Journal of Mineral dan Karakterisasi Bahan dan Teknik, 2012, 11, 976-981 Publikasi Online Oktober 2012 (http://www.SciRP.org/journal/jmmce) Sol-Gel-Berasal Silika Berpori: Sintesis Ekonomi dan Karakterisasi ABSTRAK Silika berpori disintesis melalui proses sol-gel menggunakan tanah liat yang diperoleh secara lokal dari Ijero-Ekiti di Ekiti State, Nigeria dan dibandingkan dengan silika yang disintesis pada kondisi yang sama dari natrium metasilicate (Na2SiO3) yang mengandung nilai komersil. Tanah liat awalnya direfluks dengan natrium hidroksida (NaOH) selama 2 jam untuk mengekstrak SiO2 untuk membentuk Na2SiO3, yang kemudian dihidrolisis untuk membentuk gel. Gel yang diperoleh dicuci dengan air deionisasi untuk menyingkirkan pengotor, dikeringkan dan dikalsinasi pada 800C selama 3 jam. Bubuk silika yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan spektrofotometer penyerapan atom, spektroskopi Transformasi Fourier inframerah (FTIR), difraksi sinar-X (XRD) dan scanning electron microscopy (SEM). Hasil penelitian menunjukkan bahwa mode getaran dan pola difraksi dari silika yang berasal dari komersil Na2SiO3 dan yang disiapkan dari tanah liat mengandung SiO2 amorf murni yang serupa. Morfologi silika yang diperoleh secara komersial menunjukkan pengaturan partikel yang lebih baik dan terlihat porositas sedikit lebih rendah (62,4%) dibandingkan dengan yang berasal dari tanah liat yang memiliki porositas 65,5%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tanah liat memiliki potensi untuk digunakan sebagai bahan awal yang ramah lingkungan dan ekonomis untuk mempersiapkan silika berpori bukan prekursor berkualitas tinggi. Kata kunci: tanah liat, Sodium Metasilicate, Ekonomi, Silika Berpori; Lingkungan Aman 1. Pengantar Silika berpori digunakan di berbagai bidang termasuk bioteknologi, ilmu biomedis, pemisahan selektif dan catalysis. Tidak seperti kaca konvensional, yang merupakan cairan kental yang dihasilkan dari peleburan SiO2 pada suhu tinggi, silika sol-gel diperoleh pada kondisi lunak sesuai dengan stabilitas sebagian besar senyawa bio-aktif. Proses sol-gel mampu menghasilkan bahan dengan sifat permukaan dikontrol dan struktur pori antara 1-500 nm. Matriks silika yang terbentuk dapat dimanfaatkan untuk immobilisasi biomolekul atau kation, membran anorganik dan bahan pendukung untuk katalis. Jaringan silika polimer dapat diperoleh dengan hidrolisis dan kondensasi reaksi prekursor silika seperti tetraetil ortosilikat (TEOS). Dengan mengontrol kondisi sintesis secara hati-hati, morfologi sol dapat diarahkan menuju sistem polimer lemah bercabang atau sistem partikel. Parameter proses yang penting termasuk kadar air, pelarut, katalis yang digunakan, konsentrasi dan jenis alkoksida. Beberapa metode, sebagian besar menggunakan TEOS sebagai bahan awal untuk mempersiapkan silika berpori. Penelitian paling populer adalah sintesis sol-gel yang diusulkan oleh Stber et al. [12] yang didasarkan pada hidrolisis dan kondensasi menggunakan prekursor silikon alkoksida yang sangat reaktif pada suhu rendah. Akibatnya, partikel silika dengan berbagai karakteristik disusun oleh reaksi katalis amonia dari tetraetil ortosilikat (TEOS) dengan air dalam berat molekul alkohol yang rendah. Karena biaya tinggi, penerapan prekursor lainnya telah diteliti. Dengan demikian, berbagai jenis sumber silika telah digunakan, seperti natrium silikat [14,15] dan bahkan dari sumber daya ramah lingkungan dan terbarukan, seperti abu sekam padi [16,17], dan abu jerami padi [19 ]. Dalam kelanjutan dari mencari sumber silika murah dan ramah lingkungan, penelitian ini menyelidiki sintesis silika berpori dari tanah liat dan natrium metasilikat pada kondisi yang sama untuk tujuan membandingkan morfologi dan karakteristik fisik. 2. Bahan dan Metode 2.1. Bahan Bahan kimia yang digunakan adalah natrium metasilikat (Na2SiO3), (Sigma-Aldrich) dengan komposisi SiO2 24,9 dan Na2O 20,9% berat masing-masing, tanah liat dari Ijero-Ekiti di Nigeria memiliki komposisi (seperti sebelumnya dianalisis oleh Olasupo dan Omotoyinbo [20]) seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dan asam sulfat (H2SO4), (Fluka, Jerman). 2.2. Pembuatan Silika Berpori dari Sodium Metasilicate (SS) Sodium metasilicate (5,0 g) diaduk dalam air suling (10,0 ml) untuk memberikan larutan bening. Setelah itu, 10,0 ml H2SO4 2M ditambahkan tetes demi tetes ke campuran sambil diaduk menggunakan pengaduk magnetik pada suhu kamar selama sekitar 2 jam untuk membentuk gel. Air deionisasi ditambahkan perlahan-lahan pada gel untuk mencuci dan menghilangkan natrium sulfat (Na2SO4). Penghilangan ion natrium ditunjukkan oleh adanya endapan putih ketika cairan dari filtrasi terakhir diuji dengan larutan timbal (II) etanoat encer. Gel dicuci dan dikeringkan dalam oven pada suhu 120 C selama 1 hari, dikalsinasi pada 800C selama 3 jam dalam tungku dengan laju pemanasan 10C/menit dan selanjutnya digiling untuk membentuk bubuk dan kemudian dilabel sebagai SS. 2.3. Pembuatan Silika Berpori dari tanah liat (CS) Tanah liat dikeringkan di bawah sinar matahari, ditumbuk menjadi bubuk dalam penggiling dan disaring dengan ukuran 100 m untuk menghilangkan partikel yang lebih besar. Tanah liat yang diperoleh (10 g) direfluks dalam larutan NaOH 1M (200 ml) selama 2 jam, kemudian dibiarkan dingin sebelum penyaringan untuk menghilangkan residu yang mengandung Al(OH)3 sebagai pengotor utama. Filtrat yang diperoleh diuapkan sampai kering untuk menghasilkan residu natrium metasilicate, Na2SiO3 (5 g). Natrium metasilicate dilarutkan dalam air suling (10 ml). Larutan tersebut dihidrolisis dengan H2SO4 2M (20 ml) dan kemudian diperlakukan dengan cara yang sama seperti pada bagian 2.2 di atas dan bubuk silika yang dihasilkan selanjutnya akan disebut CS. 3. Karakterisasi Difraksi sinar-X (XRD) analisis dilakukan pada kisaran 2 dari 10 - 80 dan 5 - 120 menggunakan Xpert PRO PANalytical difraktometer menggunakan Cuk sumber radiasi (0.154060 nm) dioperasikan pada 40 kV dan 40 mA. Penelitian Transformasi Fourier spektroskopi inframerah (FTIR) dilakukan dengan menggunakan Buck Ilmiah 500 Infrared spektrofotometer dengan KBr sebagai acuan dalam kisaran bilangan gelombang 600-4000 cm-1. Spektroskopi serapan atom Perkin Elmer Analyst A 200 digunakan untuk menentukan jumlah sisa ion natrium (Na+) yang ada dalam pada jaringan silika. Karakterisasi morfologi dari sampel mengenai ukuran pori dan distribusi partikel dilakukan dengan menggunakan SEM (EVO/MA10) pada tegangan percepatan 10 kV. Tabel 1. Komposisi mineral tanah liat Ijero-Ekiti.

Material

Jumlah (%) Oksida Komposisi (%)

Kaolinit 72 SiO2 63.3

Kuarsa 22 Al2O3 16,5

Feldspar 4 Fe2O3 5.8

Illite 2 CaO 1.7

MgO 0.6

LoI 12.5 Lainnya 0.8

Besarnya densitas (b) partikel silika diukur dari perbandingan berat terhadap volume menggunakan rumus (1)dimana, M = massa sampel yang diukur dengan ditimbang (10-5 g akurasi)V = volume yang diukur dengan mengisi partikel silika dalam kolom yang volumenya diketahui

Porositas, P (%) diperkirakan menggunakan rumus (2)di mana p = kepadatan tertentu diasumsikan 2,0 g cm-3 untuk partikel silika amorf berdasarkan model sperical (densitas silika disiapkan melalui sintesis pada kondisi basah). 4. Hasil dan Diskusi 4.1. Hidrolisis dan Gelasi Hidrolisis asam natrium metasilikat (Na2SiO3) memberikan asam silikat [24] dalam larutan. Natrium hidroksida direaksikan dengan tanah liat dengan merendam natrium metasilikat dalam media basa kuat. Kaca air yang diperoleh dari reaksi dasar sama dihidrolisis menjadi asam silikat yang mengalami kondensasi untuk disilicic asam dan reaksi lebih lanjut untuk hidrogel polycondensed [24] seperti yang ditunjukkan dalam Skema 1. Setelah itu, gel yang diperoleh dari kedua senyawa prekursor dibasuh [25] dengan air deionisasi untuk membebaskan gel natrium sulfat yang terbentuk selama hidrolisis dan terperangkap dalam pori-pori jaringan gel. Selama penuaan, kerangka 3-D dari kaca silikat terus berkembang dan menjadi lebih kaku oleh kontraktor dan mengusir air yang cair dalam pori-pori [26]. Selama langkah pertama, pori-pori dikosongkan, gradien kapiler menyebabkan aliran cairan disepanjang dinding pori menuju permukaan eksternal dan menguap. Pada bagian dalam pori-pori masih dipenuhi dengan cairan, sementara udara memasuki pori-pori bagian paling luar, yang dapat menyebabkan opacity dari gel. Gradien tekanan kapiler menurun secara bertahap, aliran semakin lambat kemudian berhenti. Pada langkah kedua cairan yang tersisa kemudian dapat hilang dari gel hanya dalam bentuk gas, dengan difusi uap menuju permukaan. Setelah pengeringan pada 120C, gel berpori mengandung sejumlah kecil cairan yang terperangkap dalam pori-pori. Kalsinasi pada suhu lebih tinggi menghilangkan air yang terperangkap dalam pori-pori.

Skema 1. Hidrolisis dan polikondensasi natrium metasilikat dan tanah liat.Efisiensi pencucian menggunakan air deionisasi untuk membebaskan gel dari natrium sulfat dipantau oleh analisis spektroskopi serapan atom (AAS) yang diperoleh dari silika setelah proses pengeringan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa Na+ menurun dari 36,5% (berdasarkan stoikiometri) [25] menjadi 1,6% pada silika SS dan menjadi 2,1% pada silika berbasis CS. 4.2. Densitas dan Porositas Silika yang diperoleh dari SS dan CS setelah kalsinasi ditemukan memiliki besar densitas masin-masing 0.752 dan 0.690 g cm-3. Perbedaannya mungkin karena kemasan yang lebih baik dari kerangka 3-D di SS sebagai akibat dari penghilangan yang lebih efisien dari ion Na+ yang dicuci dengan air deionisasi berkali-kali dari gel [28]. Densitas silika memiliki pengaruh pada porositasnya, seperti SS dan CS masing-masing 62,4% dan 65,5%. 4.3. FTIR Spektrum FTIR diperoleh untuk silika SS dan CS ditandai dengan pita lebar berpusat di sekitar 3400 cm-1 dan sinyal yang lebih kecil sekitar 1.630 cm-1 yang sesuai dengan pita absorpsi OH [29,30] seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (a) dan (b). Selanjutnya, diagnostik getaran peregangan asimetris Si-O-Si berpusat pada 1132 cm-1 [31,32] dan sinyal serapan pada 920 cm-1 merupakan getaran peregangan kelompok silanol pada permukaan padatan amorf [ 33]. 4.4. XRD Spektrum XRD dari bubuk SS dan CS yang diperoleh masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2 (a) dan (b). Pola diffraksi serupa untuk kedua sampel yang muncul sebagai band yang lebar dengan refleksi pada 2 = 22 mengindikasikan material amorf dan terdiri dari SiO2 [34-36]. Tidak ada puncak tambahan yang diamati di kedua spektrum. Hasil ini menunjukkan adanya pengotor dalam jaringan gel setelah pencucian dengan air deionisasi untuk menghilangkan Na2SO4 yang terbentuk selama reaksi gelasi (Skema 1), sejauh yang dikonfirmasi sebelumnya dengan AAS. 4.5. SEM Ukuran partikel dari silika diukur dengan SEM yang disajikan dalam mikrograf ditunjukkan pada Gambar 3. Ukuran partikel rata-rata SS adalah 353,95 nm, Gambar 3 (a) sedangkan CS adalah 755,35 nm, Gambar 3 (b). The berbeda-ence dalam ukuran partikel dalam dua sampel mungkin merupakan hasil dari penggumpalan [37] CS yang lebih tinggi dari pada SS. Fakta ini lebih jelas pada Gambar 4 dimana dalam mikrograf dari SS, Gambar 4 (a), partikel muncul sebagai diskrit dengan beberapa aglomerat, sedangkan partikel CS seperti yang terlihat di mikrograf ditunjukkan pada Gambar 4 (b), terlihat mengikuti tiap gabungan membentuk partikel lain yang menghasilkan susunan tidak teratur bila dibandingkan dengan SS. Telah diusulkan [38] bahwa distribusi ukuran partikel awal, polidispersi, konsentrasi partikel, viskositas fase kontinyu, gaya Van der Waals, dan kondisi hidrodinamika yang mengatur tingkat tumbukan antar partikel, agregasi dan evolusi waktu dari diameter rata-rata agregat. Oleh karena itu morfologi CS terlihat lebih berpori dibandingkan dengan SS. Menurut studi [39], porositas muncul dari kemasan diasumsikan partikel primer di aglomerat. 5. Kesimpulan Silika berpori telah berhasil disintesis melalui cara yang ekonomis menggunakan tanah liat Nigeria. Hasil karakterisasi yang diperoleh dari FTIR, XRD dan SEM menunjukkan bahwa material memiliki sifat sebanding dengan silika yang diperoleh dari natrium metasilicate komersial dalam kondisi yang sama. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa tanah liat yang murah dan banyak tersedia di Ekiti State, Nigeria memiliki potensi untuk menjadi bahan awal pada pembuatan silika berpori skala komersil.

Gambar 1. (A) Spektrum FTIR silika SS; (b) Spektrum FTIR silika CS.Panjang Gelombang (cm-1)Panjang Gelombang (cm-1)

Posisi [02Theta] (Tembaga(Cu))Posisi [02Theta] (Tembaga(Cu))Gambar 2. Pola XRD bubuk (a) SS dan (b) CS.

Gambar 3. Mikrograf SEM dari sampel (a) SS dan (b) CS, masing-masing imenunjukkan ukuran partikel yang diukur pada posisi yang berbeda: iPa 1 dan Pa 2 pada sudut posisi Pb 1 dan Pb 2.

.

Gambar 4. Mikrograf SEM menunjukkan morfologi berpori dari sol-gel silika. Hal ini juga dapat dilihat bahwa SS, (a) mengandung partikel yang lebih baik dari pada CS, (b).

6. Ucapan Terima Kasih Para penulis berterima kasih kepada Pusat Penelitian Labo-ratory, Bells University of Technology, Ota, Nigeria atas bantuan mereka dalam melaksanakan proyek ini.