APLIKASI ZEOLIT ALAM SEBAGAI FASA DIAM PADA KROMATOGRAFI ION APPLICATION OF NATURAL ZEOLITE AS STATIONARY PHASE IN ION CHROMATOGRAPHY (IC)

Transkripsi

1 APLIKASI ZEOLIT ALAM SEBAGAI FASA DIAM PADA KROMATOGRAFI ION APPLICATION OF NATURAL ZEOLITE AS STATIONARY PHASE IN ION CHROMATOGRAPHY (IC) Budhi Oktavia*, Edi Nasra, Jeri Kusuma Putra Jurusan Kimia FMIPA UNP, Padang Jln. Hamka, Air Tawar Padang, Sumbar, HP * budhi_okt@yahoo.com; budhiokt@fmipa.unp.ac.id ABSTRACT Various natural mineral has the potential to be used as a stationary phase in chromatography column for analysis of cation, anion and other organic compound. One of the natural minerals which are very widely available in Indonesia is zeolite. Natural zeolite have limitations when used directly as the stationary phase, for it prior to use as a stationary phase in chromatography columns required treatment first. This study has been carried out characterization and activation of the zeolite so that the nature of the zeolite can be used as a filler column (stationary phase) on Ion Chromatography (IC). Activation is done by using HCl at various concentration. Characterization is done before and after activation by using XRD, XRF and FTIR. Columns were used for the analysis of some cations and the results obtained have been compared with a commercial cation exchange column. Keywords: natural zeolite, stationary phase, ion chromatography ABSTRAK Berbagai mineral alam mempunyai potensi untuk digunakan sebagai fasa diam pada kolom kromatografi. Untuk analisis kation, anion dan berbagai senyawa organik. Salah satu mineral alam yang sangat banyak terdapat di Indonesia adalah zeolit. Zeolit alam mempunyai keterbatasan jika langsung digunakan sebagai fasa diam sehingga diperlukan perlakuan awal terlebih dahulu. Pada penelitian ini telah dilakukan karakterisasi dan aktivasi pada zeolit alam untuk mengaktifkan dan menghilangkan pengotor pada zeolit tersebut sebelum digunakan sebagai pengisi kolom Kromatografi Ion (IC). Aktivasi dilakukan dengan menggunakan HCl pada variasi konsentrasi. Karakterisasi dilakukan sebelum dan setelah aktivasi dengan menggunakan XRD, XRF, dan FTIR. Kolom yang diperoleh digunakan untuk analisa beberapa kation dan hasil yang diperoleh telah dibandingkan dengan kolom penukar kation komersial. Katakunci: zeolit alam, fasa diam, kromatografi ion 29

2 1. PENDAHULUAN Kromatografi merupakan salah satu metoda pemisahan kimia yang saat ini sangat banyak digunakan oleh ahli kimia terutama pada bidang kimia analitik. Intrumen kromatografi modern seperti HIC (High Ion Chromatography) membutuhkan satu kolom khusus untuk pemisahan, yaitu kolom penukar kation atau penukar anion. Penggunaan kolom ini secara terus menerus akan membuat kolom menjadi rusak sehingga pemisahan tidak dapat dilakukan. Untuk suatu laboratorium pembelajaran kerusakan kolom akan merupakan satu masalah yang besar karena kolom pemisahan tersebut harganya sangat mahal. Untuk mengatasi masalah ini dilakukan penelitian berikut untuk mengganti fasa diam pada kolom yang rusak tersebut dengan fasa diam yang dibuat sendiri sehingga dapat meringankan atau menurunkan biaya pembelian kolom. Untuk kromatografi penukar ion dibutuhkan suatu zat yang mempunyai kemampuan untuk melakukan pertukaran ion. Salah satu bahan yang mudah diperoleh di Indonesia dengan harga yang murah adalah zeolit. Seperti diketahui, zeolit mempunyai sangat banyak kegunaan seperti adsorben, penukar ion, dan sebagai katalis. Zeolit merupakan senyawa berbentuk kristal alumina silikat terhidrat yang mengandung ion-ion logam alkali dan alkali tanah di dalam kerangka tiga dimensi kristal. Zeolit yang dikenal sejak ditemukan pertamakali tahun 1756 oleh Crosted seorang mineralogis Swedia. Nama zeolit berasal dari kata zein yang artinya mendidih dan lithos yang artinya batuan. Disebut demikian karena mineral ini mempunyai sifat mendidih dan mengembang bila dipanaskan [1]. Beberapa silikon didalam zeolit diganti oleh atom aluminium yang memberikan struktur bermuatan negatif. Muatan negatif diimbangi oleh kation seperti ion - ion natrium, kalsium, dan barium yang terikat kurang kuat. Keadaan ini memungkinkan pergantian ion-ion tersebut dengan kation lain di dalam larutan dengan cara pertukaran ion [2]. Zeolit terdapat secara alami di permukaan tanah. Saat ini banyak jenis zeolit alam yang telah ditemukan dan dikelompokkan berdasarkan kesamaan strukturnya. Meskipun zeolit sintetis juga telah banyak diproduksi, namun zeolit alam tetap mempunyai peranan penting karena ketersediaannya yang melimpah di alam, khususnya di Indonesia [3]. Zeolit alam mempunyai banyak jenis mineral seperti klinoptilolit dan mordenit. Disamping itu zeolit alam juga mempunyai bermacam ion penyeimbang, seperti Ca, Na dan pengotor-pengotor seperti logam-logam lainnya. Zeolit adalah suatu kristal alumina silikat yang terhidrasi serta mengandung kation-kation alkali, alkali tanah dan secara umum mempunyai rumus empiris seperti berikut ini : (Na 2, K 2, Ca, Ba) [(Al,Si)O 2 ]n. x H 2 O. [4]. Karena kelemahan dari zeolit alam tersebut, maka zeolit alam tidak dapat digunakan langsung sebagai pengisi kolom atau fasa diam pada kromatografi ion. Untuk 30

3 itu diperlukan suatu perlakuan khusus terhadap zeolit yaitu dengan cara karakterisasi dan aktivasi dari zeolit alam untuk menghilangkan pengotor dan aktivasi zeolit alam tersebut. Pada penelitian ini telah dilakukan karakterisasi dan aktivasi dari zeolit alam untuk mengetahui sifat dan jenisnya, serta penggunaan zeolit alam tersebut sebagai fasa diam pada kolom kromatografi. 2. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Kimia Jurusan Kimia FMIPA UNP dengan menggunakan zeolit alam Indonesia sebagai objek penelitian. 2.1 Alat dan Bahan yang Digunakan Alat-alat yang digunakan adalah HIC, XRF, XRD, SEM, FTIR, Spektrofotometer UV-Vis, peralatan gelas, oven, kertas ph, kertas saring, neraca analitik, botol reagen, labu ukur, erlenmeyer, botol semprot, batang pengaduk, pipet tetes. Bahan yang digunakan adalah adalah aquades, asam oksalat dihidrat (H 2 C 2 O 4. 2H 2 O), magnesium nitrat heksa hidrat (Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O), natrium karbonat (Na 2 CO 3 ), kalsium nitrat dihidrat Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O, HCl dan CuSO Prosedur Penelitian Pengambilan sampel zeolit alam, penghalusan (mengecilkan ukuran partikel) dan pengayakan - Penghalusan Zeolit dihaluskan dengan alat mortar atau mesin penghalus hingga didapatkan zeolit dengan ukuran diameter partikel hingga satuan m. - Pengayakan Zeolit diayak dengan menggunakan ayakan ukuran 3 m, 5 m dan 10 m, yang merupakan ukuran partikel yang biasa digunakan sebagai pengisi kolom Kromatografi Melakukan uji fisika zeolit, yaitu melihat struktur kristal dengan XRD, topografi permukaan dan komposisi permukaan dengan alat SEM. - Struktur Kristal Diukur Dengan Alat XRD Karakterisasi struktur kristal dari zeolit dengan XRD dilakukan dengan membandingkan peak-peak dengan peak-peak standar. Karakterisasi dilakukan di Laboratorium Fisika UNP - Morfologi Permukaan Diukur Dengan Alat SEM 31

4 Karakterisasi morfologi, topografi, dan komposisi permukaan dilakukan dengan alat SEM di Laboratorium Biologi UNP Melakukan uji kimia zeolit, yaitu menganalisa kandungan zeolit dengan XRF dan FTIR. - Uji Kimia dengan XRF Karakterisasi kimia zeolit, terutama kandungan logam-logam utama ditentukan dengan menggunakan alat XRF di Laboratorium Kimia FMIPA UNP. Kandungan yang terdapat pada zeolit ini akan menentukan modifikasi yang akan digunakan untuk penggunaan zeolit pada proses kromatografi. - Uji Kimia dengan FTIR Uji dengan FTIR dilakukan untuk menentukan gugus-gugus fungsi yang berperan sebagai pusat aktif dari zeolit. Pengujian dengan FTIR dilakukan di Laboratorium Jurusan Kimia FMIPA UNP Aktivasi zeolit dengan asam klorida - Sampel zeolit alam ditimbang 50 g pada masing-masing 3 Erlenmeyer, ditambahkan pada masing-masing erlenmeyer 100 ml HCl 2 molar, 1 molar, 0,1 molar, 0,01 molar dan blanko yang tidak mengandung HCl. - Sampel zeolit yang direndam dengan HCl distirer selama 24 jam - Dinetralkan ph-nya dengan aquades dan dikeringkan dalam Oven kurang lebih 2 jam pada suhu C. - Uji serapan dilakukan terhadap ion Cu Penggunaan Zeolit sebagai Fasa Diam Pada Kromatografi Ion - Zeolit yang telah diaktivasi dimasukkan ke dalam kolom penukar ion. - Kolom tersebut selanjutnya dipasangkan pada alat HIC. - Kolom tersebut selanjutnya digunakan untuk analisis ion logam. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Persiapan Sampel Zeolit dihaluskan dengan alat mortar atau mesin penghalus hingga didapatkan zeolit dengan ukuran diameter partikel hingga satuan m. Zeolit diayak dengan menggunakan ayakan ukuran 75 m, 53 m dan 45 m, untuk diperoleh adsorben 32

5 dengan luas permukaan yang besar. Zeolit yang telah dihaluskan dapat dilihat pada Gambar 1 berikut ini. Gambar 1. Zeolit Alam dari Jawa Barat 3.2 Uji Fisika Telah dilakukan uji fisika dengan alat XRD dan SEM untuk melihat struktur kristal dengan topografi permukaan. Hasil pengukuran dengan instrumen XRD dapat dilihat pada gambar 2 berikut. Pattern List Visible Ref.Code Score Compound Name Displ.[ 2Th] Scale Fac. Chem. Formula Sodium Iron Silico Na - Fe - Si - O Calcium Aluminum S Ca1.23 ( Al2 Si7 ) Potassium Aluminum K ( Al Si3 O8 ) Gambar 2. Data Uji Zeolit Alam dengan XRD 33

6 Dari pengujian dengan XRD diperoleh data sebagai berikut ; PDF index name : Calcium Aluminum Silicate Hydrate, 2. Empirical formula: Al 2 Ca 1.23H 12 O 24 Si 7, Chemical formula: Ca 1.23(Al 2 Si 7 )O 18 6H 2 O, ion penyeimbang adalah Ca, dengan diameter atom 394 pm, jenis zeolit adalah Heulandite Ca. Penentuan topografi dengan alat SEM dengan pembesaran hingga 5000 kali menunjukkan bahwa ukuran partikel zeolit tersebut heterogen seperti pada gambar 3 berikut. Gambar 3. Data Uji Zeolit Alam dengan SEM Hasil analisa dengan SEM menunjukkan bahwa walaupun zeolit telah diayak tetapi ukurannya masih beragam, kondisi ini jika digunakan sebagai fasa diam pada kromatografi modern akan sangat berpengaruh terhadap bentuk puncak yang dihasilkan. 3.3 Uji Kimia Uji kimia untuk menentukan kandungan logam-logam serta kemurnian zeolit dilakukan dengan intrumen XRF, sedangkan gugus-gugus fungsi yang terdapat pada silika akan ditentukan dengan menggunakan instrumen FTIR. Dari uji dengan XRF diperoleh data-data unsur kimia pada zeolit seperti pada Tabel 1 berikut ini. 34

7 Tabel 1. Uji Zeolit Alam dengan XRF Dari data XRF di atas terlihat bahwa zeolit alam tersebut masih mengandung banyak pengotor yang terdiri dari oksida logam dan logam berat. Pengotor ini yang akan menggangu hasil pengujian jika zeolit tersebut langsung digunakan sebagai fasa diam. Untuk itu diperlukan pengaktifan dan modifikasi zeolit sehingga zeolit dapat digunakan lebih lanjut. Data XRF menunjukkan bahwa kadar SiO 2 82,801 % dan Al 2 O 3 12,089% dengan ratio 6,8492. FTIR digunakan untuk menentukan pusat aktif dari sampel zeolit alam. Hasil FTIR menunjukkan pada daerah 796 cm -1 rentangan simetri, dan 1018 cm -1 rentangan asimetri dari O-Al-O atau O-Si-O. Uji dengan FTIR dapat dilihat pada Gambar 4 berikut ini. 3.4 Aktivasi Zeolit Gambar 4. Uji Zeolit Alam dengan FTIR Zeolit diaktivasi dengan menggunakan HCl dengan berbagai konsentrasi dan diperoleh konsentrasi optimum untuk aktifasi adalah 1 M HCl. Zeolit yang telah diaktivasi dilakukan uji adsorpsi dengan menggunakan ion logam Cu(II). Hasil yang diperoleh dapat dilihat pada gambar berikut ini. 35

8 C/m C/m Prosiding SEMIRATA 2015 bidang MIPA BKS-PTN Barat zeolit sebelum diaktifasi + Cu(II) 1,5 1 0,5 zeolit setelah diaktifasi + Cu(II) 10 y = 0,3922x + 0,5714 R² = 0, ,5 1 1,5 C C Gambar 5. Pengaruh Aktifasi Zeolit Alam Terhadap Penyerapan Ion Cu(II) Pada Gambar 5 di atas terlihat bahwa sebelum dilakukan aktifasi dengan HCl 1 M, zeolit menyerap ion Cu(II) tidak memenuhi persamaan Isoterm Langmuir, namun setelah diaktifasi dapat dilihat bahwa zeolit menyerap ion Cu(II) sesuai dengan persamaan isoterm Langmuir, yang artinya bahwa zeolit dapat menyerap Cu(II) sebanyak pusat aktif yang tersedia. 3.5 Aplikasi Zeolit pada Kromatografi Ion Zeolit alam yang telah diaktivasi selanjutnya dimasukkan pada kolom kromatografi sebagai fasa diam. Hasilnya dibandingkan dengan kolom kromatografi buatan pabrik yang dijual secara komersial. Pada Gambar 6 berikut adalah hasil analisis ion natrium, ion kalsium dan ion magnesium dengan menggunakan kolom tipe IC-C4 dari produk Shimadzu yang berisikan polymethacrylate yang mampu memisahkan ion logam alkali, alkali tanah dan ion amonium secara simultan. Gambar 6. Kromatogram Na +, Mg 2+, Ca ppm dengan eluen asam oksalat 5 mm, laju alir1 ml/menit, injeksi 10 µl 36

9 4. PUSTAKA [1]. Walcarius, A., Factors affecting the analytical applications of zeolite modified electrodes: indirect detection of nonelectroactive cations, Analytica Chimica Acta; 1999 : 388, [2]. Fatimah, Is. Penggunaan Na-Zeolit Alam Teraktivasi sebagai Penukar Ion Cr(III) dalam Larutan. Logika. 2000; 4 : [3]. Senda, S.P., Saputra, H., Sholeh, A., Rosjidi, M., dan Mustafa, A., Prospek Aplikasi Produk Berbasis Zeolit untuk Slow Release Substances (SRS) dan Membran, Artikel Badan Pengkajian dan PenerapanTeknologi Indonesia, ISSN ; [4]. Bekkum, H., Flanigen, E.M., Jansen, J.C., Introduction to Zeolite Science and Practice, in: B. Delmon, J.T. Tates (Eds.), Stud. Surf. Sci. Catal., Vol. 58, Elsevier, Amsterdam;