Pengertian senyawa kimia zeolite beserta jenis-jenis dan sifatnya

TeoriKimia - Pada tahun 1756, zeolit pertama kaliditemukan oleh seorang ahli mineral berkebangsan  Swedia, Baron Freiherr Alex Cronsted (Barrer 1978).  Zeolit berasal dari  bahsa Yunani, Zein yang berarti  mendidih dan Lithos  yang berarti batu (Setiawan, 2003), sesuai dengan kemampuan dari zeolit  yang akan menghamburkan uap seperti air yang mendidih, bila dipanaskan pada  suhu 100°C (Sutarti et al, 1994).

Zeolit secara umum didefinisikan sebagaialuminosilikat dengan stuktur kristal berrongga, yang berisi ion-ion logam dan molekul air (Tim Desulfurisasi BBM, 2007). Ion logam dan molekul air dapat bergerak  bebas sehingga dapat terjadi  pertukaran ion dan dehidrasi yang reversible tanpa ada perubahan bentuk (Nugroho, 1998).

Gambar 1. Struktur kerangka Zeolit (Nugroho, 1998)

1. Macam-macam Zeolit  

1.1 Zeolit Alam

Zeolit alam terbentuk karena proses perubahan alam (zeolitisasi), dari batuan vulkanik tuf. Zeolit alam banyak ditemukan dalam batuan  sedimen sebagai hasil alterasi debu-debu  vulkanis (mengandung Si)  oleh air danau asin. Dalam proses sedimentasi, mineral-mineral lain seperti feldspar dan kwarsa juga ikut tercampur membentuk kompleks zeolit yang tidak teratur dan tidak seragam. Sedimentasi zeolit ini berlangsung  terus-menerus pada dasar lautan.

Menurut proses terbentuknya, mineral zeolit  dapat dibedakan menjadi tujuh kelompok, yaitu :  

1. Mineral zeolit yang terbentuk di dalam endapan danau air laut
2. Mineral zeolit yang terbentuk karena proses metamorphose berderajat rendah akibat pengaruh timbunan
3. Mineral zeolit yang terbentuk dari pengendapan sediment laut dalam
4. Mineral zeolit yang terbentuk di daerah pengairan air terbuka
5. Mineral zeolit yang terbentuk dari proses hidrotermal
6. Mineral zeolit yang terbentuk karena pengaruh tekanan
7. Mineral zeolit yang terbentuk di dalam batuan beku

(Sutarti et al, 1994)

1.2 Zeolite Sintetik

Zeolite sintetik adalah suatu senyawa kimia yang  mempunyai sifat fisika dan kimia yang sama dengan zeolit alam. Zeolit ini dibuat dari bahan lain dengan proses sintetik untuk memperoleh zeolit dengan kemurnian yang lebih baik, dengan komposisi Si/Al yang diinginkan.

Secara umum zeolit mampu menyerap, menukar ion dan menjadi katalis,  dan dapat digunakan untuk pengolahan limbah.  Zeolit sintetik sangat tergantung pada jumlah Al dan Si. Zeolit dikelompokan menjadi tiga kelompok, yaitu :

A. Zeolite sintetik dengan kadar Si rendah

Zeolite ini banyak mengandung Alumunium, berpori dan mempunyai nilai ekonomi tinggi karena efektif untuk pemisahan dengan kapasitas besar. Volume porinya dapat mencapai 0.5 cm³ tiap cm³volume zeolit. Kadar maksimum zeolit dapat dicapai bila perbandingan Al atau Si  mendekati daya penukar ion dari zeolit maksimum (Sutarti et al, 1994).

B. Zeolit sintetik dengan kadar Si sedang

Zeolit mordenit mempuyai perbandingan Si/Al = 5, sangat stabil, maka diusahakan mempunyai zeolit Y dengan perbandingan Si/Al = 1-3 seperti zeolit omega (Sutarti et al, 1994).

C. Zeolit sintetik dengan kadar Si tinggi

Zeolit jenis ini sangat higroskopis dan mempunyai molekul  non polar sehingga baik untuk digunakan sebagai katalisator  asam untuk hidrokarbon, seperti ZSM-5, ZSM-11 dan ZSM-24 (Sutarti et al, 1994).

D. Zeolit Si (tanpa Al)

Zeolit ini tidak mengandung Al sama sekali atau tidak mempunyai sisi kation. Zeolit sintetik mempunyai  sifat yang lebih baik dibandingkan dengan zeolit alam (Sutarti et al, 1994).

2. Perbedaan Zeolite Sintetik dengan Zeolit Alam

Zeolite sintetik mempunyai  sifat yang lebih baik dibandingkan dengan zeolit alam perbedaan antara zeolit alam dengan zeolit sintesis, adalah:

1. Zeolit sintetik dibuat dari bahan kimia dan bahan-bahan alam yang kemudian diproses dari tubuh biji alam.
2. Zeolit sintetik mempunyai perbandingan silika dan alumina yaitu 1:1 dan pada zeolit alam hingga 5:1
3. Zeolit alam tidak terpisah dalam lingkungan asam  seperti halnya zeolit sintetik (Sutarti et al, 1994).

3.       Sifat-sifat Zeolit

Zeolit mempunyai sifat yang berbeda-beda, tergantung dari komponen penyusunnya. Sifat-sifat dari zeolit adalah sebagai berikut:

• Zeolit mempunyai banyak pori yang berukuran molekul. Pori-pori dari zeolit terbentuk dari tumpukan cincin yang beranggotakan 6, 8, 10 atau 12 tetrahedral (Sutarti et al, 1994).
• Zeolit dapat dibentuk menjadi padatan bersifat asam, karena  pergantian kation penetral dengan proton menjadikan zeolit bersifat asam bronsted (Sutarti et al, 1994).
• Pada zeolit terjadi substitusi parsial antara Si⁴⁺ dan Al³⁺ yang menyebabkan kerangka zeolit bermuatan negatif dan membutuhkan kation penetral, sehingga dapat melakukan pertukaran kation. Kation penetral yang bukan menjadi bagian dari kerangka ini mudah digantikan oleh kation lain (Sutarti et al, 1994)

Batu Zeolit

4.  Fungsi Zeolit

-  Zeolit sebagai Dehidrator

Zeolit mempunyai sifat dehidrasi yang mempengaruhi sifat dari adsorpsinya. Zeolit dapat melepaskan molekul air  dari dalam rongga permukaan sehingga menyebabkan medan listrik masuk  kerongga utama dan berinteraksi secara efektif dengan molekul yang diadsorpsinya. Jumlah molekul air yang dilepas sesuai dengan pori-pori atau volume ruang hampa yang akan terbentuk jika  unit sel kristal zeolit dipanaskan (Bailey et al, 1978).

- Zeolit sebagai Adsorben

Rongga zeolit terisi oleh molekul air bebas yang berada disekitar kation pada suhu ruang dan bila dilakukan proses kalsinasi pada suhu 250 - 500°C, maka akan terjadi dehidrasi atau penguapan air. Penguapan air ini akan menyebabkan zeolit mempunyai luas permukaan kontak yang lebih besar, sehingga zeolit berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan (Bailey et al, 1978).

- Zeolit sebagai Penyaring Molekul

Zeolit mempunyai kemampuan untuk menyaring molekul karena mempunyai saluran dan rongga yang berukuran molekul. Proses penyaringan ini berdasarkan perbedaan ukuran, bentuk, dan polaritas molekul yang disaring (Bailey et al, 1978).

- Zeolit sebagai Penukar Ion

Kation yang terdapat pada zeolit umumnya berasal dari golongan alkali dan alkali tanah. Kation tersebut mempunyai komposisi yang tidak stabil dan tidak terikat kuat dalam rongga zeolit, sehingga memungkinkan kation tersebut dipertukarkan dengan kation lain. 

Pertukaran ion dapat terjadi dalam suatu cairan yang mengandung anion, kation dan molekul air, dimana ion akan terikat pada matriks mikropori bersama ion (kation, anion) dengan muatan  berlawanan dengana ion matriks sehingga akan terjadi kesetimbangan muatan untuk mencapai keadaan netral. Ion yang berada dalam cairan dapat bergerak di dalam matriks mikropori zeolit, sehingga zeolit dapat disebut sebagai penukar katon atau anion tergantung dari jenis ion yang ditukar.

Proses penukaran kation antara larutan garam  suatu logam tetentu dengan kation zeolit adalah sebagai berikut

                                A Zeolit + B^2-(larutan)      ---->         B^- zeolit + 2A⁺(larutan)

Kemampuan pertukaran ion pada umumnya dinamakan nilai kapasitas pertukaran kation (KTK) yaitu mili ekivalen kation yang terserap  oleh satu gram zeolit. KTK zeolit dapat bervariasi dari 1,5 sampai 6 mek/g. KTK tergantung dari komposisi kimia dan perbandingan Si/Al. Pada umumnya zeolit dengan perbandingan Si/Al rendah kurang baik digunakan  untuk penukar ion, karena  kurang stabil dalam suasana asam.

Setiap jenis zeolit mempunyai urutan selektifitas penukaran kation yang berlainan. Selektifitas kation dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain:

1. Struktur pembentukan zeolit alam oleh besarnya rongga
2. Mobilitas kation yang diperlukan
3. Pengaruh difusi kation ke dalam larutan, dan
4. Energi hidrasi

Kapasitas penukaran ion merupakan fungsi dari pebandingan oksida dan silikon dan oksida aluminum, karena penukar anion terjadi pada satu kerangka tetrahedral AlO₄^5-. Zeolit sebagai penukar kation dapat pula digunakan sebagai penukar anion, seperti jenis monmorilonit atau dapat menggunakan zeolit jenis lain yang dimodifikasi dengan polimer organik (Sutarti et al, 1994).

5. Struktur Kerangka Zeolit

Zeolit tersusun atas sejumlah tetrahedral (SiO₄)^4- dan (AlO₄)^4-yang saling berhubungan melalui atom O dan dalam struktur tersebut Si⁴⁺dapat diganti dengan Si³⁺.  Zeolit merupakan struktur tiga dimensi dengan ukuran molekul 3-4 Å dan bersifat makroskopis.

Atom Si sebagai atom pusat akan menyebabkan muatan listrik menjadi netral. Namun jika beberapa atom Si bervalensi empat diganti dengan alumina yang bervalensi tiga akan timbul muatan negatif dalam strukturnya.  Muatan negatif ini akan dinetralisir oleh logam alkali atau alkali tanah.

Struktur zeolit merupakan polimer kristal anorganik didasarkan kerangka tetrahedral yang diperluas tak terhingga dari AlO₄ dan SiO₄ dan dihubungkan satu dengan lainnya melalui pembagian bersama ion oksigen (Sutarti et al, 1994),

Gambar 2. Struktur kerangka zeolit (Sutarti et al, 1994)

Jika zeolit didasarkan pada satu unit sel Kristal dapat dituliskan sebagai :

Mx/n [(AlO₂)x(SiO₂)y].wH₂O

Dimana : n : valensi dari kation M

                        w : jumlah molekul air per unit sel

                        x dan y : jumlah total tetrahedral per unit sel

Biasanya y/x bernilai 1-5, tetapi zeolit dengan silika tinggi harga y/x dibuat hingga 10-100 atau bahkan lebih tinggi. Banyak kristal zeolit baru telah disintesis dan memenuhi beberapa fungsi penting dalam industri kimia dan minyak bumi dan juga dipakai sebagai produk seperti deterjen. Zeolit yang telah diketahui mencapai lebih dari 150 tipe zeolit sintetik dan 40 mineral zeolit. 

Beberapa jenis zeolit berdasarkan rasio Si/Al antara lain, zeolit silika rendah dengan perbandingan Si/Al 1-1,5 memiliki konsentrasi kation paling tinggi, dan mempunyai adsorpsi yang optimum, contoh silika rendah adalah zeolit A dan X; zeolit silika sedang, yang mempunyai perbandingan Si/Al adlah 2-5, contoh zeolit jenis ini adalah mordernit, erionit, klinoptilolit, zeolit Y; zeolit silika tinggi, dengan perbandingan kadar Si/Al antara 10-100, bahkan lebih contohnya adalah ZMS-5.

Klasifikasi dan ilustrasi struktur zeolit berdasarkan unit terkecilnya dibuat oleh Meyer (1967) untuk memudahkan penggambaran bentuk zeolit. Secara garis besar klasifikasi unit penyusun kerangka dasar dari Kristal zeolit adalah :

1. Unit pembangun primer, merupakan unit pembangun terkecil penyusun kerangka zeolit yang terdiri tetrahedral TO₄ (T = Si atau Al) yang membentuk suatu rangkai dengan setiap atom oksigen berbagi tetrahedral.
2. Unit pembangun sekunder, merupakan gabungan dari beberapa tetrahedral TO₄membentuk cincin tunggal, cincin ganda dan bentuk yang kompleks. Seperti bentuk cincin empat tunggal (S₄R), cincin enam tunggal (S₆R), cincin enam ganda (D₆R).
3. Unit pembangun tersier, merupakan gabungan dari beberapa unit sekunder yang berkaitan dengan menggunakan tiap satu atom secara bersamaan sebagai sudut dua tetrahedral, membentuk suatu polyhedral yang merupakan struktur Kristal zeolit.

Struktur zeolit merupakan gabungan dari beberapa unti pembangun sekunder yang tersusun sehingga membentuk rongga-rongga dan saluran. Rongga-rongga dan saluran ini berisikan kation dan molekul air. Kation-kation bergerak bebas dalam rongga zeolit sehingga kation tersebut digantikan dengan kation lain tanpa merusak struktur zeolit. Molekul air juga dapat bergerak bebas dalam rongga, maka zeolit dapat menyerap air secara reversibel (Sutarti et al, 1994).

6. Regenerasi Zeolit

Regenerasi dengan metode pencucian menggunakan pelarut lebih ramah lingkungan karena menghindari emisi SO_xyang didegenerasi dari metode regenerasi oksidatif dan H₂S dari metode regenerasi reduktif. Metode ini selektif untuk pemurnian komponen hidrokarbon karena senyawa olefin maupun aromatik tidak bereaksi dengan aseton pada kondisi yang sama (Velu et al., 2003). Menurut Dai et al.(2008) mengatakan bahwa produk reaksi yang teradsorb dalam material berpori dapat dicuci dengan aseton pada temperatur kamar.

7. Modifikasi Zeolit

Pertukaran ion ini dapat berlangsung pada temperatur kamar (Dai et al., 2008). Adsorpsi menggunakan zeolit yang dimodifikasi dengan logam seperti Ni²⁺, Cu⁺, Zn²⁺ dan logam lainnya bertujuan untuk mengoptimalkan adsorpsi. Adsorpsi yang terjadi adalah adsorpsi kimia. Zeolit membentuk kompleks π dengan cincin tiopen. Ion Ni²⁺dapat membentuk ikatan σ dengan orbital s kosong, dan orbital d dapat mendonasikan kerapatan elektron kepada orbital  π* dari cincin sulfur (Sutarti et al, 1994).