SINTESIS FAUJASITE DARI ABU LAYANG BATUBARA : Pengaruh Refluks dan Penggerusan Abu Layang Batubara terhadap Kristalinitas Faujasite

Transkripsi

1 Jurnal Matematika dan Sains Vol. 9 No. 3, September 2004, hal SINTESIS AUJASITE DARI ABU LAYANG BATUBARA : Pengaruh Refluks dan Penggerusan Abu Layang Batubara terhadap Kristalinitas aujasite Sutarno 1, Yateman Arryanto 1 dan Arief Budhyantoro 2 1) Jurusan Kimia akultas MIPA UGM Sekip Utara Kotak Pos Bls 21Yogyakarta ) Departemen MIPA, Universitas Surabaya Abstrak Diterima April 2004, disetujui untuk dipublikasikan Agustus 2004 Pada penelitian ini sintesis aujasite dari abu layang batubara dilakukan melalui tahapan-tahapan proses refluks, penggerusan, peleburan dan reaksi hidrotermal. Refluks abu layang batubara dilakukan dengan larutan HCl 5 M pada temperatur 90 o C selama 5 jam. Pengaruh penggerusan dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan larutan HCl 5 M. Peleburan dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan NaOH (rasio berat NaOH/abu layang batubara = 1,2) pada temperatur 550 o C selama 1 jam. Hasil peleburan kemudian dilarutkan dalam akuades dan dilanjutkan dengan proses reaksi dihidrotermal dalam autoklaf selama 3 hari pada temperatur 100 o C. Padatan hasil sintesis dikarakterisasi dengan metode difraksi sinar-x. Perlakuan refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al abu layang batubara. Sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara melalui perlakukan refluks dengan HCl 5 M menghasilkan aujasite, sedangkan tanpa perlakukan refluks menghasilkan Hydroxysodalite. Perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M sebagai bahan dasar sintesis aujasite mengakibatkan turunnya kristalinitas aujasite hasil sintesis. Kata kunci: abu layang batubara, refluks, penggerusan, hidrotermal, aujasite Abstract Synthesis of aujasite from coal fly ash has been conducted which involved reflux, grinding fusion and hydrothermal reaction. Coal fly ash is refluxed with hydrochloric acid 5 M at 90 o C for 5 hours. Grinding effect of refluxed coal fly ash on aujasite synthesis has been studied as other variable on synthesis of aujasite. Coal fly ash is mixed with NaOH pellet which NaOH : coal fly ash ratio = 1.2, and then fused at 550 o C for 1 hour. used coal fly ash is mixed with 100 ml distilled water, stirred and aged for 24 hours. The resulted solution was then reaeted with hydrothermal bomb autoclave at 100 o C for 3 days. The result was characterized with X-ray diffraction using diffractometer shimadzu The experimental data showed that coal fly ash refluxed with hydrochloric acid 5 M increased in Si/Al ratio of coal fly ash. Synthesis of aujasite with coal fly ash refluxed with HCl 5 M as raw material produced good crystallinity aujasite, but the used of unrefluxed coal fly ash as raw material on synthesis of zeolite gave hydroxysodalitet. Synthesis of aujasite from ungrand coal fly ash whichh is refluxed with HCl 5 M gave better aujasite crystallinity than that of the grund one. Key words: coal fly ash, refluxed, grinding, aujasite, hydrothermal 1. Pendahuluan Abu layang batubara merupakan limbah padat dalam industri Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU). Di Indonesia bahkan di dunia, produksi limbah abu layang batubara dari PLTU sangat besar seperti diberikan dalam Tabel 1. Komposisi kimia abu layang batubara berbeda berdasarkan asal dan jenis batubara tersebut. Komposisi kimia ini biasanya digunakan untuk mengelompokkan jenis abu layang yang dihasilkan, seperti diberikan dalam Tabel 2. Dengan melihat besarnya jumlah limbah abu layang batubara yang dihasilkan dan kandungan unsur utamanya yaitu silika (SiO 2 ) dan alumina (Al 2 O 3 ), maka abu layang banyak dimanfaatkan sebagai bahan dasar dalam sintesis Zeolite 1,5,6,11,12,13,14,15,17]. 285 Tabel 1. Jumlah limbah abu layang batubara yang dihasilkan oleh PLTU di beberapa negara Negara Amerika Serikat Australia Inggris India Indonesia Tahun produksi Rerata per tahun Rerata per tahun 1997 (NTPC) Jumlah Produksi (dalam juta ton) 59,40 54,80 44,90 8,00 10,00 22,0 100,00 1,00 Sumber: American Coal Ash Association (ACAA), (November, 1999) ( ly Ash Resource Centre (ebruari, 2000) (

2 286 JMS Vol. 9 No. 3, September 2004 Tabel 2. Komposisi kimia masing-masing kelas abu layang batubara. Unsur Kelas e rendah Kelas e tinggi Kandungan (%b/b) Kelas C CaO tinggi Sedang/ intermediet SiO Al 2 O , e 2 O CaO 1,8 55 1,3 3, MgO 0,7 2,1 0,3 1, ,2 4,9 K 2 O 1,9 2,8 2,1 2,7 0,3 1,2 0,6 1,1 Na 2 O 0,2 1,1 0,2 0,9 0,8 6,0 1,3 2,5 SO 3 0,4 2,9 0,5 1,8 0,4 5,0 0,4 2,5 LOI 0,6 2,9 1,2 5,0 0, 1 0,1 0,1 2,3 TiO 2 0,6 4,8 1 1,5 < 1 < 1 PbO ppm Ar (arsenik) 286 ppm Cr kromium) 218 ppm Cu (tembaga) 185 ppm Zn (seng) 254 ppm Sumber : Gretchen K. Hoffman, 2000, ) Sintesis Zeolite dari abu layang telah banyak dilakukan namun hasil yang diperoleh kebanyakan masih berupa campuran mineral Zeolite seperti aujasite, Zeolite A, Analcime, Hydroxysodalite dan Zeolite-P. Metode sintesis Zeolite yang telah dilakukan adalah melalui proses refluks abu layang batubara dengan larutan NaOH dalam berbagai konsentrasi pada suhu 90 o C dengan berbagai variasi waktu sintesis. Metode ini banyak dilakukan untuk sintesis Zeolite A (Linde type A), Zeolite-P, Kalsilite dan Sodalite 1,11,8,9,12 ]. Usaha untuk memperoleh mineral Zeolite tipe aujasite secara selektif dari abu layang dilakukan dengan proses peleburan abu layang batubara menggunakan NaOH yang dilanjutkan dengan reaksi hidrotermal. Hasil yang diperoleh belum maksimal karena masih ditemukannya sejumlah spesi Zeolite P dan sodalite pada hasil sintesisnya 5,11,14]. Selain itu, aujasite dapat disintesis dari abu layang melalui penambahan bibit kristalnya selama proses reaksi hidrotermal 15,17]. Dalam penelitian ini disajikan kajian pengaruh refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5 M dan penggerusan abu layang batubara hasil refluks terhadap kristalinitas aujasite hasil sintesis. Tujuan refluks abu layang batubara adalah untuk menurunkan kadar logam besi (e) dan kalsium (Ca) yang dapat mengganggu proses sintesis Zeolite 6]. Sedangkan tujuan penggerusan adalah untuk memperkecil dan menyeragamkan ukuran partikel abu layang batubara hasil refluks sebagai bahan dasar sintesis aujasite. Sehingga diharapkan proses pelarutan silika dan alumina akan semakin mudah pada saat peleburan dan proses reaksi hidrotermal dan pada gilirannya diharapkan akan berpengaruh terhadap proses pembentukan aujasite. Metode sintesis aujasite ini merupakan pengembangan metode sintesis zeolite secara umum dari abu layang batubara yang telah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya, yaitu melalui proses peleburan abu layang batubara dengan pellet NaOH pada suhu 450 o C 14,15,17]. 2. Metode Penelitian Abu layang batubara yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari PLTU Suralaya, Serang- Banten. Pada penelitian ini sintesis aujasite dari abu layang batubara dilakukan melalui beberapa tahapan yaitu refluks abu layang batubara, peleburan abu layang batubara dengan padatan NaOH dan reaksi hidrotermal larutan hasil peleburan abu layang batubara. Refluks abu layang batubara dilakukan dengan larutan HCl 5 M, dimana jumlah komponen dalam sistem refluks adalah 5 g abu layang batubara dan 100 ml larutan HCl 5 M. Refluks dilakukan pada temperatur 90 o C selama 5 jam. Abu layang batubara hasil refluks kemudian dicuci dengan akuades sampai ph filtrat pencucian netral dan padatan dikeringkan dalam oven. Percobaan pengaruh penggerusan abu layang batubara dilakukan terhadap abu layang batubara hasil refluks dengan larutan HCl 5 M. Peleburan dilakukan terhadap abu layang batubara hasi refluks HCl 5 M dengan padatan NaOH (rasio berat NaOH : abu layang batubara = 1,2) pada temperatur 550 o C selama 1 jam. Hasil peleburan kemudian dilarutkan dalam akuades, diaduk dan diperam selama 24 jam. Hasil pelarutan dan pemeraman (ageing) kemudian direaksikan secara hidrotermal dalam autoclave selama 3 hari pada temperatur 100 o C. Hasil reaksi hidrotermal kemudian dicuci dengan akuades sampai netral dan

3 JMS Vol. 9 No. 3, September dikeringkan pada temperatur 100 o C dalam oven. Padatan yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan metode difraksi sinar-x. Pengukuran difraksi sinar-x dilakukan menggunakan diffraktometer sinar-x Shimadzu Kondisi pengukuran adalah, target = Cu, tegangan 40 kv, arus 30 ma, differgen slit = 1 derajat, scatter slit = 1 derajat dan receiving slit = 0,3 mm. Kristalinitas aujasite hasil sintesis ditentukan dari perbandingan tinggi atau intensitas 5 puncak utama aujasite hasil sintesis dengan aujasit standar, ditentukan dengan persamaan berikut 18,19]. Kristalinitas = I /I 0 1) dimana, I = Intensitas Difraktogram sinar-x aujasit hasil sintesis I 0 = Intensitas Difraktogram sinar-x puncak utama aujasit Standard Hasil sintesis aujasite dengan perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks selanjutnya dibandingkan dengan hasil sintesis aujasite dari abu layang batubara hasil refluks tanpa melalui penggerusan dan aujasite standar. Analisa kandungan Si dan Al pada abu layang batubara dan hasil konversinya menjadi aujasite dilakukan melalui proses peleburan basa NaOH pada suhu 450 o C selama satu jam. Leburan kemudain dilarutkan dengan akuades. Larutan kemudian dirubah menjadi kompleks poli biru untuk Si dan kompleks alumina-alizarin berwarna orange untuk Al. Larutan senyawa kompleks kemudian dianalisa dengan alat spektrofotometer Uv-visible Shimadzu Lamda-Bio 3000 pada λ = nm untuk Si dan λ = nm untuk Al. 3. Hasil Penelitian dan Pembahasan Refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5 M ternyata memberikan perubahan yang cukup signifikan terhadap rasio mol Si/Al dalam abu layang batubara tersebut (Tabel 3). Tabel 3 menunjukkan bahwa refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al, yaitu dari 2,14 pada abu layang awal menjadi 2,79 pada abu layang hasil refluks dengan HCl 5 M. Tabel 3. Perubahan rasio mol Si/Al abu layang awal, abu layang hasil refluks HCl 5 M dan aujasite hasil sintesis. Sampel Rasio Si/Al Abu layang batubara awal 2,14 Abu layang batubara hasil refluks HCl 5M 2,79 aujasite* 2,68 Keterangan: *aujasite sintesis tanpa proses penggerusan abu layang batubara dalam Gambar 1. Hal ini disebabkan adanya proses pelarutan spesi Al yang lebih mudah daripada spesi Si. Dalam abu layang batubara, spesi Si sebagian besar berada dalam bentuk mineral kuarsa dan spesi Al berada dalam bentuk mineral Mullite dan spesi amorf. Refluks abu layang batubara dengan larutan HCl 5M juga menyebabkan terlarutnya komponenkomponen pengotor berupa logam besi dan kalsium, hal ini telah diteliti sebelumnya oleh Darwanta, ]. Kedua logam tersebut merupakan logam pengganggu dalam proses sintesis aujasite 13]. Intensitas (s.s) Gambar 1. Pola difraksi sinar-x: (A) abu layang batubara awal dan (B) abu layang batubara setelah refluks dengan HCl 5M.(M=Mullite; Q=Kuarsa) Pengaruh refluks dengan HCl 5 M terhadap Zeolite hasil sintesis Pola difraksi sinar-x padatan hasil sintesis dari abu layang tanpa refluks dan dengan refluks disajikan dalam Gambar 2. Dari pola difraksi sinar-x Zeolite hasil sintesis pada Gambar 2 dapat ditunjukkan bahwa hasil sintesis melalui refluks dengan HCl 5 M merupakan aujasite yang ditandai dengan munculnya puncak-puncak difraksi sinar-x pada 2θ ( o ) = 7,37; 10,27; 15,36; 21,04; 23,87; 27,44; 29,70 dan 30,75 yang merupakan puncak-puncak karakteristik aujasite. Selain itu refluks juga menyebabkan semakin tingginya puncak kuarsa dan berkurangnya puncak Mullite seperti tampak pada pola difraksi

4 288 JMS Vol. 9 No. 3, September 2004 sedangkan kalsium ikut terlarut. Adanya ion kalsium yang banyak dalam sistem larutan hidrotermal mengakibatkan proses pengendapan dan stabilisasi spesi silikat sehingga tidak membentuk struktur kerangka aujasite 4]. Na n H 4-n SiO 4 + c Ca Ca c Na n-2 H 4-n-2c SiO 4 + 2c (Na,H) + 2) Pengaruh penggerusan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5 M terhadap aujasite hasil sintesis Intensitas (s.s) Q HS Pola difraksi sinar-x hasil sintesis dengan penggerusan dan tanpa penggerusan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5M disajikan dalam Gambar 3. Pola difraksi sinar-x pada Gambar 3 menunjukkan bahwa jenis Zeolite yang dihasilkan baik dengan perlakuan penggerusan maupun tanpa penggerusan adalah sama, yaitu aujasite, namun kristalinitas aujasite (ditandai dengan intensitas puncak-puncak difraksi) yang dihasilkan dengan perlakuan penggerusan relatif lebih rendah dibandingkan dengan tanpa perlakuan penggerusan, seperti diberikan pada Table 4. Gambar 2 Pola difraksi sinar-x: (A) hasil sintesis dari abu layang tanpa refluks dan (B) hasil sintesis dari abu layang dengan refluks menggunakan HCl 5M (=aujasite; HS=Hydroxysodalite; Q=Kuarsa) Hasil sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara tanpa refluks HCl 5 M sebagai bahan dasar memberikan hasil berupa Hydroxysodalite sebagai produk dominan yang ditandai dengan munculnya puncak-puncak difraksi sinar-x pada 2θ( o ) = 16,3; 26,5 dan 36,5 yang merupakan puncakpuncak karakteristik untuk Hydroxysodalite. Hal ini diperkirakan pada abu layang batubara tanpa refluks HCl 5 M masih banyak mengandung alumina amorf sehingga pada saat proses peleburan jumlah alumina yang terlarut sangat tinggi. Akibatnya rasio Si/Al dalam sistem larutan silikat-aluminat menjadi sangat rendah dan proses pertumbuhan kristal aujasite tidak dapat dihasilkan. Selain itu dengan tingginya konsentrasi ion aluminat (Al(OH) - 4 ) menyebabkan laju pertumbuhan kristal menjadi cepat, sehingga struktur kristal aujasite tidak dapat dihasilkan selama proses hidrotermal. Dengan laju pertumbuhan kristal yang cepat struktur zeolite yang lebih mudah terbentuk adalah strukutr Hydroxysodalite 7]. Refluks dengan HCl 5 M dapat menghilangkan logam-logam pengotor seperti logam kalsium dan besi. Abu layang tanpa refluks HCl 5 M berarti masih banyak mengandung logam besi dan kalsium. Pada proses peleburan dengan NaOH, besi tidak larut dalam jumlah yang sangat besar (C) (B) (A) Gambar 3 Pola difraksi sinar-x: (A) hasil sintesis aujasite tanpa perlakuan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M (B) hasil sintesis aujasite dengan penggerusan abu layang batubara hasil refluks HCl 5 M. (C) aujasite standar. ( = aujasite)

5 JMS Vol. 9 No. 3, September Tabel 4. Data intensitas relatif 5 puncak utama aujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M dibandingkan terhadap intensitas aujasit standar. 2θ (derajat) aujasite (tanpa penggerusan) aujasite (dengan penggerusan) I /I 0 I /I 0 7, ,7 15,36 16, , ,44 20,7 12,7 29,70 23,3 14 Dari tabel 4 tampak bahwa kristalinitas aujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M tanpa penggerusan memiliki kristalinitas sebesar 70 % (puncak utama) dibandingkan terhadap aujasite standar. Sedangkan aujasite hasil sintesis dari abu layang batubara refluks HCl 5 M dengan penggerusan memiliki kristalinitas sebesar 56,7 % (puncak utama) dibandingkan aujasite standar. Rendahnya kristalinitas aujasite yang dihasilkan dengan perlakuan penggerusan tersebut disebabkan pada proses peleburan abu layang batubara hasil refluks dengan HCl 5M yang telah digerus memberikan ukuran partikel yang lebih kecil. Ukuran partikel yang lebih kecil menyebabkan peleburan semakin sempurna sehingga jumlah spesi silikat (SiO 4 - ) dan aluminat (AlO 4 - ) terlarut menjadi lebih besar, terutama konsentrasi Si terlarut akan semakin tinggi dalam sistem gel silika aluminat. Bertambahnya konsentrasi Si terlarut yang lebih besar dari Al tersebut relatif meningkatkan rasio Si/Al, yang akan berpengaruh terhadap lambatnya laju pertumbuhan kristal aujasite pada saat proses hidrotermal 3,18). Berdasarkan hasil penelitian ini maka penggerusan abu layang batubara setelah refluks tidak diperlukan lagi. 4. Kesimpulan Perlakuan refluks dengan larutan HCl 5 M dapat meningkatkan rasio mol Si/Al abu layang batubara. Sintesis dengan bahan dasar abu layang batubara melalui perlakukan refluks dengan HCl 5 M menghasilkan aujasite, sedangkan tanpa perlakukan refluks menghasilkan Hydroxysodalite. Perlakuan penggerusan abu layang hasil refluks HCl 5 M mengakibatkan kristalinitas aujasite yang dihasilkan lebih rendah, dengan kristalinitas sebesar 56,6 %, daripada aujasite hasil sintesis dengan abu layang batubara reluks HCl 5 M tanpa penggerusan, dengan kristalinitas sebesar 70 %. Daftar Pustaka 1. Amrhein, C., Haghnia, G. H., Kim, T. S., Mosher, P. A., Gagajena, R. C., Amanios, T., & Torre, T. D. L., Synthesis and Properties of Zeolites fro m Coal ly Ash, Environ. Sci. Technol., 30(3), (1996). 2. Coal ly Ash : Material Description, American Coal Ash AssOCiation (ACAA), www. Aacausa.org, November 1999, (1999). 3. Barrer, R. M., Hydrothermal Chemistry of Zeolites), Academic Press, London, (1982). 4. Catalfamo, P., Patane, G., Primerano, P., Pasquale, S. D., & Corigliano,., The Presence of calcium in the Hydrothermal Conversion of Amorphous Aluminosilikates into Zeolite: Interference and Removal, Mater. Eng., 5(2), , (1994). 5. Chang, H.-L. & Shih, W.-H., Synthesis of Zeolites A and X from ly Ashes and Their Ion- Exchange Behavior with Cobalt Ions, Ind. Eng. Chem. Res., 39, , (2000). 6. Darwanta, Kajian Dekomposisi Abu Layang Batubara dan Sintesis Zeolite 4A dengan Bahan Dasar raksi Ringan Abu Layang Batubara, Skripsi S-1 Jurusan Kimia MIPA UGM, Yogyakarta, (1997). 7. eijen E. J. P., Martens J. A. & Jacobs P. A., Zeolites and their Mechanism of Synthesis, Studies in Surface Science and Catalysis, 84, 3-19, (1994). 8. Gretchen K. Hoffman, ly Ash Usage in the Western United States, NM Bureau of Mines & Mineral Resources, ebruary 2000 (2000). 9. Lin, C.-. & Hsi, H.-C., Resources Recovery of Waste ly Ash: Synthesis of Zeolite-like Materials, Environ. Sci. Technol., 29(4), , (1995). 10. Querol, X., Alastuey, A., Soler, A. L., Plana,., Andres, J. M., Juan, R., errer, P., and Ruiz C. R., A asat Method for Recycling ly Ash: Microwave-Assisted Zeolite Synthesis, Environ. Sci. Technol., 31, , (1997). 11. Shigemoto, N., Hayashi, H., & Miyaura, K., Selective ormation of Na-X Zeolite from Coal ly Ash by usion with Sodium Hydroxide Prior to Hydrothermal Reaction, J. Mater. Sci., 28, , (1993). 12. Shih, W-H. & Chang, H-L., Conversion of ly Ash into Zeolites Ion-Exchange Applications, Mater. Lett., 28, , (1996). 13. Singer, A. & Berkgaut, V., Cation Exchange Properties of Hydrothermal Treated Coal ly Ash, Environ. Sci. Technol., 27(7), , (1995). 14. Sutarno, Arryanto, Y., & Yulianto, I., Pemanfaatan Limbah Abu Layang sebagai Bahan Dasar Sintesis aujasite dengan Metoda Peleburan-Reaksi Hidrotermal, Prosiding Seminar Nasional Kimia VIII, Jurusan Kimia akultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, , (2000). 15. Sutarno, Arryanto, Y. & Hamidah, N., Sintesis Zeolite Tipe aujasite dari Abu Layang dengan

6 290 JMS Vol. 9 No. 3, September 2004 Metoda Pembibitan dan Pemeraman, Prosiding Seminar Nasional Kimia IX, Jurusan Kimia akultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, , (2001). 16. The ly Ash Resources Center, ebruary www. ly Ash Resources Center.org, (2000). 17. Zhao, X. S., Lu, G. Q., & Zhu, H. Y., Effects of Ageing and Seeding on the ormation of Zeolite Y from Coal ly Ash, Porous Mater., 4, , (1997). 18. R.G. de Araújo a, C.L. Cavalcante Jr. a, K.M. arias b, I. Guedes b*, J.M. Sasaki b, P.T.C. reire b,.e.a. Melo b, J. Mendes-ilho b, Synthesis of Cubic Y Zeolite Using a Pulsed Microwave Heating System, Mat. Res. v.2 n.2 São Carlos abr., , (1999). 19. Whinston, C., Analytical Chemistry By Open Learning (ACOL) : X-Ray Methods, John Wiley & Sons, Chicester, hal : , (1987).