Analisis Luas Permukaan Zeolit Alam Termodifikasi Dengan Metode BET Menggunakan Surface Area Analyzer (SAA)

Abstrak

Surface Area Analyser (SAA) merupakan alat yang digunakan untuk mengkarakterisasi luas permukaan, distribusi pori, dan desorpsi suatu material. Prinsip dasar alat ini menggunakan mekanisme adsorpsi gas (nitrogen, argon, dan helium) pada permukaan suatu bahan padat yang akan dikarakterisasi pada suhu konstan biasanya suhu didih dari gas tersebut, pada praktikum ini digunakan Nitrogen. Terdapat dua tahapan yang dilakukan dalam analisis menggunakan SAA yaitu adsorpsi dan desorpsi. Pada percobaan ini hanya dilakukan dengan metode Adsorpsi, yaitu proses penyerapan gas N2 pada permukaan padatan standart raw material. Sampel yang digunakan adalah Zeolit alam yang termodifikasi. Sampel didegassing dengan gas N2 pada suhu 200oC selama 2 jam. Degassing bertujuan untuk menghilangkan pengotor pada pori padatan sehingga hasil analisis yang didapatkan lebih akurat. Setelah dilakukan analisis adsorpsi dengan metode perhitungn BET diperoleh luas permukaan total sebesar 127,639 m2/g, sedangkan berdasarkan perhitungan diperoleh sebesar 127,5998 m2/g.

Kata Kunci: Surface Area Analyser, BET, Absorpsi, Nitrogen

Pendahuluan

Surface Area Analyzer (SAA) merupakan salah satu alat utama dalam karakterisasi material. Alat ini berfungsi untuk menentukan luas permukaan material, distribusi pori dari material, dan isotherm adsorpsi suatu gas pada suatu bahan. Metode BET (Brunaur, Emmett and Teller) pertama kali ditemukan oleh Brunaur, Emmett dan Teller pada tahun 1938. Metode ini digunakan untuk permukaan yang datar (tidak ada lekukan) dan tidak ada batas dalam setiap layer yang dapat digunakan dalam menjelaskan luas permukaan. Metode ini bekerja dengan prinsip adsorpsi gas, umumnya nitrogen, argon dan helium, pada permukaan suatu bahan padat yang akan dikarakterisasi pada suhu konstan biasanya suhu didih dari gas tersebut. Alat tersebut pada dasarnya hanya mengukur jumlah gas yang dapat diserap oleh suatu permukaan padatan pada tekanan dan suhu tertentu.

Secara sederhana, jika kita mengetahui berapa volume gas spesifik yang dapat diserap oleh suatu permukaan padatan pada suhu dan tekanan tertentu dan kita mengetahui secara teoritis luas permukaan dari satu molekul gas yang diserap, maka luas permukaan total padatan tersebut dapat dihitung. Tentunya telah banyak teori dan model perhitungan yang dikembangkan para peneliti untuk mengubah data yang dihasilkan alat ini berupa jumlah gas yang diserap pada berbagai tekanan dan suhu tertentu (disebut juga isotherm) menjadi data luas permukaan, distribusi pori, volume pori dan lain sebagainya. Misalnya saja untuk menghitung luas permukaan padatan dapat digunakan BET teori, Langmuir teori, metode t-plot, dan lain sebagainya. Yang paling banyak dipakai dari teori – teori tersebut adalah BET. Alat ini hanya memerlukan sampel dalam jumlah yang kecil. Biasanya berkisar 0,1 sampai 0,01 gram saja. Persiapan utama dari sampel sebelum dianalisa adalah dengan menghilangkan gas – gas yang terserap (degassing).

Alat surface area analyzer ini terdiri dari dua bagian utama yaitu Degasser dan Analyzer. Degasser berfungsi untuk memberikan perlakuan awal pada bahan uji sebelum dianalisa. Fungsinya adalah untuk menghilangkan gas – gas yang terserap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kondisi vakum. Biasanya degassing dilakukan selama lebih dari 6 jam dengan suhu berkisar antara 200 – 300°C tergantung dari karakteristik bahan uji. Bagian-bagian SAA meliputi komponen utama yang mendukung proses analisis.

Luas permukaan merupakan luasan yang ditempati satu molekul adsorbat/zat terlarut yang merupakan fungsi langsung dari luas permukaan sample. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa luas permukaan merupakan jumlah pori disetiap satuan luas dari sample dan luas permukaan spesifiknya merupakan luas permukaan per gram. Luas permukaan dipengaruhi oleh ukuran partikel/pori, bentuk pori dan susunan pori dalam partikel. (Martin et al, 1993).

Adsorpsi dan Desorpsi

Adsorbsi adalah gejala pengumpulan molekul - molekul suatu zat pada permukaan zat lain, sebagai akibat dari ketidakjenuhan gaya-gaya pada permukaaan zat tersebut. Desorpsi merupakan proses pelepasan kembali ion atau molekul yang telah berikatan dengan gugus aktif pada adsorben. Proses adsorpsi – desorpsi dipengaruhi oleh 5 faktor yaitu (Jankwoska dkk, 1991) :

• karakteristik fisik dan kimiawi adsorben (luas permukaan dan ukuran pori)
• karakteristik fisik dan kimiawi adsorbat (ukuran molekul dan polaritas molekul)
• konsentrasi adsorbat dalam larutan
• karakteristik larutan (pH dan temperatur)
• lama adsorpsi dan desorpsi

Sifat-sifat yang perlu diamati dari suatu material berpori antara lain:

1. Massa jenis

Massa jenis didefinisikan sebagai ukuran dari massa tiap satuan volume. Semakin besar massa jenis suatu objek, maka semakin besar pula massa tiap satuan volumenya.

2. Porositas

Porositas merupakan perbandingan antara volume pori total dengan volume total sampel. Volume pori dapat diketahui dengan metode saturasi air. Pada metode ini sampel ditimbang terlebih dahulu. Berat ini disebut berat kering (Wd). Sampel kemudian direndam di dalam air hingga seluruh pori dalam sampel terisi air. Sampel kemudian ditimbang kembali. Berat sampel pada saat basah ini disebut berat basah (Ww). Porositas dapat dihitung dengan persamaan yang melibatkan berat kering dan berat basah.

Metode BET (Brunaeur-Emmet-Teller)

Metode ini menganggap bahwa permukaan hanya dilapisi oleh satu molekul saja, maka molekul-molekul gas ini berada dalam kesetimbangan dinamis. Ini berarti jika terdapat dua atau lebih lapisan, maka molekul padatan yang paling atas berada pada kesetimbangan dalam fase uap padatan. Bentuk isoterm tergantung pada macam gas adsorbat, sifat adsorben dan struktur pori. Peristiwa pelepasan molekul, ion dari permukaan zat padat yang telah berikatan dengan gugus aktif adsorben disebut dengan desorpsi. Gejala yang diamati pada desorpsi berupa desorpsi lapisan molekul tunggal, adsorpsi lapisan molekul ganda dan kondensasi kapiler. Persamaan BET dapat ditulis sebagai berikut :

Dimana W= Berat yang diserap (adsorbed) pada tekanan relative P/Po, Wm = Berat gas nitrogen (adsorbate) yang membentuk lapisan monolayer pada permukaan zat, P = Tekanan kesetimbangan adsorbs, Po= Tekanan penjenuhan adsorpsi-desorpsi cuplikan pada suhu rendaman pendingin, C = konstanta energi. Persamaan BET akan merupakan garis lurus bila dibuat grafik 1/[W(P/Po-1)] versus P/Po. Prosedur standar multipoint BET diperlukan minimal 3 titik kisaran tekanan relative yang tepat. Berat gas nitrogen yang membentuk lapisan tipis (monolayer) Wm dapat ditentukan dari slope (s) dan intersep (i) pada grafik BET dari persamaan yang didapatkan :

Dimana : Wm = 1/(slope + intercept). Selanjutnya pada aplikasi metode BET adalah menghitung luas muka. Untuk itu perlu diketahui luas muka cross section dari molekul gas nitrogen (adsorben), luas muka total (St) dari cuplikan adalah: St = (Wm * N * Acs) / M, dimana N = bilangan Avogadro (6,203x10^23 molekul/mol), M = berat molekul dari gas nitrogen, Wm = berat gas nitrogen (gram), Acs = Cross sectional area for nitrogen (10,2 Å). Luas muka spesifik (s) dapat dihitung dari luas muka total (st) dibagi dengan berat cuplikan (bc) sehingga didapat persamaannya sebagai berikut: S = St / Bc.

Zeolit merupakan mineral alumina silikat terhidrat yang tersusun atas tetrahedral- tetrahedral alumina (AlO4^5-) dan silika (SiO4^4-) yang membentuk struktur terbuka/berpori dan berongga. Muatan negatif pada kerangka zeolit dinetralkan oleh kation yang terikat lemah. Selain kation, rongga zeolit juga terisi oleh molekul air yang berkoordinasi dengan kation. Rumus umum zeolit adalah Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O. Dimana M adalah kation bervalensi n, (AlO2)x(SiO2)y adalah kerangka zeolit yang bermuatan negatif dan H2O adalah molekul air yang terhidrat dalam kerangka zeolit. Zeolit pada umumnya dapat dibedakan menjadi dua, yaitu zeolit alam dan zeolit sintetik. Zeolit alam biasanya mengandung kation-kation K+,Na+, Ca2+ atau Mg2+ sedangkan zeolit sintetik biasanya hanya mengandung kation-kation K+ atau Na+. Pada zeolit alam, adanya molekul air dalam pori dan oksida bebas di permukaan seperti Al2O3, SiO2, CaO, MgO, Na2O, K2O dapat menutupi pori-pori atau situs aktif dari zeolite sehingga dapat menurunkan kapasitas adsorpsi maupun sifat katalisis dari zeolit tersebut. Inilah alasan mengapa zeolit alam perlu diaktivasi terlebih dahulu sebelum digunakan. Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan secara fisika maupun kimia. Secara fisika, aktivasi dapat dilakukan dengan pemanasan pada suhu 300-400 oC dengan udara panas atau dengan sistem vakum untuk melepaskan molekul air. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui pencucian zeolit dengan larutan Na2EDTA atau asam-asam anorganik seperti HF, HCl dan H2SO4 untuk menghilangkan oksida-oksida pengotor yang menutupi permukaan pori.

Metodologi

Alat dan Bahan

Bahan: Gas N2, N2 cair, Zeolit alam termodifikasi. Alat: Timbangan digital, Satu set “Sampel Sell”, Satu set alat SAA.

Prosedur Kerja

1. Persiapan Alat: Kabel disambungkan pada sumber tegangan dan pastikan semua kabel dan komputer tersambung, kemudian vakum dinyalakan, tekan Switch Power dan nyalakan komputer.
2. Preparasi sampel: Untuk preparasi sampel degassing, pertama adalah menimbang sampel 0,0672 gram dan memasukkannnya dalam sampel cell yang bersih, kemudian menyusun sampel cell dalam tempat degassing. Menyalakan heating mantle, atur temperaturnya. setelah itu buka load menu degass tekan tombol ESC. Atur kecepatan keluarnya gelembung gas N2, 3-5 gelembung/detik. Masukkan metal flow tube dalam sample, dan tunggu hingga tidak ada uap yang keluar kemudian putar valve dan matikan heating mantle.
3. Analisa sampel: Sampel sel dimasukan batang kuarsa kemudian di set pada holder station dengan urutan o-ring, adaptor slave dan knurled retainer ring, kemudian menuangkan nitrogen cair kedalam dewar dan diset alatnya, setelah itu jalankan file NovaWin distart program dan login dengan user Nova, klik operation dan pilih start analisis. Lakukan penyetingan parameter dan point pada TAB sample.
4. Mencetak Hasil Analisa: Open file yang telah dianalisa dan cetak sebagai PDF, beri nama dan simpan file, untuk melihat grafik dan tabel klik kanan pada grafik.
5. Mematikan instrumen: Memastikan terlebih dahulu bahwa sample cell telah dilepas dan menutup software NovaWin. Matikan vacum dan tutup katub dengan menekan tombol Switch Power, matikan instrumen. Matikan komputer dan cabut semua kabel.

Hasil dan Analisis Data

Luas area menurut instrument: 127,639 m2/g

Luas area menurut perhitungan:

Persamaan Regresi : Y = 18.819x + 8.4646. Slope = 18.819, Intercept = 8.4646, R2 = 0.9637. Wm = 1/(slope + intercept) = 1/(18.819+8.4646) = 0.03665205 m2/g. Luas permukaan total (St) = Wm * N * Acs / M. Dengan asumsi N, Acs, M tertentu, diperoleh St = 127.5998 m2/g. S = St/Bc = 127.5998 / 0.0672 = 1898.807 m2/g.

Pembahasan

Pada prinsipnya alat surface area analyzer sangat mudah dioperasikan. Sebelum analisa, kita hanya menentukan berapa titik adsorpsi yang ingin kita ukur (dinyatakan dalam nilai P/Po). Nantinya alat akan mengukur berapa banyak gas yang terjerap pada tiap titik P/Po yang kita masukkan sebelumnya kemudian data akan dinyatakan dalam table grafik isotherm adsorpsi. Setelah didapat titik-titik data tersebut maka didalam alat sudah dibekali dengan software penghitung cukup lengkap tinggal kita tentukan ingin dihitung apa dengan metode apa. Pada penelitian ini metode yang digunakan adalah BET. Berdasarkan data hasil penelitian dengan menggunakan alat SAA, diperoleh Luas Permukaan sebesar 127,639 m²/g, sedangkan berdasarkan analisis dengan perhitungan dari persamaan regresi liniernya yaitu y = 18,81x + 8,464 dan R2 = 0,963 diperoleh Luas Permukaan Total dari sampel Zeolit alam sebesar (St) = 127,5998 m²/g, dan Luas Permukaan Spesifik sebesar 1898.807 m2/g. Dari keduanya maka dihasilkan selisih luas permukaan sebesar 0,0392 m2/g, dimana luas permukaan dari instrument AAS yang dihasilkan lebih besar. Dari selisih tersebut menunjukkan bahwa hasil analisis luas permukaan dengan metode BET menggunakan instrument AAS menunjukkan hasil yang baik.

Pada penelitian kali ini digunakan sampel zeolite alam termodifikasi sebanyak 0.0672 g dengan proses deggasing selama 120 menit pada temperatur untuk menghilangkan gas–gas yang terserap pada permukaan padatan atau permukaan pori-pori dengan cara memanaskan dalam kondisi vakum. SAA akan mengukur berapa banyak gas yang terjerap pada tiap titik p/po yang diinputkan, kemudian data dinyatakan dalam table atau grafik isotherm adsorpsi.

Simpulan

Dari hasil analisis berdasarkan kurva yang dihasilkan, diperoleh luas permukaan zeolit alam termodifikasi sebesar 127,639 m2/g. Sedangkan berdasarkan perhitungan luas permukaan total zeolit alam termodifikasi sebesar 127,5998 m2/g dan luas permukaan spesifiknya sebesar 1898.807 m2/g.

Daftar Pustaka

• Gregg, S.J. and Sing, K.S.W. 1982. Adsorpsi, Surface and Porosity, 2 ed. London : Academic Press.
• Martin. A. Swarbrik, J., dan Cammarata, A. 1993. Farmasi Fisik Dasar-Dasar Farmasi Fisik dalam Ilmu Farmasi. Jakarta :Universitas Indonesia.
• Jankwoska, H., Swiatkowski, A., and J. Choma. 1991. Activated Carbon. England : Ellis Howood Limited.
• Vooys, F. 1983. The Pore Zise Distribution of Activated Carbon In Activated Carbon a Fascinating Material. Netherland: Norit N. V.