http://ejurnal.
id/index.
php/photon Penentuan Situs Asam Bronsted-Lewis dari ZSM-5 yang Disintesis Menggunakan Silika Amorphous dari Fly Ash Sawit Halida Sophia*.
Muhdarina.
Emrizal Mahadin T.
Dhea Ardelia E Jurusan Kimia FMIPA Universitas Riau.
Kampus Binawidya.
Pekanbaru, 28293.
Indonesia *Correspondence e-mail: halida.
sophia@lecturer.
Abstract Fly ash is one of the byproducts of palm oil mill.
The silica extracted from fly ash can be utilized for the synthesis of ZSM-5 by hydrothermal methods after fusion pre-treatment with NaOH.
This study aimed to obtain ZSM-5 and determine the characteristic of the synthesized ZSM-5.
The synthesis was performed at various composition molar ratio of SiO2/Al2O3 with addition of PEG-400 as template on temperature 100AC during hydrothermal process.
The analysis using XRD showed that the two of three synthesized zeolites were ZSM-5 with crystallinity 67.
63% and 28.
Analysis using FTIR spectroscopy on synthesized ZSM-5 detected many groups including T-OH hydroxyl groups (Si-OH/Al-OH).
TO groups (OSi-O/O-Al-O) and pentasil groups are typical of ZSM-5.
From analysis using pyridine adsorption, it can be concluded that the increases ratio of SiO2/Al2O3 causes the number total acid side of the sample increased.
Keywords: Fly ash.
Hydrothermal.
Template.
ZSM-5 Abstrak Fly ash merupakan salah satu produk sampingan dari pabrik kelapa sawit.
Silika yang diekstraksi dari fly ash dapat dimanfaatkan untuk sintesis ZSM-5 dengan metode hidrotermal setelah pra-perlakuan fusi dengan NaOH.
Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan ZSM-5 dan mengetahui karakteristik ZSM-5 yang disintesis.
Sintesis dilakukan pada berbagai komposisi perbandingan molar SiO2/Al2O3 dengan penambahan PEG-400 sebagai template pada suhu 100 AC selama proses hidrotermal.
Analisis menggunakan XRD menunjukkan bahwa dua dari tiga zeolit yang disintesis adalah ZSM-5 dengan kristalinitas 67,63% dan 28,53%.
Analisis menggunakan spektroskopi FTIR pada ZSM-5 yang disintesis mendeteksi banyak gugus termasuk gugus hidroksil T-OH (Si-OH/Al-OH), gugus TO (O-Si-O/O-Al-O) dan gugus pentasil yang khas dari ZSM -5.
Dari analisis menggunakan adsorpsi piridin, dapat disimpulkan bahwa peningkatan rasio SiO2/Al2O3 menyebabkan jumlah sisi asam total sampel meningkat.
Kata kunci: Fly ash.
Hhidrotermal.
Templat.
ZSM-5 Pendahuluan Luas areal kelapa sawit di Indonesia sebesar 10,9 juta Ha dengan produksi 29,3 juta ton CPO.
Luas areal menurut status pengusahaannya milik rakyat (Perkebunan Rakya.
seluas 4,55 juta Ha, milik negara (PTPN) seluas 0,75 juta Ha, milik swasta terbagi menjadi 2, yaitu swasta asing seluas 0,17 juta dan sisanya lokal menurut Direktorat Jenderal Perkebunan kelapa sawit .
Dengan luas areal perkebunan sawit yang semakin berkembang dengan pesat tiap tahunnya, demikian pula produksi dan ekspor minyak sawitnya.
Limbah dari pengolahan kelapa sawit terdiri atas tandan kosong, serat buah, cangkang, serta sabut kelapa Sabut dan cangkang kelapa sawit telah digunakan sebagai bahan bakar ketel untuk menghasilkan energi mekanik dan panas (Putra et al, 2.
Namun belum sepenuhnya terselesaikan karena dari proses pembakaran biomassa menghasilkan limbah padat berupa fly ash sehingga perlu diolah sedemikian rupa agar dapat dijadikan hal yang bermanfaat contohnya sebagai sumber silika alternatif dalam proses sintesis Zeolit sintesis memiliki banyak keunggulan sehingga banyak digunakan di dalam dunia industri seperti memiliki pori yang seragam, situs asam yang besar dan juga kestabilan termal yang cukup baik.
ZSMReceived: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon 5 (Zeolite Socony Mobile-.
merupakan zeolit yang memiliki rasio SiO2/Al2O3 tinggi (SiO2/Al2O3 5-.
Cejka et al .
dengan bentuk framework MFI.
ZSM-5 dimanfaatkan sebagai katalis karena memiliki sifat keasaman dan struktur pori yang efektif dalam proses reaksi katalitik.
ZSM-5 telah banyak digunakan dalam berbagai proses katalitik di industri petrokimia, seperti cracking, isomerisasi, aromatisasi dan proses Beberapa penggunaan ZSM-5 komersial saat ini adalah fluid catalytic cracking (FCC), isomerisasi xylene, konversi metanol menjadi bahan bakar cair, sintesis ethyl benzene dan sintesis p-methylstiren (Grandprix et al, 2.
Sauqi et al .
melakukan sintesis ZSM-5 dari fly ash sawit dengan metode hidrotermal pada suhu 190AC menghasilkan tingkat kristalinitas yang sangat kecil yaitu hanya sekitar 3%.
Adapun tingkat kemurnian ZSM-5 dipengaruhi oleh suhu hidrotermal, waktu hidrotermal, rasio SiO2/Al2O3, dan penggunaan organik (Hartanto et al, 2.
Suhu hidrotermal yang tinggi akan menurunkan tingkat kristalinitas ZSM-5 (Hartanto et al, 2.
Beberapa template organik yang biasa digunakan untuk membantu sebagai agen pengarah struktur adalah TPAOH dan TPABR, (Petushkov et al, 2.
serta PEG.
PEG (Polietilen Gliko.
merupakan surfaktan nonionik yang lebih ekonomis dibanding template organik lain serta lebih ramah lingkungan (Sriatun et al, 2.
Dalam penelitian ini, silika yang diekstraksi dari fly ash kelapa sawit digunakan sebagai satusatunya sumber silika serta aluminium oksida untuk mensintesis ZSM-5 variasi rasio SiO2/Al2O3 dengan penambahan template PEG-400 dengan metode hidrotermal pada suhu 100AC.
Metodologi Alat dan Bahan Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah ayakan 200 mesh, desikator, peralatan gelas, timbangan digital (Boeco German.
Oven (Memmer.
Furnace (Vulcan A-.
, autoclave hidrotermal 50 ml, hotplate CORNING PC-420D, pengaduk magnet, pH meter Neutron Tech PH-009-A.
Spektrofotometer Fourier Transform Infrared (FTIR) IR Prestige-21 SHIMADZU.
Difraktometer sinar X PANalytical XAoPERT.
XRF PANalytical Epsilon 3.
Bahan yang digunakan adalah fly ash PTPN V Sei.
Galuh.
Asam Klorida 37%.
Natrium Hidroksida.
Polietilen glikol 400.
Aluminium Oksida dan Akua DM.
Ekstraksi silika dari fly ash Fly ash digerus dan diayak menggunakan ayakan 200 mesh.
Fly ash yang lolos kemudian dikalsinasi pada suhu 700AC selama 4 jam.
Selanjutnya fly ash dileaching dengan HCl 1M selama 1 jam.
Setelah itu, fly ash disaring dan dicuci dengan akuades serta dikeringkan dalam oven suhu 105 AC selama 6 jam.
Fly ash yang didapat kemudian dilebur dengan NaOH dalam cawan porselen pada perbandingan berat 5:6 pada suhu 500AC selama 1 jam.
Hasil peleburan yang terbentuk kemudian ditambahkan akua DM sampai volum 250 mL dan didiamkan selama 24 jam.
Suspensi tersebut kemudian disaring dengan kertas saring Whatman No.
Adapun filtrat yang didapat adalah natrium silikat.
Natrium silikat kemudian ditambahkan asam sedikit Received: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon demi sedikit sambil diaduk hingga terbentuk gel dengan pH 7 kemudian didiamkan selama 24 jam.
Gel silika tersebut kemudian disaring dengan kertas saring Whatman 042 dan dicuci dengan menggunakan akua DM sambil diaduk dengan kecepatan 60 rpm pada suhu 25AC selama 1 jam.
Kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 105AC selama 8 jam.
Sintesis ZSM-5 Sintesis ZSM-5 dilakukan pada komposisi molar 1,0 SiO2: xAl2O3 : 0,12 NaOH: 8 H2O dengan variasi molar SiO2/Al2O3 100, 150, dan 200.
Sintesis tersebut dilakukan dengan cara sebagai berikut: silika dilarutkan dalam larutan natrium hidroksida serta penambahan template polietilen glikol 400 dan aluminium oksida dan dilakukan pengadukan selama 60 menit.
Kemudian suspensi dimasukkan dalam autoclave hidrotermal yang dipanaskan pada oven pada suhu 100oC selama 24 jam.
Sampel yang terbentuk kemudian disaring dan dicuci dengan akuades.
Sampel lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 105oC selama 6 jam.
Setelah itu sampel dikalsinasi pada suhu 550oC selama 6 jam untuk mendekomposisi template PEG-400.
Selanjutnya sampel ZSM-5 dikarakterisasi menggunakan XRD.
FTIR dan uji adsorpsi piridin.
Hasil dan Pembahasan Ekstraksi silika dari fly ash Persiapan natrium silikat dilakukan dengan mereaksikan abu boiler yang telah diaktivasi kemudian dicampurkan pellets NaOH.
Silika mampu larut dalam alkali terutama natrium hidroksida.
Sehingga dalam penelitian ini digunakan metode peleburan antara fly ash dengan NaOH dalam furnace pada suhu 500AC selama 1 jam.
Setelah itu slurry dari natrium silikat yang terbentuk dilarutkan dengan akua DM.
Campuran yang dihasilkan merupakan natrium silikat yang kemudian didinginkan pada suhu kamar selama 24 jam.
Setelah pembentukan natrium silikat dilanjutkan dengan pembuatan silika menggunakan proses solgel yaitu proses pembentukan hidrosol hasil reaksi natrium silikat dengan asam.
Asam yang digunakan yaitu HCl 3M.
Penambahan HCl ke dalam larutan natrium silikat dilakukan dengan cara tetes demi tetes sambil diaduk hingga terbentuk gel pada pH 7.
Gel silika yang terbentuk belum sempurna, masih dalam bentuk endapan berupa agregat-agregat, untuk itu perlu didiamkan selama 24 jam agar gel mampu terbentuk secara sempurna.
Setelah didiamkan kemudian disaring dengan menggunakan kertas saring Whatman No.
42 untuk memisahkan antara endapan yang merupakan gel dengan filtrat.
Setelah diperoleh gel, dilanjutkan dengan pencucian gel silika menggunakan akua DM untuk menghilangkan mineral-mineral ion yang kemungkinan terjebak dalam pori silika dan juga membebaskan ion klorida yang terbentuk saat penambahan HCl pada proses pembentukan Silika yang telah bebas dari ion Cl- kemudian dikeringkan pada suhu 105AC sampai diperoleh massa Setelah proses pengeringan, diperoleh silika dalam bentuk kering dan berwarna putih.
Silika ini yang akan digunakan sebagai prekursor dalam sintesis ZSM-5.
Received: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon Sintesis ZSM-5 Sintesis ZSM-5 dilakukan dengan cara mereaksikan silika dengan natrium hidroksida serta penambahan aluminium oksida sedikit demi sedikit, ketika dilakukan penambahan aluminium oksida maka larutan berubah menjadi berwarna putih.
Hal tersebut dikarenakan ion silikat dan ion aluminat bereaksi secara polimerisasi membentuk zeolit.
Ketika ditambahkan agen pengarah struktur berupa PEG-400, maka monomer-monomer pembentuk kerangka zeolit akan mengalami polimerisasi kondensasi membentuk kerangka struktur yang diarahkan dari misel surfaktan PEG-400 Setelah proses sintesis ZSM-5 selesai, sampel kemudian disaring dan dicuci untuk kemudian dikeringkan dan dikalsinasi pada suhu 550AC selama 6 jam untuk mendekomposisi PEG-400 (Sriatun et al, 2.
Karakterisasi ZSM-5 dengan FTIR Karakterisasi sampel menggunakan FTIR bertujuan untuk mengidentifikasi gugus fungsi penyusun kerangka zeolit.
Analisis FTIR dilakukan mulai dari bilangan gelombang 4000-400 cm-1.
Pada rentang bilangan gelombang tersebut terdapat gugus fungsi yang terdapat pada zeolit.
Adapun hasil spektrum FTIR sampel ZSM-5 ditunjukkan Gambar 1.
Gambar 1.
Spektrum FTIR ZSM-5 dengan variasi molar SiO2/Al2O3 yaitu 100, 150 dan 200.
Pita serapan karakteristik untuk ZSM-5 ditunjukkan pada beberapa bilangan gelombang sebagai berikut, pada bilangan gelombang 500-420 cm-1 merupakan vibrasi tekuk T-O, bilangan gelombang 820-650 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur simetris O-T-O, bilangan gelombang 3600-3400 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur O-H, bilangan gelombang 2960-2850 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur simetris Csp-H yang mengindikasikan bahwa template PEG-400 belum terdekomposisi seluruhnya dan bilangan gelombang 650Received: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon 500 cm-1 menunjukkan vibrasi cincin ganda pentasil yang merupakan pita serapan khas yang menunjukkan telah terbentukmya ZSM-5.
Karakterisasi ZSM-5 dengan XRD Karakterisasi XRD dari suatu sampel memberikan gambaran atau kristalinitasnya.
Difraktogram yang jelas intensitasnya dan ketajaman puncaknya yang tinggi memiliki kristalinitas yang baik.
Berdasarkan hasil analisis difraktogram dari sampel ZSM-5 terlihat adanya perbedaan yang signifikan terhadap rasio molar SiO2/Al2O3.
Adapun data difraktogram sampel ZSM-5 ditunjukkan Gambar 2.
Selanjutnya data difraktogram dari ZSM-5 hasil sintesis dibandingkan dengan database mineral menggunakan JCPDS No.
235-242-1990 (Treacy et al, 2.
Pola difraktogram ZSM-5 rasio SiO2/Al2O3 150 memiliki puncak difraktogram pada 2= 7,1858A, 9,9574A, 23,2391A, 23,9987A dengan tingkat kristalinitas sebesar 67,63% sedangkan ZSM-5 rasio SiO2/Al2O3 200 memiliki puncak difraktogram pada 2= 9,9939A, 23,2919A, 23,9742A dengan tingkat kristalinitas sebesar 28,53%.
Puncak-puncak difraktogram yang muncul pada sampel hasil sintesis sudah sesuai dengan puncak khas ZSM-5 pada JCPDS.
Gambar 2.
Difraktogram sinar-X ZSM-5 Rasio SiO2/Al2O3 100, 150 dan 200 (Keterangan: A:Analsim.
Kristobalit.
S: Sodalit.
Q: Kuarsa.
Z: ZSM-5.
Analisis ZSM-5 dengan Uji Adsorpsi Piridin Keasaman untuk tiap sampel bergantung pada sifat dari permukaan sampel tersebut, dimana dapat bersifat asam Lewis dan atau asam Bronsted.
Teknik uji keasaman ini menggunakan adsorpsi piridin.
Jenis dan Received: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon jumlah sisi asam dalam sampel ditentukan dengan menggunakan FTIR adsorpsi piridin.
Pada interaksinya dengan sisi asam Bronsted, molekul piridin terprotonasi dan teradsorpsi di bilangan gelombang inframerah sekitar 1540-1545 cm-1 sedangkan interaksinya dengan sisi asam Lewis terjadi karena pembentukan kompleks ikatan koordinasi antara pasangan elektron bebas dari molekul piridin dengan orbital kosong dari permukaan padatan.
Interaksi ini memunculkan pita serapan di daerah inframerah antara 1440-1452 cm-1 (Parry, 1963.
Platon dan Thomson, 2.
Analisis spektra FTIR terhadap adsorpsi piridin merupakan teknik yang digunakan untuk menentukan keasaman Lewis dan Bronsted dari katalis.
Adanya sisi asam Lewis dapat muncul pada puncak 1450 cm-1 sedangkan puncak pada 1550 dan 1640 cm-1 menunjukkan adanya sisi asam Bronsted.
Adapun hasil spektrum FTIR uji adsorpsi piridin pada sampel ZSM-5 ditunjukkan Gambar 3.
Tabel 1.
Jumlah sisi asam dari ZSM-5
Jumlah Sisi
Sampel
Asam
ZSM-5 SiO2/Al2O3 100
0,4848
ZSM-5 SiO2/Al2O3 150
1,1979
ZSM-5 SiO2/Al2O3 200
0,9801
ZSM-5 SiO2/Al2O3 200 ZSM-5 SiO2/Al2O3 150 ZSM-5 SiO2/Al2O3 100 Gambar 3.
Hasil analisa FTIR dari Adsorpsi piridin pada sampel ZSM-5 rasio SiO2/Al2O3 100, 150 dan 200.
Adapun jumlah sisi asam yang terdapat pada ZSM-5 bergantung pada rasio molar SiO2/Al2O3.
Semakin kecil rasio molar SiO2/Al2O3, jumlah sisi asam Bronsted dan Lewis semakin besar (Khalifah et al, 2.
Adapun pada Tabel 1.
Menunjukkan bahwa jumlah sisi asam pada sampel ZSM-5 semakin Received: 1 Juni 2022.
Accepted: 24 Agustus 2022 - Jurnal Photon Vol.
12 No.
DOI : https://doi.
org/10.
37859/jp.
PHOTON is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.
0 International License http://ejurnal.
id/index.
php/photon Hal ini disebabkan oleh pusat inti asam katalis ZSM-5 terletak pada kerangka atom Al.
Semakin besar jumlah atom Al, maka semakin banyak ion hidrogen yang menyeimbangkan muatan negatif dalam kerangka akibat kehadiran [AlO.
5- membentuk sisi asam Bronsted.
Selain itu, semakin besar jumlah atom Al juga mengakibatkan semakin banyak kation Al 3 yang bereaksi dengan air membentuk Al-OH, kemudian air akan keluar akibat pemanasan dan membentuk ion Al 3 terkoordinasi menghasilkan asam Lewis yang kuat.
Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang dilakukan disimpulkan bahwa fly ash sawit berpotensi untuk dijadikan prekursor silika pada sintesis ZSM-5.
ZSM-5 yang berhasil diperoleh variasi rasio molar SiO2/Al2O3 150 dan 200 adalah kristal berwarna putih dengan tingkat kristalinitas 67,63% dan 28,53% berturutturut, namun untuk sampel ZSM-5 dengan variasi rasio molar SiO2/Al2O3 100 adalah amorf.
Penambahan template PEG-400 diketahui dapat meningkatkan kristalinitas dari ZSM-5 hasil sintesis.
Ucapan Terimakasih