ZEOLIT: STRUKTUR DAN FUNGSI

ZEOLIT, STRUKTUR DAN FUNGSI

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGRI SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA 2010

Dosen Pengampu : Pedy Artsanty, M.Sc

Di susun oleh : Samsul Muarip, Wiroso, Nora G.P.

Pendahuluan

Segala puji kami panjatkan kepada tuhan Yang Maha menguasai segala ilmu, sehingga ilmu yang setitik di buminya ini mampu meberikan keberkahan kepada umat manusia yang mengisinya, sholawat serta salam semoga selamnya terlimpah curahkan kepada baginda tercinta pembawa risalah berupa ilmu ilahi kepada umat manusia, kepada para sahabatnya para tabiin tabiatnya dan tak lupa kepada kita yang senantiasa selalu menuntut ilmu untuk kebaikan di dunia dan di akhirat.

Dalam dunia kimia Penemuan zeolit di dunia dimulai dengan ditemukannya Stilbit pada tahun 1756 oleh seorang ilmuwan bernama A. F. Constedt. Selama leebih dari 250 tahu Zeolit telah dipelajari oleh para ahli mineral. Karena sifat unik dan kehasan dari zeolit, maka zeolit banyak digunakan untuk berbagai aplikasi di industri diantaranya zeolit digunakan di industri minyak bumi sebagai ‘cracking’, di industri deterjen sebagai penukar ion, pelunak air sadah dan di industri pemurnian air, serta berbagai aplikasi lain seperi pada pertanian, peternakan, perikanan, dean energi

Di Indonesia zeolit (Zeinlithos) atau berarti juga batuan mendidih, jumlahnya sangat melimpah dan tersebar di berbagai daerah baik di pulau Jawa, Sumatera, dan Sulawesi. Pemanfaatan zeolit Indonesia untuk penggunaan secara langsung belum dapat dilakukan, karena zeolit Indonesia banyak mengandung campuran (impurities) sehingga perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau memisahkannya dari kotoran-kotoran.

Di dalam makalah ini akan di bahas tetang zeolit mulai dari setruktur, dan fungsi dari zeolit itu sendiri dan pengaplikasiannya dalam berbagai segi kebutuhan. Namun terlepas dari hal itu semua penulit menghaturkan maaf apabila dalam tulisan karyatulis ini terdapat kekurangan, kami mengharapkan masukan untuk perbaikan makalah ini. 

ZEOLIT

A. Sejarah

Semenjak awal tahun 1940-an, ilmuwan Union Carbide telah memulai penelitiannya untuk mensintesis zeolit dan mereka berhasil mensintesis zeolit A dan X murni pada tahun 1950. Penemuan zeolit di dunia dimulai dengan ditemukannya Stilbit pada tahun 1756 oleh seorang ilmuwan bernama A. F. Constedt. Constedt menggambarkan kekhasan mineral ini ketika berada dalam pemanasan terlihat seperti mendidih karena molekulnya kehilangan air dengan sangat cepat. Sesuai dengan sifatnya tersebut maka mineral ini diberi nama zeolit yang berasal dari dua kata Yunani, zeo artinya mendidih dan lithos artinya batuan (Kirk-Othmer, 1981). Diberi nama zeolit karena sifatnya yaitu mendidih dan mengeluarkan uap jika dipanaskan (Dyer ,1994).

Pada tahun 1784, Barthelemy Faujas de Saint seorang profesor geologi Perancis menemukan sebuah formulasi yang cantik hasil penelitiannya tentang zeolit yang dipublikasikan dalam bukunya “Mineralogie des Volcans”. Akhirnya berkat jasanya, pada tahun 1842 zeolit baru tersebut dinamai Faujasit. Zeolit telah dipelajari oleh para ahli mineral selama lebih dari 250 tahun. Berikut ini diberikan tahun ditemukannya mineral zeolit .

Para ahli mineralogi memperkirakan bahwa zeolit berasal dari muntahan gunung berapi yang membeku menjadi batuan vulkanik, sedimen, batuan metamorfosa, dan selanjutnya melalui pelapukan karena pengaruh panas dan dingin yang terjadi dalam lubang-lubang dari batuan lava basal (traps rock) dan butiran halus dari batuan sediment piroklastik (tuff). Pada umumnya komposisi zeolit alam mengandung klinoptilolit, mordenit, chabazit, dan erionit. Kristal-kristalnya terbentuk dari proses hidrotermal yang melibatkan reaksi antara larutan garam atau dengan aliran lava (Barrer, 1982

B. Struktur Zeolit

Struktur zeolit dapat digambarkan seperti sarang lebah dengan saluran-saluran dan rongga-rongga yang dihasilkan oleh sambungan-sambungan kaku tetrahedral (Dyer, 1994). Struktur kristal dari mineral zeolit termasuk anggota kelas aluminosilikat.

Zeolit merupakan kristal aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali dan alkali tanah dalam kerangka tiga dimensinya, secara empiris mempunyai rumus sebagai berikut (Kirk-Othmer, 1978) :

Mx/n[{AlO₂}x{SiO₂}y]. zH₂O

Dimana, Mx/n: kation golongan IA dan IIA dalam sistem periodik, n: valensi logam alkali, x: bilangan tertentu alumina dari 2-10, y: bilangan tertentu silika dari 2-7, z: jumlah molekul air.

Umumnya zeolit tersusun oleh satuan unit pembangun primer yang merupakan satuan unit terkecil tetrahedral SiO₄ dan AlO₄. Dalam struktur zeolit, atom Si dan O tidak memiliki muatan,sedangkan atom Al bermuatan negatif sehingga struktur rantai aluminosilika tersebut akan dinetralkan oleh kation (contoh Na⁺, Ca⁺, dan K⁺). Klasifikasi zeolit yang merupakan senyawa aluminosilikat adalah sebagai berikut :

1. [AlO4]- dan [SiO4]- saling berhubungan pada sudut-sudut tetrahedralnya membentuk Al, Si framework 3D yang berpori.
2. Muatan pada framework dinetralkan dengan mengikat kation-kation monovalen atau divalen di dalam porinya.
3. Memiliki kemampuan sebagai penukar kation.
4. Mengikat molekul air di dalam pori-porinya.

Berikut adalah beberapa contoh jenis mineral zeolit beserta rumus kimianya :

Nama Mineral	Rumus Kimia Unit Sel
Analsim	Na16(Al16Si32O96). 16H2O
Kabasit	(Na2,Ca)6 (Al12Si24O72). 40H2O
Klipnoptolotit	(Na4K4)(Al8Si40O96). 24H2O
Erionit	(Na,Ca5K) (Al9Si27O72). 27H2O
Ferrierit	(Na2Mg2)(Al6Si30O72). 18H2O
Heulandit	Ca4(Al8Si28O72). 24H2O
Laumonit	Ca(Al8Si16O48). 16H2O
Mordenit	Na8(Al8Si40O96). 24H2O
Filipsit	(Na,K)10(Al10Si22O64). 20H2O
Natrolit	Na4(Al4Si6O20). 4H2O
Wairakit	Ca(Al2Si4O12). 12H2O

Pada tahun 1967, Meier mengklasifikasikan dan mengilusterasikan struktur zeolit berdasarkan susunan unit pembangunnya, yaitu: unit pembangun primer, sekunder, dan tersier.

· Unit pembangun primer berupa tetrahedral SiO₄ dan AlO₄ yang merupakan satuan unit terkecil.

· Unit pembangun sekunder terbentuk dari rangkaian unit pembangun primer dengan cara setiap satu atom oksigen secara bersama sebagai sudut dua tetrahedral, membentuk cicin tunggal maupun ganda dengan 4, 5, 6, dan 8 tetrahedral.

· Unit pembangun tersier atau struktur ruang terbentuk dari ikatan unit pembangun sekunder satu sama lain dengan berbagai kombinasi. Kristal zeolit merupakan rangkaian tiga dimensi unit tersier tersebut (Subagjo, 1993).

Adapun bentuk-bentuk dasar yang terkombinasi akan membentuk kristal berpori dengan pola dan dimensi saluran-saluran sejajar yang saling terhubungkan oleh saluran lain yang tegak lurus dengan variasi ukuran tertentu. Molekul tamu, yaitu molekul yang teradsorpsi atau bereaksi dengan bantuan permukaan zeolit, berdifusi menyusuri saluran pori untuk mencapai permukaan dalam zeolit. Pengelompokan sistem pori zeolit berdasarkan dimensi arah difusi molekul tamu di dalam kristal zeolit dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu sistem pori satu dimensi, sistem pori dua dimensi, dan sistem pori tiga dimensi, seperti ditunjukkan dalam gambar 2. (Subagjo, 1993).

Berdasarkan ukuran pori zeolit terbagi tiga kelompok besar, yaitu sistem pori cincin 8 oksigen, sistem pori 10 oksigen, dan sistem pori cincin 12 oksigen (Subagjo, 1993).

Zeolit alam mempunyai struktur kristal berdimensi tiga dengan pori-pori yang banyak. Struktur zeolit yang berpori dengan cairan di dalamnya mudah lepas karena pemanasan sehingga sifatnya spesifik, yaitu dapat menyerap bahan lain yang ukuran molekulnya lebih kecil dari ukuran porinya (Dorfner, 1991).

Zeolit sebagai padatan anorganik yang berwarna kebiru-biruan memiliki sifat-sifat yang sangat unik, diantaranya adalah sangat berpori, mempunyai kemampuan menukar ion, keasaman, dan mudah dimodifikasi.

Penukar zeolit yang luas (sangat berpori) dikarenakan adanya rangkaian-rangkaian dari unit pembangun primer tetrahedral silika dan alumina. Pori-porinya berukuran molekul yang terbentuk dari tumpukan cincin beranggotakan 6, 8, 10, atau 12 tetrahedral (Barrer,1982).

Saluran pori pada zeolit berisi molekul air terbentuk akibat proses hidrasi udara disekeliling kation penukar. Melalui pemanasan air akan terurai dan saluran-saluran pori akan mengadsorpsi pada permukaan dalam dari ruang (Prayitno, 1989).

Zeolit mempunyai selektivitas tinggi dan sering digunakan untuk mengisolasi kation-kation yang diikat. Menurut Mumpton dan Fishman (1978), pertukaran zeolit bersifat membuka ikatan kerangka tetrahedralnya sehingga dapat terurai atau bertukar dengan mudah oleh pencucian suatu larutan yang kuat. Artinya, zeolit dapat memberikan ion-ion logam dengan adanya penambahan larutan garam (Prayitno, 1989)

C. Sifat Zeolit

Zeolit mempunyai sifat dehidrasi (melepaskan molekul H₂0) apabila dipanaskan. Pada umumnya struktur kerangka zeolit akan menyusut. Tetapi kerangka dasarnya tidak mengalami perubahan secara nyata. Disini molekul H₂O seolah-olah mempunyai posisi yang spesifik dan dapat dikeluarkan secara reversibel. Sifat zeolit sebagai adsorben dan penyaring molekul, dimungkinkan karena struktur zeolit yang berongga, sehingga zeolit mampu menyerap sejumlah besar molekul yang berukuran lebih kecil atau sesuai dengan ukuran rongganya. Selain itu kristal zeolit yang telah terdehidrasi merupakan adsorben yang selektif dan mempunyai efektivitas adsorpsi yang tinggi. Zeolit juga bersifat sebagai padatan asam Bronsted melalui pengaturan perbandingan Si/Al dalam kerangka kristal. Tetapi cara ini hanya diterapkan pada zeolit yang kaya silika, karena tahan oleh asam (Subagjo,1993).

Sifat-sifat tersebut menjadikan zeolit banyak digunakan dalam proses-proses dasar seperti dalam proses adsorpsi, pertukaran kation, katalis yang selektif dengan memanfaatkan pusat asam dan sebagai ayakan molekul

Karena sifat fisika dan kimia dari zeolit yang unik, sehingga dalam dasawarsa ini, zeolit oleh para peneliti dijadikan sebagai mineral serba guna. Sifat-sifat unik tersebut meliputi dehidrasi, adsorben dan penyaring molekul, katalisator dan penukar ion. 

D. Fungsi Zeolit

Zeolit sebagai agen pendehidrasi

Kristal zeolit normal mengandung molekul air yang berkoordinasi dengan kation penyeimbang. Zeolit dapat didehidrasi dengan memanaskannya. Pada keadaan ini kation akan berpindah posisi, sering kali menuju tempat dengan bilangan koordinasi lebih rendah. Zeolit terdehidrasi merupakan bahan pengering (drying agents) yang sangat baik. Penyerapan air akan membuat kation kembali menuju keadaan koordinasi tinggi.

Zeolit sebagai penukar ion

Kation Mⁿ⁺ pada zeolit dapat ditukarkan oleh ion lain yang terdapat pada larutan yang mengelilinginya. Dengan sifat ini zeolit-A dengan ion Na⁺ dapat digunakan sebagai pelunak air (water softener) dimana ion Na⁺ akan digantikan oleh ion Ca²⁺ dari air sadah. Zeolit yang telah jenuh Ca²⁺ dapat diperbarui dengan melarutkannya ke dalam larutan garam Na⁺ atau K⁺ murni. Zeolit-A sekarang ditambahkan ke dalam deterjen sebagai pelunak air menggantikan polipospat yang dapat menimbulkan kerusakan ekologi. Produksi air minum dari air laut menggunakan campuran Ag dan Ba zeolit merupakan proses desalinasi yang baik walaupun proses ini tergolong mahal.

Beberapa zeolit mempunyai affinitas besar terhadap kation tertentu. Clipnoptilolite (HFU) merupakan zeolit alam yang digunakan untuk recovery ¹³⁷Cs dari sampah radioaktif. Zeolit-A juga dapat digunakan untuk mengisolasi strontium. Zeolit telah digunakan secara besar-besaran untuk membersihkan zat radioaktif pada kecelakaan Chernobyl dan Three-Mile Island.

Zeolit juga digunakan untuk mengurangi tingkat pencemaran logam berat seperti Pb, Cd, Zn, Cu^2+, Mn²⁺, Ni²⁺ pada lingkungan. Modifikasi zeolit sebagai adsorben anion seperti NO₃^-, Cl^-, dan SO₄^- telah dikembangkan melalui proses kalsinasi zeolit-H pada suhu 550⁰C.

Zeolit sebagai adsorben

Zeolit yang terdehidrasi akan mempunyai struktur pori terbuka dengan internal surface area besar sehingga kemampuan mengadsorb molekul selain air semakin tinggi. Ukuran cincin dari jendela yang menuju rongga menentukan ukuran molekul yang dapat teradsorb. Sifat ini yang menjadikan zeolit mempunyai kemampuan penyaringan yang sangat spesifik yang dapat digunakan untuk pemurnian dan pemisahan. Chabazite (CHA) merupakan zeolit pertama yang diketahui dapat mengadsorb dan menahan molekul kecil seperti asam formiat dan metanol tetapi tidak dapat menyerap benzena dan molekul yang lebih besar. Chabazite telah digunakan secara komersial untuk mengadsorb gas polutan SO₂ yang merupakan emisi dari cerobong asap. Hal yang sama terdapat pada zeolit-A dimana diameter jendela berukuran 410 pm yang sangat kecil dibandingkan diameter rongga dalam yang mencapai 1140 pm sehingga molekul metana dapat masuk rongga dan molekul benzena yang lebih besar tertahan diluar.

Selain itu zeolit juga dapat digunakan sebagai adsorben zat warna brom dan untuk pemucatan minyak sawit mentah.

Zeolit yang digunakan sebagai penyaring molekular tidak menunjukkan perubahan cukup besar pada struktur kerangka dasar pada dehidrasi walaupun kation berpindah menuju posisi dengan koordinasi lebih rendah. Setelah dehidrasi, zeolit-A dan zeolit lainnya sangat stabil terhadap pemanasan dan tidak terdekomposisi dibawah 700⁰C. Volume rongga pada zeolit-A terdehidrasi adalah sekitar 50% dari volume zeolit.

Zeolit sebagai katalis

Aktivitas katalitik dari zeolit terdeionisasi dihubungkan dengan keberadaan situs asam yang muncul dari unit tetrahedral [AlO₄] pada kerangka. Situs asam ini bisa berkarakter asam Bronsted maupun asam Lewis. Zeolit sintetik biasanya mempunyai ion Na⁺ yang dapat dipertukarkan dengan proton secara langsung dengan asam, memberikan permukaan gugus hidroksil (situs Bronsted). Jika zeolit tidak stabil pada larutan asam, situs Bronsted dapat dibuat dengan mengubah zeolit menjadi garam NH₄⁺ kemudian memanaskannya sehingga terjadi penguapan NH₃ dengan meninggalkan proton. Pemanasan lebih lanjut akan menguapkan air dari situs Bronsted menghasilkan ion Al terkoordinasi 3 yang mempunyai sifat akseptor pasangan elektron (situs lewis). Permukaan zeolit dapat menunjukkan situs Bronsted, situs Lewis ataupun keduanya tergantung bagaimana zeolit tersebut dipreparasi.

Tidak semua katalis zeolit menggunakan prinsip deionisasi atau bentuk asam. Sifat katalisis juga dapat diperoleh dengan mengganti ion Na⁺ dengan ion lantanida seperti La³⁺ atau Ce³⁺. Ion-ion ini kemudian memposisikan dirinya sehingga dapat mencapai kondisi paling baik yang dapat menetralkan muatan negatif yang terpisah dari tetrahedral Al pada kerangka. Pemisahan muatan menghasilkan gradien medan elektrostatik yang tinggi di dalam rongga yang cukup besar untuk mempolarisasi ikatan C-H atau mengionisasi ikatan tersebut sehingga reaksi selanjutnya dapat terjadi. Efek ini dapat diperkuat dengan mereduksi Al pada zeolit sehingga unit [AlO₄] terpisah lebih jauh. Tanah jarang sebagai bentuk tersubtitusi dari zeolit-X menjadi katalis zeolit komersial pertama untuk proses cracking petroleum pada tahun 1960an. Akan tetapi katalis ini telah digantikan oleh Zeolit-Y yang lebih stabil pada suhu tinggi. Katalis ini menghasilkan 20% lebih banyak petrol (gasolin) daripada zeolit-X.

Cara ketiga penggunaan zeolit sebagai katalis adalah dengan menggantikan ion Na⁺ dengan ion logam lain seperti Ni²⁺, Pd²⁺ atau Pt²⁺ dan kemudian mereduksinya secara in situ sehingga atom logam terdeposit di dalam kerangka zeolit. Material yang dihasilkan menunjukkan sifat gabungan antara sifat katalisis logam dengan pendukung katalis logam (zeolit) dan penyebaran logam ke dalam pori dapat dicapai dengan baik.

Teknik lain untuk preparasi katalis dengan pengemban zeolit melibatkan adsorsi fisika dari senyawa anorganik volatil diikuti dengan dekomposisi termal. Ni(CO)₄ dapat teradsorb pada zeolit-X dan dengan pemanasan hati-hati akan terdekomposisi meninggalkan atom nikel pada rongga. Katalis ini merupakan katalis yang baik untuk konversi karbon monoksida menjadi metana.

Zeolit mempunyai tiga tipe katalis selektif bentuk

1. Katalis selektif reaktan

Dimana hanya molekul (reaktan) dengan ukuran tertentu yang dapat masuk ke dalam pori dan akan bereksi di dalam pori.

2. Katalis selektif produk

Hanya produk yang berukuran tertentu yang dapat meninggalkan situs aktif dan berdifusi melewati saluran (channel) dan keluar sebagai produk.

3. Katalis selektif keadaan transisi

Reaksi yang terjadi melibatkan keadaan transisi dengan dimensi yang terbatasi oleh ukuran pori.

Rekayasa zeolit

Penelitian mengenai zeolit telah berkembang menuju preparasi material baru dengan memasukkan berbagai molekul atau ion ke dalam sangkar zeolit. Misalnya pigmen ultramarine pada struktur sodalite dan mengandung ion S₃^- yang terjerat pada sangkar yang memberikan warna biru yang menarik.

Salah satu bidang penelitian ini telah terfokus pada pembentukan deposit material semikonduktor pada sangkar zeolit. Hasilnya berupa partikel yang sangat kecil yang disebut titik quantum (quantum dots). Partikel ini mempunyai sifat elektronik, magnetik dan optikal yang sangat menarik yang merupakan konsekuensi dari ukurannya daripada dari komposisi kimia. Selama proses pengisian pori, titik quantum menjadi bersambung dan material yang dihasilkan mempunyai sifat intermediet diantara partikel diskrit dan bulk semikonduktor. Salah satu contohnya adalah band gap semikonduktor CdS yang membentuk kubik diskrit klaster (CdS)₄ pada sangkar sodalite dari zeolit-A, -X dan –Y yang berbeda dengan bulk CdS.

Berbagai molekul atau ion lain dapat dimasukkan ke dalam β-cages dari zeolit termasuk logam alkali, perak dan garam perak, selenium serta berbagai polimer konduktif. Berbagai material baru ini sedang diteliti dengan pusat perhatian pada sifat fisika yang penting (semikonduktor, fotokonduktif dan konduktivitas ion, luminescence, warna dan efek ukuran quantum) yang kemudian mempunyai kemungkinan eksploitasi secara komersial.

E. Aplikasi Zeolit

Karena sifat unik dari zeolit, maka zeolit banyak digunakan untuk berbagai aplikasi di industri diantaranya zeolit digunakan di industri minyak bumi sebagai ‘cracking’, di industri deterjen sebagai penukar ion, pelunak air sadah dan di industri pemurnian air, serta berbagai aplikasi lain, Berikut adalah beberapa contoh aplikasi lainnya :

Bidang/Sektor	Aplikasi
Pertanian	Penetral keasaman tanah, meningkatkan aerasi tanah, sumber mineral pendukung pada pupuk dan tanah, serta sebagai pengontrol yang efektif dalam pembebasan ion amonium, nitrogen, dan kalium pupuk.
Peternakan	Meningkatkan nilai efisiensi nitrogen, dapat mereduksi penyakit lembuhg pada hewan ruminensia, pengontrol kelembaban kotoran hewan dan kandungan amonia kotoran hewan.
Perikanan	Membersihkan air kolam ikan yang mempunyai sistem resikurlasi air, dapat mengurangi kadar nirogen pada kolam ikan.
Energi	Sebagai katalis pada proses pemecahan hidrokarbon minyak bumi, sebagai panel-panel pada pengembangan energi matahari, dan penyerap gas freon.
Industri	Pengisi (filler) pada industri kertas, semen, beton, kayu lapis, besi baja, dan besi tuang, adsorben dalam industri tekstil dan minyak sawit, bahan baku pembuatan keramik.

DAFTAR PUSTRAKA

Bambang Setiaji. 2000. Pemanfaatan Zeolit untuk Adsorpsi Benzopiren sebagai Senyawa Racun dalam Asap Cair. Majalah Iptek Vo. 11, No. 4, November 2000.

Prayitno, KB. 1989. Zeolit sebgai Alternatif Industri Komoditi Mineral Indonesia. BPPT No. XXXV.

Sujarwadi. 1997. Sekilas tentang Zeolit. Pusat Pengembangan Teknologi Mineral. Bandung

http://material-sciences.blogspot.com/2010/03/zeolit-struktur-dan-fungsi.html.7 desember 2010 jam 15.31

http://queenofsheeba.wordpress.com/2008/07/18/zeolit/7 desember 2010 jam 15.33