bab 5_perkembangan material anorganik

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik

BAB V PERKEMBANGAN APLIKASI MATERIAL ANORGANIKAgung Nugroho Catur Saputro, S.Pd.,M.Sc. A. STANDAR KOMPETENSI Mendeskripsikan berbagai aplikasi material anorganik B. KOMPETENSI DASAR 1. Menjelaskan penggunaan nanomaterial 2. Menjelaskan kegunaan material berpori 3. Menjelaskan penggunaan zeolit dan clay C. MATERI 1. Pendahuluan Perkembangan aplikasi material anorganik dewasa ini sudah sangat pesat. Penelitian aplikasi dari material anorganik terus dilakukan oleh para peneliti material anorganik untuk mengekspolari berbagai potensi dari material-material tersebut. Anda mungkin pernah mendengar istilah nanomaterial, baju antibakteri, clay, dll., Istilah-istilah tersebut merupakan sebagian dari istilah yang mengacu pada material anorganik maupun aplikasinya. Pada bab ini anda akan mengkaji perkembangan mutakhir dari aplikasi material anorganik, tetapi sebelumnya anda akan dijelaskan tentang nanomaterial dan nanoteknologi karena semua material anorganik yang disintesis pada masa sekarang sudah dalam skala nanometer. Apa yang dimaksud dengan nanomaterial dan nanoteknologi, serta apa keuntungan material berukuran nanometer akan anda temukan dalam pembahasan berikut. B. Nanosains dan Nanoteknologi Nanosains dan nanoteknologi (Iptek Nano) merupakan bidang kajian ilmu dan rekayasa material dalam ukuran nanometer. Nanoteknologi telah dipandang sebagai cara yang memberikan perubahan besar terhadap peradaban manusia di Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 66

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik abad ke-21. Dengan teknologi ini, manusia dapat membangun sesuatu objek dalam skala nanometer dengan cara menyusun atom demi atom. Secara fundamental objek dalam skala nano memiliki sifat dan fungsi yang baru dan berbeda sama sekali dengan sifat dan fungsinya dalam ukuran yang lebih besar. Sifat elektronik, sifat magnetik, sifat optik, dan reaktivitas katalitik baru akan dijumpai dalam material berukuran nano (nanomaterial) di mana sifat baru ini tidak dijumpai pada material berukuran lebih besar dari 100 nanometer. Dua alasan utama yang mendasari perubahan sifat tersebut adalah meningkatnya luas permukaan dan munculnya efek ukuran kuantum (quantum size effect) pada material berukuran nanometer. Nanomaterial menjanjikan peluang untuk menciptakan teknologi baru dengan pencapaian melampaui apa yang telah dicapai oleh bidang komputer dan bioteknologi saat ini. Penerapan nanoteknologi ini diharapkan akan membawa perubahan drastic pada perubahan infrastruktur, semisal pembuatan komputer supercepat, pembuatan pesawat terbang yang lebih ringan, sintesis obat yang berperilaku seperti bom cerdas yang dapat terbawa oleh aliran darah tanpa kehilangan sifat aktifnya dan hanya akan meledak membunuh sel yang sakit saja serta dapat mengontrol jumlah keluarnya obat sehingga pasien tidak akan mengalami over dosis obat, pembuatan sel surya yang sangat efisien dan dapat menyimpan energi dalam baterai-baterai berkinerja tinggi dari material nano, yang tahan lama dengan waktu isi ulang yang cepat, dan aplikasi-aplikasi luar biasa lainnya yang dapat terus dieksplorasi dari nanomaterial (Arryanto et al., 2007). 1. Pengertian Iptek Nano (Nanotechnology) Dewasa ini banyak bermunculan istilah-istilah yang berkaitan dengan kata nano, seperti nanomaterial, nanostruktur, material berstruktur nano, nanobioteknologi, nanooptik, nanophysics, nanochemistry, dan lain-lain. Maka untuk menghindarkan kerancuan pemahaman tentang iptek nano perlu diberikan definisi tentang nanosains dan nanoteknologi.

Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 67

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik Royal Society of London (Arryanto, et al., 2007) dalam laporan kajian mengenai nanoteknologi memberikan pengertian nanosains dan nanoteknologi sebagai berikut : Nanoscience is the study of phenomena and manipulation of materials at atomic, molecular and macromolecular scales, where properties differ significantly from those at a larger scale. Nanotechnology are the design, characterization production and application of structure, devices and system by controlling shape and size nanometer scale. Definisi yang lebih moderat dan lengkap mengenai iptek nano diberikan oleh The National Nanotechnology Initiative (Badan Printis Teknologi Nano) USA, yaitu (i). Mengkaji material berukuran 1 hingga 100 nm, (ii). Mengeksploitasi gejala-gejala dan fungsi-fungsi khusus yang timbul pada material berskala nano, (iii). Memiliki kemampuan mengukur, mengatur dan merubah struktur pada skala nano sesuai dengan tujuan yang diinginkan, (iv). Dapat memadukan struktur-struktur berskala nano dengan struktur-struktur yang lebih besar tanpa kehilangan sifat-sifat mereka dalam ukuran nano (Arryanto et al., 2007). 2. Metode Pembuatan Nanomaterial Material nano merupakan susunan materi yang berukuran 1 hingga 100 nm yang menunjukkan karakteristik yang unik yang disebabkan oleh ukurannya. Sebagai contoh, sifat fisik karbon berubah secara signifikan jika atom-atom elemen karbon membentuk pipa nano (carbon nanotube, CNT). Karbon adalah penghantar listrik yang buruk dan tidak kuat strukturnya (kecuali intan yang terbentuk akibat tekanan tinggi). Namun, gabungan pipa nano karbon (CNT) beberapa kali lipat lebih kuat dibandingkan dengan kawat baja dan dapat menghantar listrik lebih baik dibandingkan dengan kawat tembaga. Atom karbon juga dapat disusun membentuk struktur nano (fullerene atau buckyball) yang kekuatannya setara dengan gundukan formasi batuan. Carbon nanotube (CNT) dapat digunakan untuk menyimpan hidrogen pada sel bahan bakar dan


_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik buckyball dapat digunakan untuk menyimpan senyaw-senyawa berguna lainnya seperti obat-obatan.

Gambar 5.1. Carbon Nano Tube (CNT) Nanomaterial secara garis besar dapat dibuat melalui dua metode, yaitu metode top-down dan metode bottom-up. Metode top-down adalah metode pembuatan material nano dengan cara memotong-motong atau menghancurkan material berukuran besar menjadi berukuran nanometer. Termasuk dalam metode ini adalah metode litografi beserta dengan metode modifikasinya yang secara luas dipergunakan dalam produksi chip komputer dan berbagai peralatan mikroelektronik. Metode bottom-up merupakan teknik yang digunakan untuk menata dan mengendalikan atom-atom dan molekul-molekul menjadi material berukuran nano. Termasuk metode bottom-up adalah metode penataan posisi (positional assembly) dan metode penataan sendiri (self assembly). Metode positional assembly menggunakan alat Bantu untuk menata atomatom sesuai dengan posisi yang dikehendaki. Keberhasilan menata atom-atom xenon membentuk kata IBM telah membuktikan kehandalan metode ini dalam menata dan memanipulasi atom-atom. Metode self assembly dilakukan dengan cara mencampur atom, molekul, atau partikel nano yang berbeda dengan material berpori dengan ukuran geometrid an struktur pori tertentu. Karena gometri dan


_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik struktur elektronik yang unik, secara spontan atom-atom mengorganisasikan diri membentuk struktur tertentu yang stabil dalam pori. a b

Gambar 5.2. Nanomaterial yang dibuat secara self assembly (a). Atom-atom xenon disusun membentuk kata IBM dimana tiap huruf berukuran sekitar 5 nm dari atas ke bawah, (b). Differential Gear, dibuat dari ribuan atom C,N, H, O, Si, P. (Courtesy of Institute of Molecular Manufacturing, Copyright IMM, http://www.imm.org) 3. Keunggulan Nanoteknologi Dengan pendekatan baru dalam perekayasaan produk yang ditawarkan nanoteknologi molekular, beberapa keunggulan pun didapatkan. Yang pertama adalah presisi produk hingga tingkat molekular atau bahkan atomik. Produkproduk yang dibuat dengan pendekatan top-down seringkali memiliki cacat atau defect. Pada molecular manufacturing, produk dibuat dengan menyusun atomatom atau molekul-molekul-nya dengan penuh kontrol, sehingga produk tanpa cacat pun bisa dibuat. Sebagai ilustrasi aplikasinya, ambillah contoh bodi pesawat. Bodi pesawat yang ada saat ini dibuat dengan rekayasa top-down. Untuk memperoleh kekuatan, seringkali dibutuhkan bahan yang lebih berat, akibatnya rasio akhir strength/mass tetap kecil. Dengan nanoteknologi, struktur yang tanpa cacat dapat dibuat, dan dengan menggunakan atom C yang disusun dengan struktur diamondoid, material pesawat yang ringan tapi kuat pun dapat diperoleh. Keunggulan kedua nanoteknologi (jika idealnya tercapai) adalah tidak adanya atau sedikitnya limbah yang dihasilkan. Pada proses top-down, seringkali ada sisa bahan yang terpaksa harus dibuang. Pada nanoteknologi hal ini bisa dihindari karena struktur dibangun dari dasar, atom demi atom. Keunggulan ketiga Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 70

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik nanoteknologi mole-kular adalah hemat energi dan tidak mencemarkan lingkungan. Sistem nanoteknologi molekular nanti-nya bisa memakai acetone atau CO2 dari udara se-bagai bahan bakunya, dan mengekstrak C sebagai atom utama yang digunakan untuk membuat nano-struktur. Limbah yang mungkin dihasilkan adalah H2O, air. Bandingkan dengan mesin-mesin konvensional yang juga menghasilkan limbah-limbah bera-cun seperti CO, dan gas NOx. Tapi, sebetulnya, keunggulan utama nanoteknologi molekular adalah kemampuannya untuk memanipulasi material dengan fleksibel sesuai keinginan desainernya. Fleksibilitas ini disebabkan oleh pengontrolan pada level molekul tadi. Suatu mesin nanoteknologi molekular dapat diibaratkan seperti komputer yang mengolah data dan informasi. Bedanya, mesin nanoteknologi molekular mengolah bahan riil. Sebagai ilustrasi fleksibilitas nanoteknologi molecular adalah seperti yang terlihat di film fiksi ilmiah Startrek. Awak Startrek dapat dengan mudah memesan makanan apa saja pada komputer, dan dalam sekejap tersedia. Struktur makanan telah tersimpan di komputer, mesin sintesa yang mema-kai nanoteknolgi molekular menyusun atom/molekul pembentuk makanan berdasarkan informasi struktur tadi (Wicaksono, 2001). 4. Penerapan Nanoteknologi Penerapan nanoteknologi sudah banyak dilakukan oleh ilmuwan maupun pihak industri. Berikut ini beberapa contoh penerapan nanoteknologi yang dilakukan maupun yang baru tahap kajian intensif (Arryanto et al., 2007). 1) Tabir surya (sunscreen) dan kosmetika 2) Komposit 3) Material sangat keras dan liat untuk pemotong 4) Pelapisan permukaan (surface coating) 5) Pembuatan cat 6) Remediasi 7) Fuel Cell 8) Layer (display) 9) Additive bahan baker Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 71

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik 10) Baterai 11) Katalis 12) Pelumas 13) Material magnetik 14) Pemurnian air 15) Baju seragam militer 16) Chip komputer 17) Penyimpan informasi 18) Optoelektronik 19) Komputasi kuantum 20) Sensor 21) Penghantar obat (drug delivery) 22) Array teknologi C. Material Berpori 1. Pengertian Material Berpori Material berpori (porous material) didefinisikan sebagai padatan yang mengandung pori. Pada umumnya, bahan berpori memiliki porositas 0,2 0,95. Porositas menunjukkan fraksi volume pori terhadap volume total. Material berpori digunakan dalam berbagai bidang aplikasi, seperti pemurnian air minum dengan karbon aktif atau ceramic berpori, penggunaan di industri modern, misalnya penghilangan pengotor dalam proses gas kemurnian tinggi untuk produksi semikonduktor. Pori dikelompokkan menjadi dua jenis, yaitu pori terbuka (open pores) dan pori tertutup (closed pores). Pori terbuka terhubung dengan permukaan luar bahan, sedangkan pori tertutup tidak terhubungan dengan permukaan luar dan mungkin berisi cairan. Perbedaan morfologi antara pori terbuka dan pori tertutup diilustrasikan seperti Gambar 5.3.



Gambar 5.3. Skema ilustrasi perbedaan morfologi pori terbuka dan pori tertutup ( Ishizaki et al., 1998) Logam berpori, keramik, dan glasess adalah material penting dalam aplikasi industri, kimia, mekanika teknik, bioteknologi, dan elektronik. Kebanyakan aplikasi bahan berpori dalam industri menggunaan bahan berpori terbuka. Bahan berpori untuk penyaring dan pengemban katalis dan bioreactor membutuhkan fraksi tinggi dari porositas terbuka. Bahan berpori tertutup umumnya dipergunakan untuk sonic dan termal insulator, atau struktur komponen low-specific-gravity. 2. Klasifikasi Bahan Berpori Bahan berpori dipergunakan untuk banyak aplikasi. Bahan berpori dapat diklasifikasikan menurut criteria berbeda-beda, seperti ukuran pori, bentuk pori, material dan metode produksinya. Klasifikasi menurut ukuran pori dan bentuk pori berguna untuk dasar pertimbangan aplikasi dari bahan berpori tersebut. Gambar 5.4 memperlihatkan hubungan antara ukuran pori dan aplikasi dari bahan berpori.



Gambar 5.4.Hubungan ukuran pori dengan aplikasi bahan berpori (Ishizaki et al., 1998) The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) telah merekomendasikan klasifikasi bahan berpori menurut ukuran pori. Berdasarkan rekomendasi IUPAC, bahan berpori diklasifikasikan menjadi tiga, yaitu mikropori, mesopori, dan makropori. Bahan berpori dengan ukuran diameter pori < 2 nm diklasifikasikan sebagai mikropori, diameter pori 2 hingga 50 nm diklasifikasikan sebagai mesopori, dan ukuran diameter pori > 50 nm diklasifikasikan sebagai makropori. Semua bahan berpori hasil sintering diklasifikasikan sebagai material mesopori.



Gambar 5.5.Klasifikasi bahan berpori berdasarkan ukuran diameter pori (Ishizaki et al., 1998.) Perbedaan aplikasi bahan berpori didasarkan atas perbedaan ukuran pori (pore sizes). Misalnya pori skala atomic digunakan untuk pemisahan gas (gas sparation) atau katalis. Zeolit, silica gel, intercalated layered material, dll digunakan dalam banyak aplikasi karena ukuran porinya dalam skala atomic. Susunan morfologi pori setiap bahan berpori berbeda-beda dan tergantung metode pembentukannya.

Gambar 5.6.Perbedaan morfologi susunan pori Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 75

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik 3. Aplikasi Material Berpori Aplikasi dari material berpori banyak sekali, berdasarkan tingkat ukuran porinya. Beberapa aplikasi material berpori adalah penyaring (filter), katalis, bioreactor, sel, grinding wheels, sensor gas, pemisah gas (gas separator), elektroda, porous metal bearings, termal insulator, kapasitor, impact energy absorbers, heater and heat exchangers, molds, dan surgical implants (Ishizaki, et al., 1998). D. Zeolit Zeolit merupakan salah satu material berpori yang banyak diaplikasikan di berbagai bidang. Material zeolit memiliki peran penting bagi manusia karena sifat-sifat uniknya, yaitu : (i). sifat unik yang muncul akibat keunikan struktur mikroporinya yang membuat zeolit dapat berperanan sebagai penyaring molekul yang secara luas dipergunakan dalam bidang katalis, (ii). Struktur zeolit tersedia dalam jumlah besar yang bervariasi dari sistem pori yang paling sempit hingga pori yang cukup besar yang berguna untuk reaksi katalisasi molekul-molekul dengan berat molekul tinggi, (iii). Sintesis zeolit mudah untuk dikontrol guna menghasilkan zeolit dengan komposisi dan ukuran pori dalam kisaran yang cukup luas, (iv). Zeolit memiliki kemampuan sebagai material pengemban bagi bermacam-macam kation logam yang memiliki sifat katalis (Arryanto, 2006). 1. Pengertian Zeolit Mineral zeolit telah dikenal sejak tahun 1756 oleh Cronstedt ketika menemukan Stilbit yang bila dipanaskan seperti batuan mendidih (boiling stone) karena dehidrasi molekul air yang dikandungnya. Pada tahun 1954 zeolit diklasifikasi sebagai golongan mineral tersendiri, yang saat itu dikenal sebagai molecular sieve materials. Pada tahun 1984 Professor Joseph V. Smith ahli kristalografi Amerika Serikat mendefinisikan zeolit sebagai :


_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik "A zeolite is an aluminosilicate with a framework structure enclosing cavities occupied by large ions and water molecules, both of which have considerable freedom of movement, permitting ion-exchange and reversible dehydration". Dengan demikian, zeolit merupakan mineral yang terdiri dari kristal alumino silikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. Ion-ion logam tersebut dapat diganti oleh kation lain tanpa merusak struktur zeolit dan dapat menyerap air secara reversible. 2. Struktur Kimia Zeolit Zeolit merupakan sumber mineral yang banyak terkandung di bumi Indonesia yang pemanfaatnnya belum optimal. Menurut Hamdan (1992) zeolit adalah hidrat alumina-silika yang mempunyai struktur kerangka tiga dimensi. Struktur zeolit dibentuk oleh tetrahedral alumina (AlO4-) dan silica (SiO4-) dengan rongga yang di dalamnya terisi oleh ion-ion logam alkali atau alkali tanah dan dikelilingi oleh air. Struktur kristal zeolit dimana semua atom Si dan Al dalam bentuk tetrahedra (TO4) disebut Unit Bangun Primer, zeolit hanya dapat diidentifikasi berdasarkan Unit Bangun Sekunder (UBS) sebagaimana terlihat pada Gambar 5.7.

Gambar 5.7. Tetrahedra alumina dan silika (TO4) pada struktur zeolit Bentuk kristal zeolit relatif teratur dengan rongga yang saling berhubungan ke segala arah menyebabkan permukaan zeolit menjadi sangat luas sehingga baik bila digunakan sebagai absorben (Gambar 5.8).



Gambar 5.8. Struktur kerangka zeolit (Hashimoto, 2003) Menurut Gambar 5.8, zeolit mengandung kerangka (framework) tetrahedral [SiO4]4- dan [AlO4]5-, yang terikat pada sisinya melalui sharing atom oksigen. Gabungan SiO2 dan AlO2 menghasilkan sisi muatan negatif pada pusat tetrahedral aluminium. Sistem kerangka zeolit memiliki rongga-rongga yang dimensinya diperkirakan sebesar 0,2 hingga 1 nm. Dalam rongga ini, molekul air dan kation-kation yang lain akan menetralisir muatannya yang menyebabkan zeolit dapat berfungsi sebagai penukar kation. Rumus umum zeolit adalah :M x / n ( AlO 2 ) x ( SiO 2 ) y zH 2O

{

}

di mana M adalah kation dengan muatan n yang menetralkan muatan kerangkanya dan dapat digantikan oleh kation lain melalui proses pertukaran kation dan z adalah jumlah molekul air yang terhidrat. Rumus tersebut menunjukkan struktur Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 78

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik satu unit sel dari zeolit dan bagian di dalam kurung menunjukkan komposisi kerangkanya (Arnelli, 2004). 3. Aplikasi Zeolit a). Bidang proses industri Berdasarkan sifat sorpsinya terhadap gas dan hidrasi molekul air, zeolit digunakan untuk pengeringan pada berbagai produk industri. Molekul uap air dapat diserap sebanyak 8-10 g dengan 100 g klinoptilolit dibandingkan 3 g dan 1,2 g oleh Al2O3 dan gel silika dengan berat yang sama pada kondisi 1,33 atm dan 25oC. Dalam bidang katalis, sorben Al2O3 biasanya digunakan tetapi akhirakhir ini juga digunakan zeolit A dalam industri petrokimia pada proses isomerisasi, hidro sulforisasi, hidrocracking, hidrogenasi, reforming, dehidrasi, dehidrogenasi dan de-alkilasi, cracking parafin, disportion toluen/benzen dan xylen. Zeolit mordenite klinoptilolit sering digunakan, sedangkan zeolit sintetik terutama digunakan jenis ZSM-5 dan zeolit A (Las, 2006). b). Bidang pertanian dan lingkungan Zeolit digunakan sebagai "soil conditioning" yang dapat mengontrol dan menaikkan pH tanah serta kelembaban tanah. Dalam pengalaman petani di Jepang, penambahan zeolit pada pupuk tanaman bervariasi dari 15-63% terutama untuk tanaman apel dan gandum. Penambahan zeolit pada pupuk kandang ternyata juga akan meningkatkan proses nitrifikasi. Pada saat ini bidang pertanian merupakan pemakai zeolit terbesar di Indonesia. Disamping untuk "slow release fertilizer", zeolit juga digunakan untuk sebagai carrier pestisida/herbisida dan fungisida (Las, 2006). c). Absorben Struktur terbuka zeolit memudahkan molekul-molekul kecil terabsorbsi ke dalam strukturnya, ukuran dan bentuk molekul yang terabsorbsi akan dipengaruhi oleh geometri pori. Zeolit A dengan pori relatif kecil dapat menyerap molekul seperti air dan oksigen tetapi untuk molekul lebih besar seperti etanol tidak dapat terserap. Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 79

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik Tipe kation yang berada dalam pori dapat juga mempengaruhi dimenasi molekul yang akan diabsorbsi. Penggantian natrium dalam zeolit A dengan calsium yan lebih kecil akan meningkatkan dimensi efektif pori sehingga dapat mengabsorbsi gas metana (Weller, 1994). d). Pertukaran ion (Ion-exchange) Kation dalam rongga zeolit berinteraksi secara lemah dengan kerangka zeolit sehingga dapat terjadi pertukaran ion pada kondisi temperatur kamar. Ion natrium dalam zeolit A tertukar secara cepat dengan kalsium dalam lartutan berair. Na-Zeolit A + Ca2+(aq) Ca0,5-Zeolit A + Na+(aq) Karakteristik khusus pertukaran ion dalam zeolit ditentukan oleh ukuran pori dan lingkungan koordinasi yang ada dalam zeolit. Proses pertukaran ion digunakan secara luas dalam pelembuatan air (water softener) dan detergent baru mikro (Weller, 1994). e). Katalisis Derivate zeolit asam, H-zeolit adalah katalis yang sangat bagus dan banyak digunakan di industri. Bentuk H-Zeolit mungkin diperoleh dari pertukaran ion dengan asam. Seringkali karena kerangka zeolit terserang secara pelan-pelan oleh larutan asam, H-zeolit diperoleh melalui pertukaran dengan ion ammonium kemudian diikuti pemanasan sampai temperatur 500oC (Weller, 1994). Na-zeolit NH4+ NH4-zeolit 500oC H-zeolit

f). Sebagai bahan penyusun detergen (detergent builder) Dengan kerangka silica alumina yang memiliki sisi aktif negatif pada sisi alumina dan kation kecil dan mobilitasnya tinggi berada dalam pori, zeolit dapat berfungsi sebagai penukar kation. Zeolit banyak digunakan sebagai zat additive dalam detergen pencuci yang sering disebut sebagai zat pembangaun (builders), dimana dalam detergen pencuci zeolit berperan untuk menangkap ion-ion kalsium dan magnesium guna menurunkan tingkat kesadahan air (Arryanto, 2006). E. Lempung (Clay) Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 80

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik Lempung (clay) merupakan mineral alam yang melimpah di Indonesia. Salah satu jenis lempung yang banyak dimanfaatkan adalah bentonit. Jumlah deposit bentonit yang terdapat di Indonesia sangat besar, misalnya di Jawa barat, Jawa tengah, D.I. Yogyakarta, Pacitan, dan Malang (Kundat dan Sudrajat, 1995). Lempung bentonit merupakan mineral lempung dengan kandungan utama monmorillonite adalah mineral dengan struktur berlapis (Gambar 5.9).

Gambar 5.9. Struktur Monmorillonite Keunikan dari material monmorillonite adalah perpaduan sifat yang dimiliki, yakni kemampuan mengembang (swellability), penukar kation dan dapat diinterkalasikan (Suarya dan Arryanto, 2004). Meskipun lempung bentonit sangat berguna untuk adsorpsi namun kemampuan adsorpsinya terbatas dan mempunyai kelemahan yaitu rusaknya struktur antar lapis dan hilangnya porositas karena pemanasan. Modifikasi clay diharapkan dapat meningkatkan sifat adsorpsinya dan strukturnya menjadi lebih kuat. Salah satu metode modifikasi clay adalah pilarisasi.

1. Pengertian Pillared Clay (lempung terpilarisasi) Struktur lempung mempunyai lapisan yang dapat mengembang yang dengan adanya proses pertukaran kation, antar lapisan tersebut dapat disisipi Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 81

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik dengan gugus bermuatan positif baik yang berukuran kecil atau meruah (Figueras, 1988). Jika jarak antar lapis itu dimasuki gugus berukuran besar (meruah) dan dikalsinasi akan terbentuk tiang-tiang penyangga lapisan yang biasa disebut pilar (Cool and Vansant, 1998). Dengan struktur terpilar, diharapkan lempung dapat lebih bersifat unggul dibandingkan zeolit, karena ukuran porinya lebih besar daripada zeolit, stabilitas termal tinggi, luas permukaan lebih besar dan aktivitas katalitik baru. Oleh karena itu, lempung terpilarisasi (pillared clay) menjadi material baru yang dimanfaatkan sebagai katalis selektif, zat pemisah, pengemban, adsorben, dan sebagainya (Ohtsuka, 1997). 2. Metode Pembuatan Pillared Clay Metode pilarisasi lempung biasanya dilakukan dengan metode langsung dan metode tidak langsung. Beberapa metode pilarisasi langsung dilakukan menggunakan jenis-jenis kation logam yang berbeda-beda untuk memperoleh ukuran pori yang lebih besar dan stabilitas termal struktur yang tinggi. Agen pilarisasi lempung bisa berupa logam-logam tunggal seperti logam Al, Zr, Cr, Fe, dan Ti. Selain itu juga bisa menggunakan kombinasi logam, seperti logam Al-Zr, Al-Ni, Zr-Ni, Ti-Fe, dan Al-Cr. Metode pilarisasi lempung secara langsung ternyata masih memiliki kelemahan, yaitu ukuran pori yang dihasilkan terlalu kecil karena masih dalam kisaran mikro.

Gambar 5.10. proses pilarisasi clay (Weller, 1994) Metode lain yang diharapkan dapat memperbaiki metode langsung adalah metode pilarisasi lempung secara tidak langsung. Pada metode pilarisasi secara tidak langsung ini dihasilkan ukuran pori pada kisaran meso (20-60 ). Metode Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 82

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik pilarisasi tidak lanngsung dilakukan dengan didahului oleh metode interkalasi, yaitu memasukkan kation organik yang berukuran besar di antara struktur lembaran. Tahap selanjutnya memasukkan logam melalui metode pilarisasi. Dengan adanya tahap interkalasi ini diharapkan jumlah logam yang membentuk pilar akan semakin besar, sehingga ukuran pori yang diperoleh semakin besar. 3. Aplikasi Pillared Clay Beberapa aplikasi clay telah diteliti oleh beberapa peneliti, antara lain (Tjie Kok et al., 2004) : a). Clay tanpa pilarisasi digunakan sebagai absorben dalam proses adsorpsi ion logam Pb2+ b). Pemanfaatan bentonit sebagai absorben logam Li dalam darah. c). Clay alam digunakan untuk menghilangkan ammonia. d). Clay terpilar Al dimanfaatkan sebagai katalis untuk deproteksi keton dimetilhidrazon menggunakan microwave. e). Pemanfaatan clay terpilar sebagai katalis dalam reaksi-reaksi organik, seperti esterifikasi, pembentukan keton, pembuatan eter, pembentukan anhidrida, reaksi adisi dan reaksi penataan ulang. D. RANGKUMAN 1. Nanoteknologi merupakan bidang kajian ilmu dan rekayasa material dalam ukuran nanometer yang meliputi 1). mengkaji material berukiran 1- 100 nm, 2). eksploitasi gejala-gejala dan fungsi-fungsi khusus yang timbul pada material berskala nano, 3). memiliki kemampuan mengukur, mengatur dan merubah struktur pada skala nano sesuai dengan tujuan yang diinginkan, dan 4). Dapat memadukan struktur-struktur berskala nano dengan struktur-struktur yang lebih besar tanpa kehilangan sifat-sifat mereka dalam ukuran nano. 2. Metode pembuatan nanomaterial secara garis besar digolongkan menjadi dua macam, yaitu metode to-down dan metode bottom-up. Metode top-down adalah metode pembuatan nanomaterial dengan cara memotong-motong atau menghancurkan material berukuran besar menjadi material berukuran nanometer, sedangkan metode bottom-up merupakan metode pembuatan Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 83

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik nanomaterial dengan menggunakan teknik menata dan mengendalikan atomatom dan molekul-molekul menjadi material berukuran nanometer. 3. Teknologi nano mempunyai keunggulan dibandingkan teknologi konvensional karena teknologi nano menghasilkan presisi produk yang tinggi hingga tingkat molecular bahkan tingkat atomic dan limbah yang dihasilkan sangat sedikit dan bahkan mungkin tidak ada. 4. Material berpori merupakan semua material padatan yang mengandung pori. Pori-pori dalam material berpori dapat dibedakan menjadi pori terbuka (open pores) dan pori tertutup (closed pores). 5. Material berpori yang saat ini intensif diteliti oleh para peneliti karena potensinya yang sangat banyak adalah zeolit dan lempung (clay). E. TUGAS TERSTRUKTUR 1. Buatlah perangkat dan perencanaan pembelajaran tentang perkembangan terkini aplikasi material anorganik terutama pengenalan nanosains dan nanoteknologi yang dapat menimbulkan motivasi siswa untuk mempelajarinya. 2. Buatlah artikel ilmiah tentang prospek, peluang dan hambatan pengembangan nanoteknologi di Indonesia. Untuk lebih memperdalam pemahaman materi bab ini silakan Anda membaca literature pendukung berikut : Arryanto, Y., Amini, S., Rosyid, M.F., Rahman, A., Artsanti, P., 2007, Iptek Nano di Indonesia : Terobosan, Peluang dan Strategi, Jakarta : Deputi Bidang Perkembangan RIPTEK, Kementrian Negara Riset dan Teknologi. Weller, M.T., 2001, Inorganic Material Chemistry, New York : Oxford University Press. Ishizaki, K., Komarneni, S., Nanko, M., 1998, Porous Material : Process Technology and Application, Netherlands : Kluwer Academic Publishers. Vansant, E.F., 1990, Pore Size Enginering in Zeolites, New York : John Wiley & Sons. F. EVALUASI Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 84

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik 1. Evaluasi Berilah tanda silang (X) pada jawaban yang paling tepat! 1. Material berukuran nanometer memperlihatkan sifat-sifat yang berbeda dengan material berukuran bulk. Hal itu diperkirakan karena a. Semakin kecil ukuran material maka semakin meningkat luas permukaanya. b. Semakin kecilnya perbedaan energi bandgap pada material nanometer. c. Meningkatnya luas permukaan dan munculnya quantum size effect. d. Perbedaan energi bandgap pada material nanometer semakin besar. e. Munculnya fenomena efek ukuran kuantum (quantum size effect). 2. Nanomaterial yang menunjukkan sifat-sifat yang berbeda dengan material bulk berukuran a. Antara 1-10 nanometer b. Antara 1 50 nanometer. c. Antara 10 100 nanometer. d. Antara 1 100 nanometer. e. Antara 50 100 nanometer. 3. Secara garis besar metode pembuatan nanomaterial dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu a. Metode self assembly dan unself assembly. b. Metode bottom up dan top down. c. Metiode self assembly dan positional assembly. d. Metode bottop up dan self assembly. e. Metode top down dan positional assembly. 4. Keunggulan nanoteknologi dibandingkan teknologi konvensional lainnya adalah a. Presisi produknya sangat tinggi hingga tingkat molekuler bahkan atomic. b. Tidak menghasilkan efek samping. c. Produk yang dihasilkan tidak terdapat cacat. d. Presisi produknya sangat tinggi dan tidak menghasilkan limbah. e. Membutuhkan material yang relatif sedikit. Bab 5 Perkembangan Aplikasi Material Anorganik____________________ 85

_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik 5. Porous material adalah semua material padatan yang mempunyai pori. Pori dibedakan menjadi a. Pori besar dan pori kecil. b. Pori terbuka dan pori tertutup. c. Pori longgar dan pori sempit. d. Pori dalam dan pori dangkal. e. Pori lurus dan pori berkelok-kelok. 6. Menurut IUPAC, materil berpori dikelompokkan menjadi a. Mikropori dan makropori. b. Semipori dan superpori. c. Mikropori, mesopori dan makropori. d. Semipori dan makropori. e. Mesopori dan mikropori. 7. Zeolit merupakan salah satu material berpori yang komponen utama penyusunnya adalah. a. Logam alkali dan molekul air. b. Hidrat alumina dan silica. c. Aluminium dan silikon. d. Oksida aluminium dan oksida silikon. e. Aluminum dan hidrat silica. 8. Zeolit dapat digunakan sebagai absorben yang baik karena a. Pori-porinya dapat dimodifikasi ukurannya. b. Pori-porinya ukurannya teratur. c. Pori-porinya berukuran kecil. d. Pori-porinya dapat mengalami swelling. e. Bentuk kristal zeolit relatif teratur dan pori-porinya saling terhubung ke segala arah. 9. Clay mempuyai kelemahan di bandingkan zeolit dalam hal ukuran pori. Oleh karena itu untuk memperbesar ukuran porinya, clay dimodifikasi menjadi clay terpilar dengan cara


_________________________________Kapita Selekta Unsur-unsur Anorganik a. Merendam clay dalam pelarut air selama beberapa waktu agar mengalami swelling. b. Pemanasan clay dilakukan pada temperatur rendah. c. Menyisipkan gugus bermuatan positif ukuran besar ke dalam antar lapis clay kemudian dikalsinasi sehingga terbentuk pilar. d. Menyisipkan kation-kation logam ke dalam antar lapis clay. e. Menyisipkan kation organik ke dalam antar lapisan clay. 10. Metode pembuatan clay terpilar secara tidak langsung ternyata lebih unggul dibandingkan metode langsung karena a. Logam-logam yang masuk ke dalam antar lapisan clay lebih besar sehingga ukuran pori semakin besar. b. Dilakukan interkalasi terlebih dahulu sebelum menyisipkan logam-logam. c. Pilar dibuat dari kation-kation organik. d. Pilar yang dihasilkan lebih stabil terhadap pemanasan suhu tinggi. e. Pilar yang terbentuk menahan pori tidak runtuh. 2. Refleksi Untuk mengetahui tingkat keberhasilan Anda dalam menjawab soal-soal yang ada, bandingkan hasil jawaban Anda dengan kunci jawaban di bagian akhir bahan ajar ini. Hitunglah jawaban yang benar, kemudian gunakan rumus di bawah ini untuk mengetahui tingkat penguasaan Anda. Rumus : Tingkat penguasaan =Jumlah jawaban yang benar x 100 % Jumlah soal

Arti tingkat penguasaan yang Anda capai : 90% - 100% 80% - 90% 70% - 79% = sangat baik = baik = sedang

bab 5_perkembangan material anorganik

Documents