Transcript
Puslitbang tekmira Jl. Jend. Sudirman No. 623 Bandung Telp : Fax : LAPORAN AKHIR HASIL KEGIATAN LITBANG TAHUN 2015 KODE KEGIATAN : Kelompok Pelaksana Litbang Teknologi Pengolahan dan Pemanfaatan Mineral SINTESIS DAN KARAKTERISASI MATERIAL BERPORI BERBASIS MINERAL SILIKAT SEBAGAI PENYARING MOLEKUL Azhari, Muchtar Aziz, Dessy Amalia, Suganal, Siti Rohani, Tatang Wahyudi, Suratman Maryono PUSLITBANG TEKNOLOGI MINERAL DAN BATUBARA (PUSLITBANG tekmira) LEMBAR PENYERAHAN LAPORAN HASIL LITBANG Bandung, 11 Maret 2016 Telah diperiksa : Laporan Tim SINTESIS DAN KARAKTERISASI MATERIAL BERPORI BERBASIS MINERAL SILIKAT SEBAGAI PENYARING MOLEKUL Pemeriksa/Penyunting, Ir. Muchtar Aziz NIP Mengetahui : Koordinator Kelompok Pelaksana Litbangtek Pengolahan dan Pemanfaatan Mineral Ir. Hadi Purnomo NIP Diterima di Bidang Program pada tanggal 2016 Penerima NIP.... i SARI Indonesia memiliki potensi mineral silikat dengan kadar silika yang cukup tinggi (50-90%), diantaranya terdapat pada pasir kuarsa di P. Bangka dan Belitung dengan cadangan mencapai ton dan kuarsit di Riau ton. Penelitian pemanfaatan mineral silikat saat ini ditujukan untuk pembuatan material maju diantaranya serat optik dan membran dengan bahan baku nanosilika. Saat ini, penelitian-penelitian di Indonesia difokuskan untuk mendukung ketahanan energi. Begitu juga dengan penelitian pemanfaatan mineral di Indonesia, yang diharapkan untuk mendukung ketahanan energi dalam negeri. Salah satu pemanfaatan mineral yang dapat mendukung ketahanan energi diantaranya adalah pemanfaatan mineral silikat untuk pembuatan membran penyaring molekul. Sampel pasir silika diambil dari P. Belitung dengan kemurnian tinggi yaitu 99%. Peningkatan kadar silika lebih lanjut dilakukan untuk memisahkan pengotor, yaitu dengan cara pelindian dengan berbagai pelarut asam. Hasil terbaik ditunjukkan pada pelindian dengan asam sulfat dengan kadar silika mencapai 99,42%. Sintesis nanosilika sol gel dilakukan dengan metode alkali fusion menggunakan NaOH dengan parameter suhu dan waktu. Sedangkan proses presipitasi dilakukan dengan meneteskan 8M HCl sampai terbentuk sol gel dengan ph 7. Hasil optimum diraih pada suhu alkali fusion 800 C selama 2 jam dengan ukuran partikel sebesar 96,9 nm. Hasil pengamatan SEM menunjukkan struktur permukaan nanosilika yang berpori. ii KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT sehingga kami dapat menyelesaikan kegiatan litbang ini dengan baik. Tak lupa penulis mengucapkan terima kasih kepada Kepala Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara, Koordinator KP3 Kelompok Pengolakan Mineral serta pihak-pihak yang turut membantu kelancaran pelaksanaan kegiatan. Penelitian Sintesis dan Karakterisasi Material Berpori Berbasis Mineral Silikat sebagai Penyaring Molekul merupakan kegiatan dalam rangka mensisntesis nano partikel silika yang berasal dari mineral alam Indonesia yaitu pasir kuarsa dan kaolin dengan metode alkali fusion dan presipitasi. Semoga hasil penelitian ini dapat memberikan manfaat khususnya bagi para akademisi dan kalangan industri Bandung, Desember 2015 Tim Material Berpori iii DAFTAR ISI LEMBAR PENYERAHAN... i SARI... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... v DAFTAR TABEL... vi I. PENDAHULUAN... 1 I.1. Dasar Hukum... 1 I.2. Latar Belakang... 1 I.3. Ruang Lingkup Kegiatan... 4 I.4. Tujuan... 4 I.5. Sasaran... 4 I.6. Lokasi/ Tempat Pelaksanaan Kegiatan... 5 II. TINJAUAN PUSTAKA... 6 III. PROGRAM KEGIATAN IV. METODOLOGI V. HASIL DAN PEMBAHASAN VI. KESIMPULAN DAN SARAN VI.1. Kesimpulan VI.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iv DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 Road map penelitian pemanfaatan mineral silikat untuk pembuatan membran silika... 3 Gambar II.1. Potensi mineral silikat di Indonesia... 6 Gambar II.2. Gel Silika hasil proses metode sol-gel... 7 Gambar II.3. Kurva kondisi azeotrop... 9 Gambar IV.1. Diagram alir penelitian Gambar V.1. Difraktogram sampel pasir silika menunjukkan puncak kuarsa (Q) Gambar V.2. Difraktogram sampel kaolin menunjukkan puncak kuarsa (Q), dan kaolinit (K) Gambar V.3.. Foto SEM dan EDAX sampel pasir kuarsa Gambar V.4.. Foto SEM dan EDAX sampel kaolin Gambar V.5. Proses pelindian dengan asam Gambar V.6. Hasil percobaan alkali fusion dan pelindian dengan air panas Gambar V.7. Proses presipitasi dan gel silika yang terbentuk Gambar V.8. Foto mikro sampel nanosilika dengan perbesaran 500x, 1500x dan 3000x v DAFTAR TABEL Tabel V.4. Ukuran partikel nanosilika Tabel V.2. Hasil analisis XRF residu hasil pelindian Tabel V.3. Persen ekstraksi proses alkali fusion Tabel V.1. Komposisi kimia sampel raw pasir silika, konsentrat pasir silika, raw kaolin dan konsentrat kaolin vi PENDAHULUAN I.1. Dasar Hukum - Peraturan Presiden Republik Indonesia No. 5 Tahun 2006 Tentang Kebijakan Energi Nasional pada bab 1 pasal 1 menyatakan biofuel sebagai energi terbarukan - Peraturan Menteri ESDM No. 25 Tahun 2013 Tentang perubahan atas Peraturan Menteri ESDM No. 32 Tahun 2008 Tentang penyediaan, pemanfaatan dan tata niaga bahan bakar nabati (biofuel) sebagai bahan bakar lain. - Lampiran Peraturan Menteri ESDM No. 25 Tahun 2013 yang mencantumkan pentahapan kewajiban pemakaian bioetanol (E100) pada alat transportasi, industri dan komersial pada tahun 2016, 2020, 2025 bertahap sebanyak 5%, 10% dan 20% terhadap kebutuhan total. - Untuk mendukung program pemerintah tersebut, diperlukan penelitian dan pengembangan dalam tahapan pemurnian bioetanol yang berhubungan dengan pemanfaatan mineral silika di dalam negeri I.2. Latar Belakang Silika (Quartz) adalah salah satu senyawa oksida silikon yang telah dikenal sejak zaman dahulu karena kekerasannya (7 pada skala Mohs). Silika paling banyak ditemukan di alam dalam bentuk pasir, sering disebut pasir kuarsa. Sumber silika dapat berasal dari mineral silikat dengan jumlah yang melimpah di Indonesia, tersebar dari pulau Sumatera hingga Papua. Mineral silikat dengan kadar silika yang cukup tinggi (50-90%) diantaranya terdapat kuarsit, pasir pantai dan felspar. Potensi silika di P. Bangka dan Belitung mencapai ton, kuarsit di Riau ton (Ditjen Minerbapabum, 2009). 1 Selama ini silika sudah banyak dimanfaatkan untuk berbagai keperluan dengan berbagai spesifikasi dan ukuran partikel tergantung aplikasinya seperti dalam industri ban, karet, gelas, semen, beton, keramik, tekstil, kertas, kosmetik, elektronik, cat, film, pasta gigi dan lain-lain. Pemanfaatan mineral silikat untuk industri tersebut sudah lama diterapkan di dunia. Penelitian pemanfaatan mineral silikat saat ini ditujukan untuk pembuatan material maju diantaranya serat optik dan membran dengan bahan baku nanosilika. Saat ini, penelitian-penelitian di Indonesia diantaranya difokuskan untuk mendukung ketahanan energi. Begitu juga dengan penelitian pemanfaatan mineral di Indonesia, diantaranya yang diharapkan untuk mendukung ketahanan energi dalam negeri. Salah satu pemanfaatan mineral yang dapat mendukung ketahanan energi adalah pemanfaatan mineral silikat untuk pembuatan membran penyaring molekul. Membran ini dapat digunakan untuk membantu dalam proses penyaringan bioetanol. Seperti kita ketahui, bioetanol adalah energi alternatif pengganti bahan bakar minyak. Minyak bumi sampai sekarang masih digunakan sebagai pilihan sumber energi utama untuk memenuhi kebutuhan di dalam negeri. Meskipun demikian perlu disadari bahwa jumlah cadangan minyak bumi Indonesia akan semakin berkurang setiap periodenya. Adanya kelangkaan energi minyak bumi dimasa mendatang ditanggapi pemerintah Indonesia dengan mengeluarkan Peraturan Presiden Nomor 5 Tahun 2006 tentang kebijakan energi. Dalam Bab II Pasal 2 PP No. 5 Tahun 2006 disebutkan bahwa pemenuhan konsumsi energi di Indonesia ditargetkan berasal dari biofuel yang jumlahnya sebesar 5% dari total konsumsi energi. Pada Peraturan Menteri ESDM No. 25 Tahun 2013 Tentang penyediaan, pemanfaatan dan tata niaga bahan bakar nabati (biofuel) sebagai bahan bakar lain, menyatakan bahwa pentahapan kewajiban pemakaian bioetanol (E100) pada alat transportasi, industri dan komersial pada tahun 2016, 2020, 2025 bertahap sebanyak 5%, 10% dan 20% terhadap kebutuhan total. Penggunaan energi ramah lingkungan juga menjadi perhatian pemerintah Indonesia, mengingat saat ini Indonesia menempati urutan 2 ketiga setelah Amerika dan Cina dalam hal produksi emisi gas rumah kaca (BPPT, 2011). Pemurnian bioetanol dengan cara distilasi yang telah dilakukan selama ini memiliki kelemahan karena campuran air dan etanol dapat membentuk azeotrop, yaitu kondisi dimana air dan etanol tidak dapat dipisahkan lagi dengan cara distilasi biasa sehingga kemurnian etanol sulit ditingkatkan lagi. Kondisi ini dicapai pada fraksi mol etanol 89%. Selain itu, cara distilasi memiliki kelemahan pada efisiensi energi yang rendah, membutuhkan energi yang besar dan menghasilkan emisi karbondioksida. Pemurnian bioetanol dengan menggunakan membran bisa menjadi solusi. Metode ini dapat menghasilkan etanol dengan kemurnian tinggi ( 95%). Penggunaan membran berbasis mineral silikat atau aluminosilikat seperti pasir silika dan zeolit sudah dikembangkan di beberapa negara di dunia. Membran yang terbuat dari silika memiliki sifat permselektivitas yang baik terhadap etanol. Penelitian mengenai penyiapan nano partikel silika sudah dilakukan dari tahun 2011 di Puslitbang Tekmira. Hasil dari penelitian ini adalah gel silika yang partikelnya berukuran nm [Wayudi, 2011]. Gel silika inilah yang merupakan bahan baku pembuatan membran silika. Road map penelitian pemanfaatan mineral dapat dilihat pada Gambar I.1 berikut Penyiapan nano partikel silika dari mineral silikat secara mekanis 2015 Sintesis dan karakterisasi material berpori berbasis mineral silikat sebagai penyaring molekul 2016 Pembuatan membran berbasis silika untuk pemurnian bioethanol 3 Gambar I.1 Road map penelitian pemanfaatan mineral silikat untuk pembuatan membran silika Pada tahun 2015 ini telah dilakukan penelitian untuk melihat karakteristik material berpori yang dihasilkan dari bahan baku mineral silikat tersebut. Sedangkan pada tahun berikutnya akan dilakukan penelitian pembuatan membran yang terdiri dari beberapa layer untuk aplikasi yang lebih spesifik, yaitu pemurnian bioetanol. I.3. Ruang Lingkup Kegiatan Ruang lingkup kegiatan penelitian ini meliputi beberapa pekerjaan yang berkaitan dengan pembuatan material berpori, yaitu preparasi dan karakterisasi sampel, pemurnian mineral silikat, dan pembuatan material berpori dengan metode sol gel. Tahapan kegiatan yang dilakukan terdiri dari : 1. Pengambilan sampel silika; 2. Preparasi dan karakterisasi sampel ; 3. Pemisahan sampel dari pengotor; 4. Proses sol gel untuk sintesis nano silika; 5. Karakterisasi material berpori 6. Pelaporan. I.4. Tujuan Untuk menghasilkan material mesopori dan nanopori yang terbuat dari mineral berbasis silikat I.5. Sasaran Diperoleh material mesopori dan nanopori yang memiliki ukuran pori nanometer 4 I.6. Lokasi/Tempat Pelaksanaan Kegiatan Pengambilan sampel silika dilakukan di beberapa tempat seperti di Sungai Liat, P. Bangka dan Tuban, Jawa Timur. Sementara kegiatan penelitian dilaksanakan di Laboratorium Pengolahan dan Pemanfaatan Mineral Puslitbang Tekmira, Bandung. Analisis XRF dilakukan di Geoservice dan analisis PSA dilakukan di Nanocenter LIPI 5 TINJAUAN PUSTAKA Mineral silika Silika merupakan senyawa yang banyak ditemui dalam bahan galian yang disebut pasir kuarsa. 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, berwarna putih atau warna lain bergantung pada senyawa pengotornya. Silika biasa diperoleh melalui proses penambangan yang dimulai dari menambang pasir kuarsa sebagai bahan baku. Pasir kuarsa kemudian dilakukan proses pencucian untuk membuang pengotor yang dipisahkan dan dikeringkan kembali sehingga menghasilkan pasir dengan kadar silika yang tinggi. Sumber silika dapat berasal dari mineral silikat dengan jumlah yang melimpah di Indonesia, tersebar dari pulau Sumatera hingga Papua seperti gambar di bawah. Mineral silikat dengan kadar silika yang cukup tinggi (50-90%) diantaranya terdapat kuarsit, pasir pantai dan felspar. Potensi silika di P. Bangka dan Belitung mencapai ton, kuarsit di Riau ton (Ditjen Minerbapabum, 2009). Silika biasanya dimanfaatkan untuk berbagai keperluan dengan berbagai ukuran tergantung aplikasinya seperti dalam industri ban, karet, gelas, semen, beton, keramik, tekstil, kertas, kosmetik, elektronik, cat, film, pasta gigi, membran dan lain-lain. Gambar II.1. Potensi mineral silikat di Indonesia (Sudrajat, 1997) 6 Nanosilika Nanosilika memiliki sifat yang sangat khas dan banyak diminati karena ukuran partikelnya yang sangat kecil sehingga luas permukaannya sangat tinggi. Ukuran dan pori juga dapat direkayasa sehingga kinerja material tersebut dapat lebih baik untuk aplikasi membran, katalis, adsorpsi dan fotokatalis (Rochani, 2009) Suatu material dikategorikan berskala nanometer bila memiliki ukuran partikel antara nm. Sintesis nanosilika umumnya dilakukan dengan metode bottomup, yaitu menyususn atom-atom atau molekul-molekul sehingga membentuk partikel berukuran nanometer menggunakan teknik sol-gel, presipitasi kimia, aglomerasi fasa gas dan alkali fusion. Alkali fusion adalah proses yang dilakukan untuk melebur suatu senyawa pada suhu tertentu dengan cara mereaksikannya dengan suatu alkali. Proses ini dapat digunakan untuk mengikat senyawa silika (SiO 2 ) pada mineral-mineral silikat dengan mereaksikannya dengan sumber alkali misalkan NaOH. Pada penelitian yang telah dilakukan oleh Yamagata, 2010, proses ini dapat memisahkan zirkonia dan pasir silika pada mineral ZrSiO4. Parameter-parameter yang dikendalikan pada proses ini diantaranya adalah suhu proses dan waktu proses. Gambar II.2. Gel Silika hasil proses metode sol-gel 7 Membran silika Penelitian membran di dunia saat ini difokuskan pada teknologi nanomaterial yang dibuat dari mineral silikat atau zeolit dan kaolin. Dengan ukuran dan pori yang berukuran nano, maka membran diharapkan dapat memisahkan fasa atau molekulmolekul tertentu yang sulit terpisah dengan membran biasa. Membran dengan karakteristik selektivitas yang baik dapat memisahkan fasa liquid-liquid seperti contohnya ethanol dan air dalam proses pemurnian bio ethanol. Sintesis membran pada umumnya dilakukan dengan membentuk lapisan-lapisan material berpori dengan ukuran yang bervariasi agar membran dapat secara efektif menyaring atau memisahkan molekul-molekul tertentu. Jin, 2011, dalam penelitiannya mensintesis membran silika dengan menggunakan substrat α-alumina yang memiliki pori berukuran mikro. Substrat kemudian dilakukan proses dip coating dengan gel silika yang berukuran nano sebagai intermediate layer. Setelah mengering membran kemudian dilapisi lagi dengan bahan polimer organosilika untuk membentuk separation layer. Namun dalam penelitiannya, Jin menggunakan bahan nanosilika sintesis bukan dari mineral alam, sehingga perlu dilakukan penelitian pemanfaatan mineral silikat untuk pembuatan membran silika Membran hasil penelitiannya dapat digunakan pada aplikasi penyaring molekul seperti contohnya pemurnian bioetanol karena memiliki kelebihan dibandingkan proses distilasi yang umumnya dilakukan. Pemurnian Bioetanol Distilasi merupakan pemisahan komponen berdasarkan titik didihnya. Titik didih etanol murni adalah 78 o C sedangkan air adalah 100 o C (Kondisi standar). Dengan memanaskan larutan pada suhu rentang o C akan mengakibatkan sebagian besar etanol menguap, dan melalui unit kondensasi akan bisa dihasilkan etanol 8 dengan konsentrasi 95 % volume. Namun pada prakteknya proses distilasi biasa mengalami kendala pada terbentuknya kondisi campuran azeotrop. Azeotrop adalah campuran dari 2 atau lebih komponen yang saling terikat sangat kuat dan sulit untuk dipisahkan dengan destilasi biasa, disamping itu campuran komponen tersebut memiliki titik didih yang konstan atau sama, sehingga ketika campuran azeotrop dididihkan, maka fasa uap yang dihasilkan memiliki titik didih yang sama dengan fasa cairnya. Campuran azeotrop ini sering disebut sebagai constant boiling mixture karena komposisinya yang senantiasa tetap jika campuran tersebut dididihkan, maka dari itu campuran azeotrop ini sulit untuk dipisahkan dengan metode destilasi biasa, sehingga hasil dari destilasi yang didapatkan yaitu ethanol dengan campuran sedikit air, jadi ethanolnya yang dihasilkan tidak murni. Kondisi azeotrop dapat digambarkan pada kurva berikut. Gambar II.3. Kurva kondisi azeotrop (www.enacademic.com) Titik A pada pada kurva merupakan boiling point campuran pada kondisi sebelum mencapai azeotrop. Campuran kemudian dididihkan dan uapnya dipisahkan dari sistem kesetimbangan uap cair (titik B). Uap ini kemudian didinginkan dan terkondensasi (titik C). Kondensat kemudian dididihkan, didinginkan, dan 9 seterusnya hingga mencapai titik azeotrop. Pada titik azeotrop, proses tidak dapat diteruskan karena komposisi campuran akan selalu tetap. Pada gambar di atas, titik azeotrop digambarkan sebagai pertemuan antara kurva saturated vapor dan saturated liquid. (ditandai dengan garis vertikal putus-putus). Salah satu Contoh Azeotrop yaitu terdiri dari Alkohol yang berkadar 96%, dimana sekitar 4%-nya adalah air membentuk suatu kondisi/campuran yang disebut azeotrope. Pada tahap ini molekul alcohol dan air saling terikat dengan erat dan tidak bisa dipisahkan dengan destilasi biasa. Karena itu untuk meningkatkan dari kadar 96% menjadi 99,5% dibutuhkan bantuan zeolit /molecular sieve /karbon aktif. Bahan-bahan tersebut mempunyai molekul dengan rongga yang sangat kecil dan sangat banyak sehingga dapat menyerap molekul air yang lebih kecil daripada molekul alcohol. Sehingga hasil yang didapatkan nantinya adalah ethanol murni. 10 PROGRAM KEGIATAN 3.1. Persiapan dan pengambilan sampel silika - Penelusuran literatur yang terkait - Penyiapan peralatan dan bahan - Pengambilan sampel silika dan kaolin di Belitung dan Tuban 3.2. Preparasi dan karakterisasi sampel - Preparasi sampel yang telah diambil - Karakterisasi awal sampel silika dan kaolin dengan analisis SEM dan XRD - Kominusi dengan ball mill menghasilkan silika halus (-200 mesh) 3.3. Pemisahan sampel dari pengotor - Pemisahan pengotor dengan cara pelindian dengan asam sulfat - Penyaringan dan pengeringan silika kadar tinggi 3.4. Proses sol gel untuk sintesis nano silika - Sintesis nanosilika sol gel dengan metode alkali fusion menggunakan NaOH dengan parameter suhu dan waktu - Presipitasi nanosilika - Karakterisasi gel silika 3.5. Sintesis material berpori dari bahan baku sol gel atau nanosilika - Proses aging dan kalsinasi nanosilika - Karakterisasi material berpori 3.6. Pelaporan - Penulisan laporan akhir - Penulisan Karya Tulis Ilmiah (KTI) 11 METODOLOGI Diagram alir penelitian disajikan pada gambar berikut Gambar IV.1. Diagram alir penelitian 12 HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Bahan Baku Karakterisasi bahan baku meliputi analisis menggunakan XRD, morfologi menggunakan SEM dan komposisi kimia menggunakan XRF. Mineralogi (XRD) Hasil analisis XRD sampel pasir silika dan kaolin tampak pada gambar berikut. Q Q Q Q Q Q Q Q Gambar V.1. Difraktogram sampel pasir silika menunjukkan puncak kuarsa (Q) K K Q Q K K K K K Gambar V.2. Difraktogram sampel kaolin menunjukkan puncak kuarsa (Q), dan kaolinit (K) 13 Dari hasil analisis XRD tersebut dapat dipastikan sampel pasir yang didapat dari P. Belitung adalah pasir kuarsa, sedangkan sampel kaolin yang didapat terkandung mineral kaolin yang dominan dan kuarsa. SEM dan EDAX Gambar di bawah ini memperlihatkan foto SEM dan EDAX sampel pasir silika dan kaolin. Gambar V.3.. Foto SEM dan EDAX sampel pasir kuarsa 14 Gambar V.4.. Foto SEM dan EDAX sampel kaolin Berdasarkan gambar di atas, sampel pasir silika yang diamati merupakan partikel kuarsa dengan unsur-unsur yang terdeteksi adalah Si dan O dengan kuantitas unsur Si sebesar 50,65% dan O sebesar 46,61% sehingga berkesesuaian dengan data analisis XRD. 15 Sedangkan pada foto SEM kaolin terlihat permukaan partikel yang keropos dengan porositas yang
