Penurunan Kandungan Fosfat dalam Air dengan Zeolit

PENDAHULUAN

Zeolit adalah suatu mineral aluminosilikat yang membentuk kerangka 3 dimensi serta mempunyai rongga, dimana luas permukaan dalam rongga jauh lebih besar dari luas permukaan kristal bagian luar zeolit, oleh sebab itu hampir semua aktivitas berlangsung di dalam rongga. Suatu reaksi dapat berlangsung dalam rongga secara efektif, maka reaktan harus dapat berdifusi ke dalam rongga dan produk harus dapat dikeluarkan dari rongga. Difusi molekul ke dalam rongga zeolit mengikuti tipe difusi konfigurasional agar suatu molekul dapat berdifusi, maka harus ada kesesuaian ukuran dan geometri antara molekul yang berdifusi dengan rongga. Di dalam proses pertukaran diperlukan adanya interaksi adsorpsi antara molekul sorbat dengan permukaan yang aktif penukar ion. Di dalam rongga zeolit, kecendrungan sorpsi molekul sorbat adalah tinggi, hal ini disebabkan adanya sistem pori antara kristal yang mengakibatkan molekul mendapat gaya interaksi yang kuat dengan permukaan rongga. Interaksi adsorpsi ini dapat ditingkatkan dengan adanya muatan kerangka dan adanya kation-kation, sehingga dihasilkan suatu medan elektrostatik. Disamping itu proses sorpsi sangat dipengaruhi oleh keasaman dari zeolit. Keasaman zeolit ada kaitannya dengan adanya gugus hidroksil yang berasal dari Al(OH)3 dan Si(OH)4 yang terdapat pada permukaan rongga. Interaksi kation kisi dan gugus hidroksil memungkinkan zeolit dapat diperankan sebagai penukar ion baik ion posisitf maupun ion negatif. Medan elektrostatik dan keasaman dari zeolit sangat ditentukan oleh struktur dari zeolit dan kompisisi (perbandingan Si/Al di dalam zeolit). Perbandingan Si/Al pada zeolit sangat mempengaruhi kestabilan zeolit. Bila proses sorpsi dan penukaran ion terjadi peningkatan suhu yang cukup tinggi akan terjadi degradasi sifat zeolit, disamping itu bila keasaman terlalu tinggi berpengaruhi pada pada ratio Si/Al, karena terjadi pengurangan aluminium pada zeolit (dealuminasi).

Struktur Kimia dan Topologi Kerangka Zeolit

Untuk menggambarkan hubungan antara komposisi kimia dan susunan zeolit secara ideal adalah :

\[M_{x/n}\] [( \(AIO_2\))_x ( \(SiO_2\))_y] m \(H_2O\)

Dimana M adalah ion logam, x, y, m adalah bilangan tertentu dan n adalah muatan dari ion logam. Rumusan diatas menunjukan struktur satu unit sel dari zeolit dan bagian di dalam kurung menunjukan komposisi kerangka zeolit, y/x berkisar 1 sampai 5.

Gambar 1. Kerangka aluminosilikat pada zeolit

Struktur kristal zeolit merupakan penyusunan dari sejumlah unit pembangun sekunder yang membentuk lubang dan saluran yang berisikan ion-ion logam dan molekul air, keduanya bebas bergerak sehingga dapat dipakai sebagai penukar ion dan didehidratasikan secara reversibel.

Kristal mordenit berbentuk ortorombik. rumus kimia adalah Na₈(AlO₂)₈(SiO₂)₄₀. 2H₂O. Struktur rangkanya terdiri atas rantai yang saling berhubungan silang dan dibangun oleh 5 unit yang saling bergabung membentuk dua saluran. Saluran pertama berbentuk ellips dan dibentuk oleh 12 ion oksigen dengan diameter bebas 6,7-7,0°A, sedangkan saluran kedua dibentuk oleh 8 ion oksigen dengan diameter bebas 2.9-5.7°A. Saluran yang satu dengan yang lainnya dihubungankan secara paralel. Untuk mengabsorpsi sejumlah molekul yang lebih besar daripada metana, sistem saluran yang dapat dicapai adalah sistem satu dimensi. Difusi antar saluran tidak mungkin dicapai kecuali untuk melekul vang sangat kecil seperti air.

Dalam sistem pori antar kristal dapat terjadi bahwa molekul sorbat berinteraksi kuat dengan zeolit, interaksi adsorptif di dalam zeolit dapat ditingkatkan dengan adanya muatan dari kerangka dan adanya kation-kation yang menghasilkan medan elektrostatika tertentu. Medan ini lebih tinggi pada zeolit yang mempunyai kadar aluminium yang tinggi. Selanjutnya gradien medan umumnya besar dengan adanya kation yang polivalen (seperti halnya Mg²⁺ dan Ce³⁺) yang membutuhkan beberapa unit kerangka AlO₄ untuk menetralisasi. Panas dari sorpsi pada daerah permukaan yang sempit mencakup dua tipe konstribusi, yang satu adalah non-spesifik dan yang lain adalah spesifik. vang timbul akibat dari interaksi dipol dan kuadrupol (yang terdapat dalam sorbat ) dengan medan elektrostatik di dalam zeolit. Komposisi zeolit asal Jawa barat berdasarkan laporan PPTM dapat dilihat pada Tabel 1 sedangkan keselektifatan penukaran kation dari beberapa jenis zeolit pada Tabel 2.

Entalpi dari sorpsi tergantung pada jenis dan kedudukan kation dalam zeolit. Misalnya ion kalsium yang dipertukarkan pada nax akan menutupi daerah pori kecil dalam zeolit vang terdehidrasi, sampai kira-kira 40% dari ion natrium yang dipertukarkan. Ion-ion tersebut menempati rongga besar yang kemudian berinteraksi dengan kuadrupol dari senyawa organik menghasilkan kenaikan entalpi yang sorpsi. Disamping ienis kation dan struktur menentukan vana lokasi. komposisi kerangka zeolit (si/al) mempunyai suatu efek penting dalam sifat-sifat sorpsi. Bila perbandingan si/al naik, kerapatan kation medan dan kekuatan elektrostatik menurun dan afinitas dari permukaan bagi sorbat non polar akan zeolit meningkat (dibandingkan dengan sorbat polar). Karena itu zeolit yang kaya akan aluminium akan lebih besar mengadsorpsi air dibanding hidrokarbon, akan tetapi pada zeolit yang kaya akan silikat akan terjadi hal yang sebaliknya. Disamping efeknya terhadap sorpsi, struktur dan komposisi mempunyai suatu efek dalam difusi

Tabel 1. Komposisi mordenit dan klinoptilolit dalam zeolit asal Jawa barat.

Tabel 2. Hasil penelitian keselektifan zeolit dalam proses pertukaran kation.

Sumber : Pusat Penelitian dan Pengembangan Mineral

Dengan demikian zeolit dapat mengadsorpsi anion melalui proses pertukaran kation, yang sangat ditentukan oleh struktur dan komposisi dari penyusun zeolit tersebut disamping adanya pusat aktif dari gugus hidroksi di dalam rongga zeolit yang dikenal dengan pusat aktif Bronsted. Pada temperatur yang tinggi (>200^oC) proton pada pusat aktif Bronsted dapat bergerak dan pada temperatur yang lebih tinggi (>550^oC). Proton ini dapat membentuk H2O sehingga dapat terjadi suatu bentuk yang baru disebut sebagai pusat aktif Lewis.

Pusat aktif Bronsted H + Si O Si O O O Si O Al O Si O O O O O O O

O Si O Si O Al O +Si O O Si O O O O O O O

Pusat aktif Lewis

METODOLOGI PENELITIAN

Rancangan dan metoda penelitian ini diarahkan untuk mencari kondisi optimum zeolit dalam menyerap pospat dari air

elalui pendekatan : Pengaruh ukuran terhadap penyerapan pospat; Pengaruh kecepatan aliran terhadap daya serap; Penentuan kapasitas serapan zeolit dan Pengaruh regenerasi.

Batuan zeolit dicuci dan dibersihkan dari kotoran yang melekat dengan aquades, kemudian ditumbuk/dihaluskan dan diayak

sehingga diperoleh ukuran 10 ; 20 ; 35 ; 60; dan 120 mesh. Zeolit kemudian diaktifkan melalui pemanasan di oven pada 150^oC selama 4 jam. Zeolit ditimbang sekitar 10 g, dimasukan ke dalam kolom kaca yang telah terisi glass wool. Kolom siap untuk digunakan pada proses selanjutnya.

HASIL DAN DISKUSI

Kecepatan Alir sampel

Tabel 3. Kondisi awal penelitian untuk penetapan kecepatan alir sampel

Keterangan : BYH = Zeolit dari Bayah SKM = zeolit dari Sukabumi

Tabel 4. Pengaruh kecepatan alir sampel terhadap kadar pospat

Keterangan : BYH = Zeolit dari Bayah SKM = zeolit dari Sukabumi

Ukuran Butiran Zeolit

Tabel 5. Kondisi awal penelitian untuk penetapan pengaruh pkuran zeolit terhadap kadar pospat

Journal of Indonesian Zeolites

Tabel 6. Pengaruh ukuran zeolit terhadap kadar pospat

Keterangan : BYH = Zeolit dari Bayah SKM = zeolit dari Sukabumi

Pengaruh pH

Tabel 7. Kondisi awal penelitian untuk penetapan pengaruh pH terhadap kadar pospat.

Tabel 8. Pengaruh pH terhadap kadar pospat

Keterangan : BYH = Zeolit dari Bayah SKM = zeolit dari Sukabumi

Tabel 9. Kondisi awal penelitian untuk penetapan kapasitas zeolit terhadap kadar pospat

4. Kapasitas Zeolit

Tabel 10. Kapasitas zeolit terhadap penurunan kadar pospat

Dari Tabel 3 di atas terlihat bahwa semakin lambat aliran sampel melalui zeolit semakin besar pospat yang tertahan dalam zeolit, pada kecepatan 2 dan 5 mlL/menit memberikan hasil efesiensi 9,55 mg/L atau 81,2% dan 11,80 mg/L atau 77,5% untuk zeolit dari Bayah; sedangkan zeolit Sukabumi pada kecepatan alir 2 dan 5 ml/menit memberikan hasil serta efisiensi 6,71 mg/L atau 87,2% dan 10,75 mg/L atau 79, 5%. Hal ini membuktikan bahwa semakin lambat alir akan memberikan kesempatan kepada larutan untuk masuk ke dalam rongga zeolit dan melakukan adsorpsi maupun pertukaran dengan sempurna.

Ukuran butiran zeolit mempengaruhi proses adsorpsi pospat, dimana selama proses adsorpsi diperlukan kontak antara counter ion dengan gugus ionik yang terikat pada zeolit. Semakin kecil atau halus ukuran butiran, semakin besar luas permukaan, yang berarti gugus ionik semakin terbuka, sehingga kapasitas zeolit semakin meningkat. Pada Tabel 6,7 di atas terlihat untuk zeolit bayah ukuran butiran 35 mesh memberikan hasil 10,44 mg/l dengan efisiensi 80,2% sedangkan zeolit dari sukabumi dengan ukuran butiran 50 mesh memberikan hasil 8,18 mg/l, efisiensi 84,5%.

Kapasitas zeolit untuk mengadsorpsi pospat optimum tercapai pada kondisi larutan netral sampai sedikit basa dengan kapasitas adsorpsi 73,4 – 82,2% untuk zeolit bayah dan 78,8 – 86,7% untuk zeolit sukabumi. Hasil penelitian menunjukan bahwa sifat keasaman sangat mempengaruhi daya adsorpsi zeolit.

Dari Tabel 4.6.8 di atas zeolit mempunyai kapasitas penurunan kadar pospat dalam air yang efektif antara 81,8 sampai dengan 82,2% pada pengolahan 100 mL untuk zeolit Bayah, sedangkan untuk zeolit Sukabumi antara 83,8 sampai dengan 87,3% pada pengolahan 150 mL. Kapasitas penurunan kadar pospat dengan volume pengolahan lebih dari 150 sampai dengan 650 sebesar 51,4 – 79,4% dan diatas 650 mL kapasitasnya lebih kecil dari 42,3% untuk zeolit Bayah, sedangkan zeolit Sukabumi kapasitas pada pengolahan 200-550 mL sebesar 51,4 sampai 79,6% dan diatas volume pengolahan 600 mL kapasitas zeolit lebih kecil dari 47,5 %. Zeolit yang telah jenuh dengan pospat dapat diregenerasikan menggunakan larutan NaOH 0,5 N yang memberikan hasil cukup efektif dengan kapaistas 91,8–97,6%.

Journal of Indonesian Zeolites

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

• 1. Dari hasil penelitian dibuktikan bahwa zeolit mempunyai kemampuan untuk menurunkan kadar pospat dalam air yang cukup tinggi rata-rata 81,8– 87,3%
• 2. Kondisi optimum penelitian :
  • a. Ukuran butir zeolit rata-rata 35 –50 mesh
• b. Kecepatan alir 5 mL/menit
• c. pH pada suasana netral sampai sedikit basa.
• 3. Zeolit yang telah jenuh dapat diregenerasi dengan larutan NaOH.

Saran

1. Untuk melakukan penelitian lanjutan tentang proses dan mekanisme adsorpsi, pertukaran ion oleh zeolit dapat ditetapkan model, struktur zeolit dan rancangan peralatan pengolahan

limbah yang mengandung pencemar kation maupun anion.

Melakukan penelitian pemanfaatan zeolit untuk pengurangi bahan-bahan organik diantaranya pemurnian minyak kelapa (CPO)

DAFTAR PUSTAKA

• 1. Anwar K.P, 1985, Prospek pemakaian Zeolit Bayah sebagai penyerap NH⁺ dalam air limbah,
• 2. Laporan Teknik Pengembangan No 69 Bandung, 2-13
• 3. Barrer R.M, 1978, Zeolit and Clay Minerals as Sorbents and Molekuler Sieves, Acedemic Press, London, 356- 370
• 4. Cotton F.A, 1988, Advanced Inorganic Chemistry, 5th Ed, New York, 223-235
• 5. Suhala. S dan Arifin M, 1997, Bahan Galian Industri, Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral.