SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA VII Penguatan Profesi Bidang Kimia dan Pendidikan Kimia Melalui Riset dan Evaluasi Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan P.MIPA FKIP UNS Surakarta, 18 April 2015 MAKALAH PENDAMPING KIMIA FISIK DAN ANORGANIK ISBN :978-602-73159-0-7 SINTESIS DAN KARAKTERISASI KATALIS CU/ZEOLIT DENGAN METODE PRESIPITASI Nanik Dwi Nurhayati 1,*, Atit Atikasari 2 1 Pendidikan Kimia, FKIP, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Indonesia 2 Pendidikan Kimia, FKIP, Universitas Sebelas Maret, Surakarta Indonesia e-mail: nanikdn@uns.ac.id ABSTRAK Penelitian bertujuan mensintesis dan karakterisasi katalis Cu/Zeolit dari zeolit alam Bayat. Tahapan penelitian meliputi preparasi zeolit alam, aktivasi zeolit, sintesis katalis Cu/Zeolit dengan metode presipitasi serta karakterisasi. Aktivasi dilakukan secara fisika dan kimia. Logam pengemban yang digunakan adalah logam Cu. Setelah aktivasi zeolit alam aktif, dilakukan presipitasi dengan merendam zeolit alam aktif dalam larutan prekusor Cu(NO3)2 dengan bahan pengendap Na2CO3. Analisis FTIR untuk mengetahui gugus fungsi Cu/Zeolit dan XRD untuk mengetahui kekristalannya. Hasil yang diperoleh yaitu: (1) Katalis Cu/Zeolit dapat disintesis dari zeolit alam teraktivasi dengan metode presipitasi, (2) Hasil analisis FTIR menunjukkan logam Cu sudah teremban ke dalam zeolit terlihat pada spektra spesifik 696,87 cm-1 dan 696,30 cm-1 yang menunjukkan adanya CuO, serta hasil analisis XRD menunjukkan difraktrogram katalis Cu/Zeolit bersifat kristalin. Kata Kunci : Sintesis, Katalis Cu/Zeolit, presipitasi, FTIR, XRD PENDAHULUAN Proses cracking minyak bumi merupakan salah satu proses industri yang menggunakan katalis sebagai bahan untuk mempercepat reaksi suatu produk tetapi tidak ikut bereaksi dalam menghasilkan produk. Sistem katalis yang biasa digunakan adalah katalis sintetik yang diimpor dengan harga relatif mahal. Indonesia adalah negara yang memiliki potensi sumber daya alam melimpah, salah satunya adalah zeolit. Kegunaan zeolit didasarkan atas kemampuannya melakukan pertukaran ion, adsorpsi dan katalisator. Zeolit memiliki bentuk kristal yang sangat teratur dengan rongga yang saling berhubungan ke segala arah menyebabkan luas permukaan zeolit
sangat besar sehingga sangat baik digunakan sebagai adsorben maupun katalis (Sutarti dan Rachmawati, 1994). [8] Dalam pemanfaatannya, katalis yang digunakan harus memperhatikan beberapa faktor, diantaranya aktifitas, selektifitas, waktu pakai dan kemudahan diregenerasi. Zeolit dapat ditingkatkan kinerjanya dengan mengembankan logam pada zeolit. Jenis logam yang biasa digunakan adalah logam transisi seperti Mo, Ni, Pt, dan Cu. Logam yang dipilih dalam penelitian yaitu logam Cu. Dari segi ekonomi harga logam Cu lebih murah dibanding logam Pt, ketersediaannya banyak. Selain itu Chang (2003) [3] melaporkan bahwa preparasi katalis Cu yang disangga dengan silika pada reaksi dehidrogenasi etanol menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu reaksi maka aktivitas katalis semakin meningkat. Aktivitas dan selektivitas katalis dipengaruhi oleh karakteristik katalis. Karakteristik katalis dipengaruhi oleh metode preparasi dan kandungan logam aktifnya (Widiyarti, 2010).[9] Penelitian ini bertujuan memodifikasi zeolit sebagai katalis dengan metode presipitasi yaitu menempelkan senyawa aktif pada permukaan bahan penyangga dengan menggunakan bahan pengendap (presipitan) sehingga menghasilkan katalis Cu/Zeolit dan mengkarakterisasinya. Untuk memasukkan logam ke dalam bahan pengemban dilakukan dengan beberapa metode diantaranya metode presipitasi yaitu metode presipitasi logam aktif ditempelkan pada permukaan bahan penyangga dengan menggunakan bahan pengendap / presipitan. Zeolit merupakan mineral dengan kerangka alumino silikat mengandung Si-O dan Al-O terhidrasi dengan muatan positif dari ion logam alkali dan alkali tanah dalam kerangka kristal tiga dimensi, dengan setiap oksigen membatasi antara dua tetrahedral. Gambar 1. Struktur zeolit kaya kation (Augustine, 1996) Katalis dengan pemakaian logam pengemban akan memberikan dasar yang stabil sehingga dapat memperpanjang waktu pakai katalis dan luas permukaan pengemban yang besar akan meningkatkan dispersi logam (Sariman, 1998). [6] METODOLOGI PENELITIAN Alat dan bahan yang digunakan meliputi peralatan gelas, timbangan analitik, cawan porselin, kertas saring Wattman, mortar, ayakan 100 mesh, magnetic stirer, oven, FTIR, XRD, zeolit alam bayat, Larutan HCl 3 M, Na2CO31 M, Cu(NO3)2 0,25%. Aktivasi Zeolit
Zeolit direndam HCl selama 2 jam diaduk, disaring dan dicuci berulang kali untuk menghilangkan ion Cl - yang masih tersisa, dikeringkan dioven bersuhu 200 0 C selama 3 jam. Sehingga didapat zeolit alam aktif. Metode Presipitasi Katalis Cu/Zeolit Zeolit alam aktif ditambah larutan Cu(NO3)2 dan larutan Na2CO3 sampai ph 8. Kemudian diaduk pada 50 0 C selama 30 menit. Sehingga terbentuk endapan disaring dan dicuci dengan air panas dikeringkan suhu 110 0 C selama 24 jam. Karakterisasi Katalis CIu/Zeolit Penentuan gugus fungsi senyawa dengan FTIR dan kristalinitas menggunakan instrumen XRD. HASIL DAN PEMBAHASAN Katalis Cu/Zeolit yang dihasilkan berwarna putih kecoklatan. Aktivasi zeolit dilakukan dengan aktivasi kimia dan fisika. Aktivasi kimia merendam zeolit alam dalam larutan asam HCl, bertujuan menghilangkan logam pengotor sehingga zeolit kaya akan hidrogen (zeolit-h) dan atom H mudah ditukar dengan kation lain. Perlakuan asam akan mengurangi jumlah aluminium dikerangka maupun dipermukaan zeolit menyebabkan terbukanya pori zeolit yang tertutupi oleh pengotor organik, sehingga luas permukaan akan semakin meningkat (Handoko, D.S.P. (2002). [2] Pemanasan merupakan proses aktivasi zeolit secara fisika, pemanasan dapat menyebabkan pori-pori pada zeolit lebih terbuka dan luas pemukaannya menjadi lebih besar, dapat menghilangkan air yang masih terperangkap dalam zeolit sehingga tidak mengganggu dalam proses selanjutnya. (Srihapsari, 2006). [7] Mekanisme reaksinya yang terjadi sebagai berikut: + MCl + 3nAlCl3 Gambar 2. Mekanisme reaksi zeolit alam teraktivasi Zeolit alam yang telah teraktivasi diembankan pada logam Cu dalam larutan prekusor Cu(NO3)2 dan larutan Na2CO3 sampai ph 7, karena sifat dari kation divalen maupun trivalen akan berpengaruh pada aktivitas katalis sehingga kemampuan katalis dalam mengadsorpsi bahan lebih optimal (Riesthandie, 2010). [5] Karakterisasi gugus fungsi dengan FTIR memberikan hasil spektra-ir sebagai berikut :
Gambar 3. Spektra FTIR Katalis Cu/Zeolit Gambar 4. Spektra FTIR Standar Zeolit Teraktivasi (Li, 2003) [3] Pada spektra terlihat adanya puncak panjang gelombang 1055,06 cm -1 yang menunjukkan vibrasi ulur asimetris T- O posisi T dapat ditempati oleh Si atau Al yang merupakan bagian utama dari zeolit. Puncak 798,53cm -1 merupakan daerah dari serapan ikatan pada unit struktur utama zeolit yang berbentuk simetris, vibrasi tekuk Si-O pada jalinan eksternal (kerangka zeolit). Serapan vibrasi tekuk T-O berada pada kisaran 420-500 cm -1. Puncak 460,99 cm -1 menunjukkan adanya vibrasi tekuk dari ikatan T-O. Puncak ini merupakan interpretasi dari jalinan internal pada kerangka zeolit. Puncak vibrasi tekuk CuO pada panjang gelombang 626,87 cm -1 dan 696,30 cm -1. Puncak serapan panjang gelombang 3614,60 cm -1 merupakan vibrasi ulur dari O-H dan terjadi pada pita melebar O-H di daerah 3423,65 cm -1. Pada serapan 1645,28 cm -1 merupakan vibrasi tekuk gugus O-H dari molekul H2O yang teradsorb.
Tabel 1. Spektra FTIR Katalis Cu/Zeolit dan Zeolit Standart BilanganGelombang BilanganGelombang JenisVibrasi katalis Cu/zeolit (cm -1 ) zeolit standart (cm -1 ) Vibrasi ulur O-H 3614,60 3600-3650 Vibrasi ulur TO4 (vibrasi ulur Si-O dan Al-O) Vibrasi tekuk T-O (kerangkazeolit) / vibrasi tekuk Si-O 1055,06 1050-1150 798,53 700-850 Vibrasi tekuk T-O 460,99 420-500 Vibrasi tekuk CuO 696,87 dan 696,30 - Berdasarkan hasil analisis spektroskopi inframerah tersebut dapat disimpulkan bahwa katalis Cu/Zeolit menunjukkan kerangka struktur zeolit dan logam Cu sudah teremban dalam zeolit. Karakterisasi kristalinitas zeolit alam dan katalis Cu/Zeolit instrumen Difraksi Sinar-X/XRD. Difraktogram sinar-x dapat memberikan informasi mengenai jenis material yang bersifat kristal atau amorf serta pergeseran 2θ maupun intensitas dari modifikasi zeolit. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Gambar 5. Difraktogam Zeolit Alam Teraktivasi
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Gambar 6. Difraktogram Katalis Cu/Zeolit Hasil difraktogram zeolit alam teraktivasi puncak pertama yang cukup tinggi pada 2θ 13,53 0 menunjukkan adanya jenis mineral mordenit di dalam sampel yang didukung dengan keberadaan puncak lainnya dengan intensitas tinggi yaitu 2θ19,67 0 ; 22,32 0 ; 25,69 0 ; 26,69 0 dan 27,68 0. Adanya logam Cu yang masuk ke dalam zeolit ditunjukkan dengan kemunculan puncak pada 2θ 45,20 0 yang merupakan puncak spesifik dari oksida Cu (CuO) dan kristalinitas katalis Cu/Zeolit bertambah. Tabel 2. Harga 2θ dan Intensitas Difraktogram Zeolit Alam Teraktivasi dan Katalis Cu/Zeolit Zeolit Alam Teraktivasi Katalis Cu/Zeolit (presipitasi) 2θ Intensitas 2θ Intensitas 13,53 o 39,649 13,53 0 74,27 19,67 0 37,513 19,67 0 39,01 22,32 0 52,09 22,32 0 53,59 25,69 0 81,11 25,69 0 82,62 26,69 0 62,77 26,69 0 64,27 27,68 0 47,02 27,68 0 49,02 45,20 0 8,07 45,20 0 49,68 KESIMPULAN 1. Modifikasi katalis Cu/Zeolit dapat dilakukan dengan metode metode presipitasi. 2. Hasil FTIR menunjukkan logam Cu teremban ke dalam zeolit pada panjang 3. Hasil XRD menunjukkan bahwa difraktrogram katalis Cu/Zeolit dengan metode presipitasi kekristalinitasan bertambah dan tidak merusak struktur utama zeolit. gelombang 696,87 cm -1 dan 696,30 cm - 1 menunjukkan CuO.
DAFTAR PUSTAKA [1] Augustine, R.L. (1996). Heterogeneous Catalysis for the Synthetic Chemist.New York: Marcel Dekker Inc. [2]. Handoko, D.S.P. (2002). Pengaruh Perlakuan Asam, Hidrotermal, dan Impregnasi Logam Kromium pada Zeolit Alam dalam Preparasi Katalis. Jurnal Ilmu Dasar Vol 3. Jurusan Kimia F MIPA Universitas Jember. [3]. Li, Can & Zili Wu. (2003). Handbook of Zeolite Science and Technology. China: Chinese academy of science. [4]. Mutngimaturrohmah. Aplikasi Zeolit Alam Terdealuminasi dan Termodifikasi HDTMAsebagai Adsorben Fenol. Universitas Diponegoro. [5]. Riesthandie. (2010).Pemanfaatan Cu-NaA Dan Naa Dengan Prekursor SiO 2 Dari Sekam Padi Untuk Adsorpsi Gas NOx. Surabaya: Prosiding KIMIA FMIPA ITS. [6]. Sariman(1998). Persiapan, Pengolahan dan Penggunaan Zeolit Alam Berdasarkan Sifat yang Dimilikinya. Makalah Teknik. N0.1 Th 7. [7]. Srihapsari, D. (2006). Penggunaan Zeolit Alam yang Telah Diaktivasi dengan Larutan HCl untuk Menyerap Logamlogam Penyebab Kesadahan Air. Skripsi.Semarang: FMIPA Universitas Negeri Semarang. [8]. Sutarti, M., & Rachmawati. (1994). Zeolit Tinjauan Literatur. Jakarta.Jakarta: Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI). [9]. Widiyarti, Galuh. (2010). Pengaruh Metode Preparasi dan Kandungan Logam Aktif Terhadap Aktivitas Katalis Ni/Kieselguhr. Jurnal material sains indonesia volume 11 nomer 2. Tangerang. TANYA JAWAB PENANYA : Zackiyah Pertanyaan : a) Apakah alasan aktivasi menggunakan HCl dan bukan dengan asam yang lain? b) Jika dengan pengeringan? Jawaban : a) Karena termasuk asam kuat yang mempunyai daya ionisasi kuat sehingga lebih mudah bertukar dengan kation Na+ dalam zeolit. b) Untuk menghilangkan uap air digunakan suhu 100 0C kurang lebih 3 jam sehingga diperoleh zeolit benar-benar kering.