sintesis silika tersulfonasi dari waterglass dengan templat peg sebagai katalis asam padat dalam...

8/10/2019 Sintesis silika tersulfonasi dari waterglass dengan templat PEG sebagai katalis asam padat dalam pembuatan pel

1/9

Menara Perkebunan2013 81(2), 67-75

Sintesis silika tersulfonasi dari waterglassdengan templat PEG

sebagai katalis asam padat dalam pembuatan pelumas dari minyak nabati

Synthesis of sulfonated silica from waterglasswith PEG template as solid acid catalystin the production of lubricant from vegetable oil

Sri WAHYUNI1)*)& Heru SETYAWAN

2)

1)

Balai Penelitian Bioteknologi Perkebunan Indonesia, Jl. Taman Kencana No.1, Bogor 16151, Indonesia2)Jurusan Teknik Kimia, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS, Sukolilo,

Surabaya 60111, Indonesia

Diterima tgl 27 Agustus 2013/disetujui tgl 19 November 2013

Abstract

The use of a catalyst in the manufacture of lubricantscome through many developments, from a homogeneous

base catalysts, homogeneous acid catalyst to hetero-

geneous solid catalyst system (heterogenous catalyst). Oneexample of heterogeneous catalyst base material is silica.The purpose of this research was to study the graftingmethod of sulfonic group on silica from waterglass withPEG (polyethylene glycol) template as solid acid catalystand to analyze the effect of PEG concentration on ionic

capacity. Silica sol was produced by addition of PEG andHCl into waterglass. The PEG template was separated by

two different methods; solvothermal extraction andcalcinations process. The following step was graftingprocess of the sulfonate into the silica powder, no drying

the silica sulfonate in certain temperature. The driedsulfonated silica particles were characterized for their

pore size by BET method, the functional group by FTIR(Fourier Transform Infra Red) test, and titrimetry by theionic capacity analysis. The result showed that theseparated PEG template process with calcinations method

gave a better result than the solvothermal extractionmethod based on the amount of PEG that disappear. While

from BET result showed that the calcinations processproduced smaller surface area pore than the extractionsolvothermal process. The effect of the concentration ofPEG template, showed that the surface area mostlydecreased with the addition of the PEG template

concentration and increased again at 0.0178 g/mL. The

biggest ionic capacity at 12,603 mmol eq/g silica wasobtained from solvothermal method.

[Keywords: Food-grade lubricant, heterogenous catalyst,p a l m o i l , solvothermal extraction,calcination]

Abstrak

Penggunaan katalis dalam pembuatan pelumas me-ngalami banyak perkembangan, dari katalis homogenbasa, katalis homogen asam hingga dikembangkanpenggunaan katalis padat sistem heterogen (heterogenouscatalyst). Salah satu contoh bahan dasar dari katalisheterogen ini adalah silika. Penelitian ini bertujuan untukmempelajari teknik pencangkokan gugus sulfonat pada

silika dari waterglass dengan templatPEG (polyethylene

glycol) sebagai katalis asam padat dan menganalisapengaruh konsentrasi templat terhadap kapasitas ion. Solsilika dibuat dengan menambahkan PEG dan HCl kedalam waterglass. Templat PEG dihilangkan dengan duacara yang berbeda yaitu ekstraksi solvothermal dankalsinasi. Proses selanjutnya adalah pencangkokansulfonat pada serbuk silica dan silika tersulfonasi padasuhu tertentu. Partikel silika tersulfonasi yang telah keringdikarakterisasi ukuran porinya dengan metode BET,gugus fungsi dengan uji FTIR (Fourier Transform InfraRed), dan kapasitas ionik dengan analisis titrimetri. Hasilpenelitian menunjukkan bahwa metode kalsinasi ternyatadapat menghilangkan senyawa PEG lebih baik di-bandingkan dengan metode ekstraksi solvothermal, tetapiberdasarkan hasil BET, penghilangan templat melalui

proses kalsinasi menghasilkan luas permukaan yang lebihkecil jika dibandingkan dengan kondisi sebelum templatdihilangkan, sedangkan ekstraksi solvothermal meng-hasilkan luas permukaan silika yang lebih besar. Untukpengaruh konsentrasi templat PEG, didapatkan hasilbahwa luas permukaan partikel silika cenderung turundengan penambahan templat dan naik kembali padakonsentrasi 0,0178 g/mL. Kapasitas ionik terbesar di-dapat pada silika dengan metode solvothermal yaitusebesar 12,603 mmol/g silika.

[Kata kunci : Pelumas food-grade, katalis heterogen,minyak sawit, ekstraksi solvothermal,kalsinasi].

Pendahuluan

Indonesia merupakan negara produsen CPO(crude palm oil) terbesar di dunia dengan totalproduksi sekitar 25 juta ton/tahun (Badan PusatStatistik, 2013). Produksi minyak sawit yang terusmeningkat dari tahun ke tahun perlu diimbangidengan diversifikasi produk hilirnya, sehingga dapatmemberikan nilai tambah bagi industri kelapa sawit.Salah satu produk alternatif yang sangat potensialadalah pelumas. Saat ini pelumas yang beredar dipasar umumnya disintesis menggunakan bahan baku

berasal dari turunan minyak bumi. Di samping keter-sediaannya yang terbatas dan tidak dapat diper-

*) Penulis korespondensi: [email protected]


2/9

Sintesis silika tersulfonasi dari waterglassdengan templat PEG(Wahyuni & Setyawan)

baharui, penggunaan minyak bumi sebagai bahanbaku pelumas dinilai tidak ramah lingkungan Sejalandengan semakin meningkatnya kesadaran dankeprihatinan masyarakat international terhadap polusi

lingkungan yang disebabkan oleh pemakaian pelumasdari minyak bumi, permintaan dunia terhadappelumas yang ramah lingkungan juga cenderungsemakin meningkat. Pelumas dari minyak bumimenggunakan 1,1% dari total produksi minyak bumidunia yang setara dengan 40 juta ton/tahun. Peng-gunaan pelumas tersebut meliputi kebutuhan untukpelumas mesin 48%, process oil 15,3%, hydrolic oil10,2%, dan penggunaan lainya 26,5% (Wahyu, 2012).Kebutuhan akan pelumas yang besar ini memberikanpeluang bagi biolubricant seperti minyak kelapa sawitsebagai alternatif substitusinya. Selain renewable danbiodegradable, minyak kelapa sawit juga bersifatnon-toxic, sehingga dapat digunakan sebagai pelumasfood-grade dalam industri pangan, termasuk industripakan ternak dan farmasi.

Proses pembuatan pelumas berbasis minyaknabati (minyak sawit) membutuhkan katalis di dalamreaksinya. Secara umum sistem katalitik terbagi atasdua: pertama, sistem katalitik homogen, dimanakatalisis berada dalam satu fase fluida (zat cair), danbiasanya katalis larut dalam pelarut (media reaksi).Sedangkan yang kedua adalah sistem katalitikheterogen, dimana katalisis terjadi dalam fase yanglebih dari satu, dan katalis dapat berupa padatandalam cairan atau padatan dalam gas (Andriayani,

2005). Katalis homogen, contohnya NaOH atau KOH(katalis alkali basa), digunakan pada reaksi dalam fasacair. Persoalan yang terpantau pada penggunaankatalis alkali (basa) baik NaOH maupun KOH adalahsangat sensitif terhadap air dan asam lemak bebas.

Penggunaan katalis basa yang masih mengan-dung air dapat menyebabkan saponifikasi ester.Sedangkan asam lemak bebas dapat bereaksi dengankatalis alkali yang akan menghasilkan air dan sabun.Sabun dapat menyebabkan pembentukan emulsi.Keadaan ini menyebabkan meningkatnya konsumsikatalis dan timbulnya berbagai kesulitan dalam prosespemurnian (Felizardo et al., 2007). Hal ini akanberakibat pada peningkatan biaya produksi. Selainpenggunaan katalis basa cair, dapat digunakan pulakatalis asam cair. Penggunaan katalis asam cairseperti asam sulfat, memerlukan proses dengan suhutinggi dan waktu yang lama. Akan tetapi, penggunaankatalis asam memiliki keunggulan dibandingkanpenggunaan katalis basa. Katalis asam akan tetapefektif pada minyak nabati yang mengandung asamlemak bebas >1%, sedangkan katalis basa akan rusak(tidak stabil) dalam kondisi tersebut. Penggunaankatalis fasa cair asam memiliki beberapa kendalayaitu, penggunaan katalis yang tidak bisa berulang-ulang (recycle), dan dapat menyebabkan terganggu-

nya lingkungan (Zullaikah et al., 2006). Oleh karenaitu, digunakan pengganti katalis homogen asamdengan katalis asam padat, seperti zeolit, alumina,atau resin pengganti ion yang saat ini telah digunakan

secara komersial. Namun, masih terdapat beberapakelemahan pada katalis-katalis tersebut yaitu sulitdipisahkan pada akhir reaksi (Karen et al., 2010).

Untuk menanggulangi kendala tersebut, telahdigunakan katalis padat sistem heterogen (hetero-genous catalyst). Katalis heterogen umumnya lebihmurah, memiliki kereaktifan yang tinggi, ramahlingkungan, waktu reaksi yang tidak lama, selektivitasyang baik, penanganannya sederhana, dan hematenergi (Shaterian, 2009). Salah satu contoh bahandasar dari katalis heterogen adalah silika. Daribeberapa riset yang telah dilakukan, silika memilikikestabilan yang baik, luas permukan yang lebih besar,

harga ekonomis, serta kemudahan gugus organikdalam menjangkau ke permukaan untuk menyediakanpusat katalitis (Gupta et al., 2008). Silika merupakansenyawa yang memiliki banyak gugus silanol (Si-OH)pada permukaannya, yang memungkinkan penyediaantempat bagi senyawa lain untuk dicangkokkan.Chavan et al.(2008) mengungkapkan bahwa silika gelyang didukung dengan NaHSO4H2O adalah sistemkatalis heterogen yang murah dan stabil yang dapatdigunakan pada banyak reaksi organik di bawahkondisi heterogen.

Sementara Shaterian et al. (2009) menggunakankatalis serupa pada sintesis senyawa amidoalkil

naftol, dimana hasil yang didapat sebesar 73-93%,waktu reaksi lebih singkat, tidak mencemari lingkung-an, serta murah dan mudah dalam penanganannya.Oleh karena itu, bahan ini memiliki potensi yangbesar untuk digunakan sebagai katalis asam padatyang dapat dicangkok dengan gugus sulfonat (-SO3H)(Patricia et al., 2012). Penelitian ini bertujuan untukmempelajari teknik sintesis silika mesopori darisodium silikat yang dicangkok dengan gugus sulfonat.Analisa efektifitas silika grafting sulfonat sebagaikatalis asam padat dilakukan dengan menggunakanFTIR dan uji kapasitas ionik. Produk silika mesoporigrafting sulfonat yang terbentuk kemudian dikarak-terisasi berdasarkan luas permukaan, diameter poridan volume pori.

Bahan dan MetodeBahan

Bahan yang digunakan dalam pembuatan solsilika adalah : waterglass, Na2O.3,3(SiO2) 28 %diperoleh dari PT. PQ Silicas Indonesia, polyethilenglycol (PEG) 1000 p.a. Merck, asam klorida (HCl)p.a. Merck, amonium hidroksida (NaOH) p.a. Merck.Untuk proses graftingdigunakan toluen sulfonic acidsodium salt (p.a. Merck) yang dilarutkan terlebih

dahulu menggunakan air demineral.68


3/9


Metode

Metode yang digunakan adalah sol gel dengantemplat PEG dan bahan dasar dari waterglass, yaitu

dengan tidak melewatkan larutan sodium silikat yangterbentuk pada resin penukar ion (Fang, 2012).Larutan sodium silikat ini langsung ditambahkan kedalam larutan PEG yang telah disiapkan sebelumnyadengan melarutkan PEG dalam air dengan konsentrasitertentu yang kemudian ditambah dengan HCl. Kedalam campuran PEG dengan sodium silikat kemu-ian ditambahkan NaOH hingga mencapai pH 4,setelah itu dilakukan aging dan pengeringan padasuhu 100 C selama 24 jam. Untuk menghilangkanNaCl yang terbentuk, dilakukan pencucian denganaquades. Sedangkan PEG dihilangkan dengan caraekstraksi solvothermal dan kalsinasi.

Proses pembuatan gel silika dari sodium silikatdengan HCl dimulai dengan pembuatan larutan PEGdengan HCl. PEG dengan massa tertentu sesuaivariabel (0-1 gram) dilarutkan dalam 30 mL aquades disertai dengan pengadukan hingga diperoleh larutanyang homogen, kemudian 45 mL HCl 1M ditambah-kan ke dalam larutan PEG sambil terus diaduk.Selanjutnya, pembuatan larutan sodium silikat yaitudengan memasukkan air ke dalam beaker glass dandipanaskan. Setelah suhu air mencapai 60C sodiumsilikat dicampurkan ke dalam air disertai denganpengadukan menggunakan hot plate stirer hinggaterbentuk larutan yang homogen dengan komposisi air: sodium silikat sebesar 3 : 1. Setelah didinginkanhingga suhu kamar larutan sodium silikat (30 mL),selanjutnya dimasukkan dalam larutan PEG + HClsetetes demi setetes sambil terus diaduk. Reaksi yangterjadi sesuai dengan

Kemudian NaOH 1 N ditambahkan hingga pHnaik menjadi 4. Lalu larutan diaging selama satu jampada suhu kamar. Prosesagingdilanjutkan pada suhu80 C selama dua jam, kemudian dilakukan penge-ringan selama 16 jam pada suhu 90 C. Gel silika yangtelah terbentuk dicuci untuk menghilangkan NaCldengan cara memasukkannya ke dalam aquades dandiaduk selama 30 menit. Setelah itu dilakukanpenyaringan menggunakan kertas saring Whatman41(pencucian dan penyaringan dilakukan tiga kali).Silika yang telah disaring lalu dikeringkan di dalamoven selama 24 jam pada suhu 100 C.

Penghilangan templat PEG

Proses penghilangan templat PEG dilakukanmenggunakan dua metode yaitu: (1)Ekstraksi Solvo-

thermal dan (2) Kalsinasi. Pada metode pertama,silika yang sudah berbentuk serbuk dibungkus denganmenggunakan kertas saring lalu dimasukkan ke dalamsoxhlet. Larutan DMSO 5% sebanyak 100 mLdimasukkan sebagai pelarut (pelarut PEG) ke dalamabu alas datar, kemudian peralatan ekstraksi mulaidirangkai. Pelarut dipanaskan dengan menggunakanhot plate, hingga dicapai titik didihnya. Pelarutkemudian menguap dan masuk ke kondensor reflux,di dalam kondensor reflux terjadi pendiginan sehinggauap akan mengembun kemudian turun ke soxhlet danmelarutkan PEG yang terkandung di dalam serbuksilika. PEG yang larut ke dalam pelarut akan turun

bersama pelarut ke labu alas datar. (ekstraksidilakukan selama 24 jam). Pada metode kalsinasi,setelah dicuci, sampel silika gel disaring dan dikering-kan pada oven selama 24 jam pada suhu 100 Ckemudian dikalsinasi pada suhu 550 C selama empatjam untuk menghilangkan PEG (Sun et al., 2005).

Pencangkokan (grafting) gugus sulfonat ke dalampartikel silika

Prosesgraftinggugus sulfonat pada serbuk silikadilakukan dengan membuat larutan toluena sulfonicacid sodium salt dengan konsentrasi 0,5 M. Serbuk

silika (1 gram) dimasukkan ke dalam larutan ter-sebut kemudian direfluks pada titik didihnya selama18 jam. Setelah itu dicuci dengan air demineral untukmenghilangkan gugus sulfonat yang tidak tergrafting(hanya menempel) pada permukaan silika. Silikagrafting sulfonat yang yang telah dicuci dikeringkandi dalam oven pada suhu 100oC hingga kering ( 24jam). Silika grafting sulfonat didinginkan dandikeringkan lagi di dalam eksikator selama 12 jam.

Karakterisasi produk

Karakteristik produk dilakukan dengan me-

ngamati sifat-sifat silika grafting sulfonat antara lainuji gugus fungsi, penentuan volume, luas permukaandan diameter pori dengan prinsip adsorption isotherm,analisa thermal gravimetric analysis dan kapasitasionik pada silika grafting sulfonat dengan analisistitrimetri asam-basa.

Uji gugus fungsi

Uji gugus fungsi dilakukan untuk membuktikanadanya perubahan gugus fungsi pada permukaansilika setelah prosesgraftingdengan larutan toluena

69


4/9


sulfonic acid sodium salt. Untuk melakukan uji gugusfungsi yang terdapat pada serbuk silika, dilakukananalisis FTIR (Fourier Transform Infraredspectro-scopy) dengan alat FTIR-8400S dan Shimadzu.

Fourier Transform Infraredspectroscopymerupakanteknik yang menggunakan infrareduntuk mendeteksitransisi vibrasi suatu molekul. Vibrasi setiap gugusmemberikan citra berupa garis yang membantuidentifikasi gugus fungsi senyawa.

Uji volume, luas permukaan dan diameter pori

Untuk mengetahui karakteristik distribusi ukuranpori dansurface area secara spesifik digunakan alatBET (Surface Area and Pore Size Analyzer typeNOVA 1200e). Sampel yang akan dianalisa, di-degassing terlebih dahulu dengan mengalirkan

nitrogen pada suhu 300C selama tiga jam agarterbebas dari kontaminan air. Perhitungan distribusiukuran pori pada alat BET type NOVA 1200emenggunakan metode Barret-Joyner-Halenda (BJH).Metode BJH merupakan metode yang banyakdigunakan dalam perhitungan distribusi beberapaukuran pori untuk tipe mesopori dan tipe makropori.Metode BJH mengasumsi bahwa tekanan relatif awal(P/Po)1 mendekati satu dimana seluruh pori terisidengan liquid.

Kapasitas ionik dengan analisis titrimetri asam-basa

Kapasitas ionik silika grafting sulfonat ditentu-kan dengan metode titrasi asam-basa. Sampel silikagrafting sulfonat sekitar 0,2 g dimasukkan ke dalam25 mL larutan NaOH 0,01 N dan direndam selama 48jam dilanjutkan titrasi dengan HCl 0,01 N sesuaireaksi :

Mr Si-SO3H = 109 gr/molm Si-SO3H = 0,0234 gramn Si-SO3H = 0,00021 mol (0,21 mmol)n NaOH = 0,21 mmolV NaOH = 0,21 mmol : 0,01 M

= 21 mL (sehingga ditetapkan volumeperendaman NaOH sebesar 25 mL )

Kelebihan NaOH dalam perendaman inilah yangdapat dihitung dari kebutuhan HCl dalam prosestitrasi untuk mengetahui berapa banyak kelebihanNaOH yang diperlukan dalam perendaman. Kapasitasionik ditentukan dari jumlah Na yang bereaksi(sebanding dengan -SO3H yang tergrafting pada

permukaan serbuk silika) sesuai rumus:

Hasil dan Pembahasan

Pengaruh metode penghilangan templat terhadapkarakteristik partikel silika

Penghilangan templat dengan metode kalsinasi(Zhang, 2000) dan ekstraksi solvothermal (Ling Wuet al., 2005) memberikan hasil yang berbeda terhadapkarakteristik partikel silika yang dihasilkan. Pengaruhproses penghilangan templat untuk konsentrasitemplate 0,0089 g/mL dapat dilihat pada Gambar 1.

Tiga spektrum yang dihasilkan pada uji FTIR, terlihatmemiliki beberapa puncak yang khas. Pada panjanggelombang 3648 cm-1 terdapat puncak yang me-nunjukkan adanya gugus Si-OH (silika) pada ketigaspektrum. Gugus siloxane (Si-O-Si) teridentifikasipada panjang gelombang 1100cm-1, gugus fungsi H-O-H (air) ditunjukkan pada panjang gelombang 780cm-1 dan ikatan C-H pada panjang gelombang 2400dan 2500 cm-1. Selanjutnya, terdapat puncak yangkhas untuk spektrum silika yang melewati prosespenghilangan templat dengan solvo-termal padapanjang gelombang antara 13001550 cm-1yang me-nunjukkan identifikasi panjang gelombang gugus

fungsi C-0-C (PEG). Namun, tidak terdapat puncakyang khas pada rentang panjang gelombang antara1300 1550 cm-1untuk silika yang melewati prosespenghilangan templat dengan proses kalsinasi. Hasilini mengindikasikan bahwa proses kalsinasi meng-hilangkan senyawa PEG lebih baik dibandingkandengan metode ekstraksi solvothermal. Tingginyasuhu yang digunakan pada metode kalsinasi yaitu550oC selama empat jam menyebabkan PEG me-nguapddandmenghilang secara sempurna disbanding-kan dengan proses penghilangan templat denganekstraksi solvothermal. Surya (2007) menjelaskanbahwa metode kalsinasi yang dilakukan pada suhu

450C selama empat jam mampu menghilangkantemplat PEG dalam sistesis TiO2mesopori.Walaupun dapat menghilangkan templat PEG

dengan lebih baik, metode kalsinasi ternyata tidakmemberikan hasil yang sama untuk luas permukaan,diameter pori, dan volume pori pada partikel silika.Seperti terlihat pada Gambar 2, 3, dan 4, penghilang-an templat melalui proses kalsinasi menghasilkanluas permukaan yang lebih kecil jika dibandingkandengan kondisi sebelum templat dihilangkan,sedangkan ekstraksi solvothermal menghasilkan luaspermukaan silika yang lebih besar. Hal ini dapatdikarenakan terjadinya pengerutan selama proses

kalsinasi yang dilakukan pada suhu 550C.

70


5/9


Pada suhu yang tinggi, partikel silika akan me-ngerut, struktur pori kemudian akan runtuh dan ruangkosong yang telah terbentuk justru terisi dengan silikayang mengakibatkan luas permukaan dan ukuran pori

yang didapatkan akan semakin kecil. Sedangkan padaproses ekstraksi solvothermal, pengerutan tersebuttidak terjadi karena proses ekastraksi dilakukan padasuhu yang mendekati titik didih air. Hal inilah yangmenyebabkan struktur pori tetap bertahan sehinggadidapatkan karakter luas permukaan dan ukuran poriyang lebih besar dibandingkan dengan hasil yangdiperoleh dari proses kalsinasi. Perubahan karak-teristik partikel silika pada variasi proses peng-

hilangan templat PEG dapat diperjelas dengan kurvaisothermis adsorpsi (Gambar 5). Silika dengan prosespenghilangan templat menggunakan ekstraksi solvo-thermal menunjukkan kurva isothermis tipe IV yang

mengindikasikan terbentuknya partikel mesopori. Halini didukung oleh Gambar 4 yang menunjukkandiameter silika pada kosentrasi 0,0089 g/mL sebesar3,847 nm (38,47 ). Sedangkan untuk kurva prosespenghilangan templat menggunakan kalsinasi danjuga kurva tanpa penghilangan templat menunjukkankurva isothermis tipe 1 yang mengindikasikan bahwapori yang terbentuk adalah mikropori.

Gambar 1. FTIR untuk metode penghilangan templat melalui(a) kalsinasi, (b) ekstraksi solvothermal,(c) sebelum proses penghilangan templat.

Figure 1. FTIR for removal on the template method (a) calcination, (b) solvothermal extraction,

(c) before template removal process.

Gambar 2. Luas permukaan pada proses penghilangan templat melalui (a) solvothermal,(b) kalsinasi dan (c) sebelum penghilang templat.

Figure 2. The surface area on the template removal process (a) Solvothermal,(b) calcination and (c) before template removal process.

Transmitans(a.u

)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Bilangan gelombang (Wave number) (cm- )

Luaspermukaan(Surfacearea)(m

/gr)

Konsentrasi PEG (PEG concentration) (g/mL)

750

700

650

600

550500

450

400

350

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025

71


6/9


Gambar 3. Volume pori pada proses penghilangan templat melalui (a) solvothermal,(b) kalsinasi dan (c) sebelum proses penghilang templat.

Figure 3. The pore volume on the template removal process (a) solvothermal,(b) calcination and (c) before template removal process.

.

Gambar 4. Ukuran diameter pori pada proses penghilangan templat melalui (a) solvothermal,(b) kalsinasi dan (c) sebelum penghilang templat.

Figure 4. Pore diameter on the template removal process (a) solvothermal, (b) calcination,

and (c) before template removal process.

Pengaruh konsentrasi templat PEG terhadap

karakteristik partikel silika

Templat dipakai sebagai cetakan (pembantu danpengarah) dalam pembentukan pori, dimana partikelkoloidal primer akan mengisi celah-celah diantarasusunan templat, sehingga ketika templat dikeluarkandari partikel silika, akan terbentuk partikel yangberongga (Yang, 2011). Konsentrasi templat yangdigunakan adalah (0 0,0222) g/mL. Gambar 2, 3 dan4 memperlihatkan pengaruh konsentrasi templatterhadap karakteristik partikel. Kurva solvothermalpada gambar 2 menunjukkan bahwa luas permukaanpartikel silika cenderung turun dengan penambahan

templat dan naik kembali pada konsentrasi

0,0178 g/mL. Akan tetapi penambahan templat yang

jauh lebih besar tidak memberikan penambahan luaspermukaan yang signifikan. Luas permukaan terbesardidapatkan pada konsentrasi PEG sebesar0,0222 g/mL yaitu 740,578 m2g-1.

Karakteristik ukuran pori partikel silika ditunjuk-kan oleh Gambar 3 dan 4. Penambahan templatmemberikan pengaruh terhadap penambahan ukurandiameter pori, di mana ukuran pori mengalami ke-naikan pada konsentrasi 0,0089 g/mL yaitu 3,847 nmdan cenderung turun seiring penambahan konsentrasiPEG. Ukuran pori terbesar katalis silika ini telahmemenuhi kriteria sebagai silika mesoporous.Menurut klasifikasi IUPAC silika mesoporous me-

miliki rentang diameter 2 50 nm (Sing et al.,1985).


Volumepori(Porevolume)cc/gr)

0,45

0,40

0,35

0,300,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

Diameterpori(Porediameter)(nm)3,9

3,8

3,7

3,6

3,5

3,4

3,3

3,2


0,000 0,005 0, 010 0,015 0,020 0,025

72


7/9


Beberapa hasil penelitian mengemukakanbahwa, katalisator asam padat yang ideal untukpembuatan biodiesel dan pelumas harus memilikistabilitas suhu tinggi, situs asam kuat yang banyak,

pori yang besar, permukaan hidrofobik dan hargamurah (Lotero et al., 2005). Menurut Kiss et al.(2006), oksida asam padat non-organik seperti zeolitdan asam niobik memiliki situs asam yang rendah danaktivitasnya mudah hilang pada kondisi suhu tinggi.Sementara itu, menurut Kawashima et al. (2009)katalisator zeolit dan asam niobik memiliki ukurandiameter pori yang kecil (1,4-1,7 nm) sehinggakurang cocok untuk pembuatan biodiesel karenapembatasan difusi molekul trigliserida yang besardengan ukuran molekul 2 nm sampai 4 nm. Akantetapi penambahan templat ini sangat mempengaruhibesarnya volume pori partikel silika. Ukuran pori

mengalami penurunan pada konsentrasi 0,0089 g/mLdan cenderung naik seiring penambahan konsentrasiPEG. Volume pori terbesar didapatkan pada kon-sentrasi PEG 0,0222 g/mL (solvothermal) yaitusebesar 0,44 cc/g.

Pada Gambar 2, 3 dan 4 terlihat bahwa luaspermukaan terbesar didapat pada konsentrasi0,0222 g/mL (solvothermal), diameter pori terbesardidapat pada konsentrasi 0,0089 g/mL (solvo-thermal), sedangkan volume pori terbesar didapatpada konsentrasi 0,0222 g/mL (solvothermal). Hal inimenunjukkan bahwa luas permukaan dan volume poriberbanding terbalik dengan diameter pori. Luas

permukaan terbesar didapatkan pada konsentrasi0,0222 g/mL dimana ukuran diameter cenderungkecil. Sebaliknya, untuk konsentrasi 0,0089 g/mL,luas permukaan yang didapatkan kecil meskipunukuran pori cenderung lebih besar. Perubahan karak-teristik partikel silika pada variasi konsentrasi PEGdapat diperjelas dengan kurva isothermis adsorpsi(Gambar 6). Pada konsentrasi templat PEG 0,0089g/mL menunjukkan kurva isothermis tipe IV yangmengidentifikasi terbentuknya partikel mesoporisedangkan untuk kurva tanpa penambahan PEG,pada konsentrasi 0,0222 g/mL menunjukkan kurvaisothermis tipe I yang mengindikasikan bahwa poriyang terbentuk termasuk mikropori nm (Sing et al.,1985).

Pencangkokan (grafting) gugus sulfonat ke dalampartikel silika

Pada Gambar 7, terlihat bahwa hasil grafting

memiliki beberapa puncak yang khas pada duaspektrum yang dihasilkan. Untuk panjang gelombang3648 cm-1, terdapat puncak yang menunjukkan adanyagugus SI-OH (silika) pada kedua spektrum tersebut.Selanjutnya, pada panjang gelombang antara 1100 1220 cm-1 yang menunjukkan identifikasi panjanggelombang untuk S-O (sulfonat), terdapat puncakyang khas untuk spektrum silika yang telah melewatiproses grafting. Hal ini membuktikan bahwa prosesgraftingtelah berhasil dilakukan.

Kapasitas ionik dengan analisis titrimetri asam-basa

Pengaruh konsentrasi templat terhadap kapasitasionik silika menunjukkan bahwa kapasitas ionik silikapada proses penghilangan PEG dengan ekstraksisolvothermal lebih besar dari pada kalsinasi. Hal inidisebabkan terjadinya pengerutan selama proseskalsinasi yang dilakukan pada suhu 550C (Tabel 1).Pada suhu yang tinggi, partikel silika akan mengerut,struktur pori kemudian akan runtuh dan ruang kosongyang telah terbentuk justru terisi dengan silika yangmengakibatkan luas permukaan dan ukuran pori yangdidapatkan akan semakin kecil. Kapasitas ionikterbesar (12.600) diperoleh pada sampel hasil solvo-thermal dengan konsentrasi PEG 0,0044 g/mL.

Kapasitas ionik ini sudah mendekati kapasitas ionikdari resin dimana kapasitas ionik resin penukar ionsebesar 12,864 mmol/g. Dengan demikian katalissilika tersulfonasi ini layak untuk menggantikankatalis yang sekarang dipakai, sehingga perludiujicobakan dalam proses pembuatan pelumasberbasis minyak nabati, terutama minyak sawit.

Penambahan templat yang jauh lebih besar tidakmemberikan penambahan kapasitas ionik yangsignifikan. Hal ini sesuai dengan hasil uji BET yangmenunjukkan silika pada konsentrasi 0,0044 g/mLmemiliki ukuran pori yang lebih besar, sehinggamemungkinkan sulfonat yang tergrafting semakin

banyak, sehingga kapasitas ioniknya pun semakinbesar.

Tabel 1. Hasil analisa titrimetri asam basa.

Table 1. The analysis results of acid-base titrimetric.

No.Konsentrasi PEG

PEG Concentration(g/mL)

Kapasitas ionik (Ionic capacity)Mili eq/g sampel (Mili eq/g sample)

Resin Solvothermal Kalsinasi

1 0,0044

12,864

12,603 9,890

2 0,0089 12,308 9,397

3 0,0133 11,694 10,897

4 0,0178 12,048 6,2035 0,0222 12,395 11,653

73


8/9


Gambar 5. Isotherm adsorpsi-desorpsi setelah proses penghilangan templat pada PEG 0,0089 g/mL,

(a) Ekstraksi Solvothermal, (b) Kalsinasi dan (c) Tanpa proses penghilangan templat.Figure 5. Adsorption-desorption isotherm after the template removal process on PEG 0.0089 g /mL,

(a) the Solvothermal Extraction, (b) calcination, and (c) Without template removal process.

Gambar 6. Isotherm adsorpsi-desorpsi dengan variasi konsentrasi dengan metode penghilangan templatdengan solvothermal, (a) PEG 0 g/mL, (b) PEG 0,0089 g/mL dan (c) PEG 0,0222 g/mL

Figure 6. Adsorption-desorption isotherm with the variation of the concentration using the removal of thetemplate by the solvothermal method, (a) PEG 0 g/mL, (b) PEG 0.0089 g/mLand (c) PEG 0.0222 g/mL.

Gambar 7. Analisa FTIR (a) sebelumgrafting dan (b) sesudahgrafting

Figure 7. FTIR analysis of (a) before grafting, and (b) after grafting

VolumeSTP(cc/g

)

320

280

240

200

160

120

80

P/Po

0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0

VolumeSTP(cc/g)

P/Po0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

350

300

250

200

150

100

Transmitans(a.u

)

Bilangan gelombang (Wave number) (cm- )4000 3000 2000 1000 0

74


9/9


Kesimpulan

1.

Metode penghilangan templat dengan mengguna-kan kalsinasi menghasilkan luas permukaan dan

ukuran pori semakin kecil sedangkan melaluiproses ekstraksi solvothermal, luas permukaan danukuran pori semakin tinggi.

2.

Peningkatan luas permukaan terbesar terjadi padametode ekstraksi solvothermal dengan luas permu-kaan pada konsentrasi PEG sebesar 0,0222 g/mL(solvothermal) yaitu 740,578 m2/g. Ukuran porimengalami kenaikan pada konsentrasi0,0089 g/mL yaitu 3,847 nm dan cenderung turunseiring penambahan konsentrasi PEG. Sedangkanvolume pori terbesar didapatkan pada konsentrasiPEG 0,0222 g/mL (solvothermal) yaitu sebesar0,44 cc/g, dan semua silika yang dihasilkan dari

metode solvothermal termasuk kategori meso-poroussilika.

3.

Pencangkokan gugus sulfonat pada mesoporoussilika telah berhasil dilakukan dengan mengguna-kan teknikgraftingdengan kapasitas ionik hingga12,603 mmol/g silika. Kapasitas ionik ini sudahmendekati kapasitas ionik dari resin yaitu sebesar12,864 mmol/g. Katalis silika tersulfonasi inilayak untuk menggantikan katalis yang sekarangdigunakan, sehingga perlu diujicobakan dalamproses pembuatan pelumas berbasis minyak sawit.

Daftar Pustaka

Andriayani (2005). Senyawa heteropolyacid dan garam-garamnya sebagai katalis pada sistem heterogen dalampelarut organik. Skripsi. Medan, Jurusan Kimia FMIPAUniversitas Sumatera Utara.

Badan Pusat Statistik (2013). Data Produksi CPO diIndonesia. Diunduh dari: http://bps.go.id/tab_ sub/view.php?kat=3&tabel=1&daftar=1&id_subyek=54&notab=3[ 15 Desember 2013]

Chavan F, B Madje, J Bharad, M Ubale, M Ware, Shingare& N Shinde (2008). Silicagel supported nahso4catalyzed organic reaction: an efficient synthesis ofcoumarins.Bull Catal Soc of India 7, 41-45.

Fang L, K Zhang, X Li, H Wu & P Wu (2012). Preparationof a carbon silica mesoporous composites funtionalizedwith sulfonic acid groups and its application to theproduction of biodiesel. Chinese J Catal 33, 114-122.

Gupta R, V Kumar, M Gupta & S Paul (2008). Silicasupported zinc chloride catalyzed acetylation of amines,

alcohols and phenols. Indian J Chem 47, 1739-1743.

Karen W, H James & Clark (2010). Solid acids and their useas environmentally friendly catalysts in organicsynthesis.Pure Appl Chem 72, 13131319.

Ling Wu, CY Jimmy, W Xinchen, L Zhang & Y Jiaguo(2005). Characterization of mesoporous nanocrystal-lineTiO2photocatalysts synthesized via a sol-solvothermalprocess at a low temperature. J Solid State Chem 178,321-328.

Liu R, X Wang, X Zhao & P Feng (2008). Sulfonatedordered mesoporous carbon for catalytic preparation ofbiodiesel.Carbon 46,1664-1669.

Patricia V, M Sevilla & B Fuertes (2012). Sulfonatedmesoporous silicacarbon composites and their use assolid acid catalyst.Appl Surface Sci 261, 574-578.

Setyawan H & R Balgis (2012). Mesoporous silicas

prepared from sodium silicate using gelatin template-ing.Asia-Pacific J Chem Engine 7, 448-454.

Shaterian HR & H Yarahmadi (2008). Sodium hydrogensulfate as effective and reusable heterogeneous catalystfor the one-pot preparation of amidoalkyl naphthols.Arkivoc (ii), 105-114.

Sing KWS, DHW Everett, RA Haul, L Moscou, J Pierotti,J Rouquerol & T Siemieniewska (1985). Reportingphysisorption data for gas/solid systems with specialreference to the determination of surface area andporosity.Pure Appl. Chem 57. p. 603.

Sun, Y Ma, S Du, Y Yuan, L Wang, S Yang, J Deng &FS Xiao (2005). Solvent free preparation of nanosizedsulfated zirconia with bronsted acidic sites from asimple calcinations.J Phys Chem 109, 25672572.

Surya S (2007). Sintesis TiO2 mesopori menggunakantemplate PEG dan karakterisasinya sebagai fotokatalisuntuk degradasi gas formalindehide. Skripsi. Jakarta,Universitas Indonesia. p 39-45.

Wahyu BS (2012). Minyak Sawit Sebagai Bahan BakuPelumas Sintetis.Diunduh dari:http://www.bumn.go.id/ptpn5/ berita/4523/[26 Maret, 2012]

Yang X, S Liao & Z Liang (2011). Gelatin-assistedtemplateing route to synthesize sponge-like meso-porous silica with bimodal porosity and lysozyme

adsorption behavior. Microporous & MesoporousMaterials143, 263-268.

Zhang, Qinghong & G Lian (2000). Effects of calcinationson the photocatalystic properties of nanosized TiO2powder prepared by TiCl4 hydrolysis. J Appl Catal 26,207-215.

75
http://bps.go.id/tab_%20sub/http://bps.go.id/tab_%20sub/

sintesis silika tersulfonasi dari waterglass dengan templat peg sebagai katalis asam padat dalam...

Documents