan sebuah tabung Co untuk mengurangi variasi µ m yang disebabkan perubahan Fe. 2. Metode berdasarkan kalibrasi sederhana (Pembilasan Matriks) a. Jika semua fasa diketahui, maka µ m dapat ditiadakan sehingga dihasilkan persamaan dengan rumus (Chung, 1974): C i = I i. B i Σ I i. B i

12 b. Untuk mineralogi sederhana secara relatif dimana standar dapat diperoleh dan tumpang tindih bukan merupakan masalah yang besar ketika metode ini berjalan dengan baik. c. USGS memiliki sebuah program (Rockjock) yang dihasilkan menggunakan Microsoft Excel untuk mengotomatisasikan metode ini. 3. Metode RIR (Reference Intensity Ratio) a. RIR merupakan perbandingan intensitas dari puncak yang paling kuat pada fasa yang akan diukur dan puncak yang paling intens pada Korundum dalam campuran 50:50 dari fasa dengan Korundum 1 B i = I c = I i RIR i b. Metode RIR baik digunakan ketika ada satu puncak single dalam pencampuran kompleks yang menarik (periksa nilai RIR sebelum digunakan). C i = A I i RIR x x I x RIR i (Keterangan : campuran dengan sejumlah A pada fasa X yang diketahui) c. Nilai RIR yang tersedia dari ICDD untuk ribuan dari fasa yang paling umum termasuk kebanyakan mineral (hanya Cu) n d. W p = S p (ZMV) p / i=l S i (ZMV) i Dimana W p merupakan fraksi berat relatif dari fasa p dalam pencampuran dari beberapa fasa dan S, Z, M, dan V masing-masing adalah faktor skala Rietveld, jumlah satuan molekul per sel, massa dari satuan molekul (dalam satuan massa atom), dan satuan volum sel (dalam Å3) (Verrall, 2013).