Zeolit: Tinjauan Literatur

Pendahuluan

Zeolit merupakan mineral istimewa, karena struktur kristalnya sangat unik yaitu mudah diatur, sehingga sifat zeolit dapat dimodifikasi sesuai dengan keperluan pemakai. Karena keistimewaan itu, maka zeolit dapat digunakan dalam berbagai bidang kegiatan yang luas.

Istilah zeolit berasal dari kata “zein” (bahasa yunani) yang berarti membuih dan “lithos” berarti batu. Nama ini sesuai dengan sifat zeolit yang akan membuih bila dipanaskan pada 100⁰C.

Zeolit merupakan mineral yang terdiri dari Kristal aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensinya. Ion-ion logam tersebut dapat diganti oleh kation lain tanpa merusak struktur zeolit dan dapat menyerap air secara reversibel.

Kerangka dasar struktur zeolit terdiri dari unit-unit tetrahedral ALO₄ dan SiO₄ yang saling berhubungan melalui atom O dan di dalam struktur tersebut Si⁴⁺ dapat diganti dengan AL³⁺, sehingga rumus empiris zeolit menjadi:

M₂nO. Al₂O₃. x SiO₂. y H₂O

M = kation alkali atau alkali tanah

n = valensi logam alkali

x = bilangan tertentu (2 s/d 10)

y = bilangan tertentu (2 s/d 7)

Jadi zeolit terdiri dari 3 komponen yaitu: kation yang dipertukarkan; kerangka aluminosilikat; dan fase air. Ikatan ion Al-si-O membentuk struktur Kristal, sedangkan logam alkali merupakan sumber kation yang mudah dipertukarkan.

Sifat-sifat

Zeolit mempunyai struktur berongga dan biasanya rongga itu diisi oleh air dan kation yang bias dpertukarkan dan memiliki ukuran pori yang tertentu. Oleh sebab itu dapat dimanfaatkan sebagai: penyaring molekuler, penukar ion, penyerap bahan dan katalisator.

Sifat zeolit meliputi:

a.      Dehidrasi

Sifat dehidrasi dari zeolit akan berpengaruh terhadap sifat adsorpsinya. Zeolit dapat melepaskan molekul air dari dalam rongga permukaan yang menyebabkan medan listrik meluas ke dalam rongga utama dan akan efektif terinteraksi dengan molekul yang akan diadsorpsi. Jumlah molekul air sesuai dengan jumlah pori-pori atau volume ruang hampa yang akan terbentuk bila unit sel kristal zeolit tersebut dipanaskan.

b.      Adsorpsi

Dalam keadaan normal, ruang hampa dalam kristal zeolit terisi oleh molekul air bebas yang berada di sekitar kation. Bila kristal zeolit dipanaskan pada suhu 300⁰C-400⁰C maka air tersebut akan keluar sehingga zeolit dapat berfungsi sebagai penyerap gas atau cairan. Beberapa beberapa jenis mineral zeolit mampu menyerap gas sebanyak 30% dari beratnya dalam keadaan kering.

Selain mampu menyerap gas atau zat, zeolit juga mampu memisahkan molekul zat berdasarkan ukuran dan kepolarannya. Meskipun ada dua molekul atau lebih yang dapat melintas, hanya sebuah saja yang dapat lolos karena adanya pengaruh kutub antara molekul zeolit dengan zat tersebut.  Molekul yang tidak jenuh atau mempunyai kutub akan lebih mudah lolos dari pada yang tidak terkutub atau yang jenuh.

Selektivitas adsorpsi zeolit terhadap ukuran molekul tertentu dapat disesuaikan dengan jalan: penukar kation; dekationisasi; dealuminasi secara hidrotermal; dan pengubahan perbandingan kadar Si dan Al.

Sebagai contoh: modernit sintetik yang telah didealuminasi secara asam dapat menaikkan perbandingan SiO₂/Al₂O₃ menjadi kurang dari 100, yang berakibat daya adsorpsi terhadap air turun drastis dan zeolit akan bersifat hidropobik.

c.       Penukar ion

Ion-ion rongga atau kerangka elektrolit berguna untuk menjaga kenetralan zeolit. Ion-ion ini dapat bergerak bebas sehingga pertukaran ion yang terjadi tergantung dari ukuran dan muatan maupun jenis zeolitnya.

Sifat sebagai penukar ion dari zeolit antara lain tergantung dari: sifat kation, suhu, dan jenis anion. Penukaran kation dapat menyebabkan perubahan beberapa sifat zeolit seperti stabilitas terhadap panas, sifat adsorpsi dan aktivitas katalitis.

d.      Katalis

Ciri paling khusus dari zeolit yang secara praktis akan menentukan sifat khusus mineral ini adalah adanya ruang kosong yang akan membentuk saluran di dalam strukturnya. Bila zeolit digunakan pada proses penyerapan atau katalitis maka akan terjadi difusi molekul ke dalam ruang bebas di antara kristal. Dengan demikian dimensi serta lokasi saluran sangat penting. Reaksi kimia juga terjadi di permukaan saluran tersebut.

Tabel 1. Data dasar struktur zeolit

Jenis zeolit (IUPAC code)	Simetri	Unit dalam bangunan sekunder	Simetri saluran pada zeolit hidrat
			dimensi	Jumlah tertahedral	arah	Lubang bebas, nm
ANA	Kubus	4 atau 6	1	6	[111]	0,26
CHA	Rombohedral/ triklinis	6-6 atau 4	3	8	[0001]	0,36x0,37
ERI	Heksagonal	6 atau 4	3	8	[0001]	0,35x0,52
FAU	Kubus	6-6 atau 2	3	12	(111)	0,74
FER	Ortorombis	5-1	2	10	[001]	0,43x0,55
GME	Heksagonal	6-6 atau 4	3	12	[0001]	0,70
HEU	Monoklinis	4-4-1	2	10	[001]	0,44x0,72
LAU	Monoklinis	4	1	10	[100]	0,40x0,56
MOR	Ortorombis	5-1	2	12	[001]	0,67x0,70
NAT	Ortorombis	4-1	3	8	(101)	0,26x0,39
PHI	Monoklinis	4	3	8	[100]	0,42x0,44

           

Keterangan:

ANA= analkin; CHA= kabasit; ERI= erionit; FAU= faujasit; FER= ferrit; GME= gmelinit; HEU= heulandit; LAU= laumonit; MOR= mordenit; NAT= natrolit; PHI= filipsit

Sumber: Tsitsishvili, G. V. et al. Natural Zeolites. England: ellis Horwood Limited, 1992. P. 4-6 (table 1.1) and p. 8-9 (1.2)

Zeolit merupakan katalisator yang baik karena mempunyai pori-pori yang besar dengan permukaan yang maksimum.

Berdasarkan data kristalografi, dimensi saluran serta jumlah tetrahedral di dalam cincin disajikan dalam tabel 1, tetapi yang dicantumkan hanya saluran utama saja tidak termasuk saluran yang tidak dapat dilewati. Sistem tersebut juga hanya berlaku untuk spesimen terhidrat, karena saluran akan berubah bila zeolit didehidrasi.

Sistem saluran ada 3 macam yaitu satu, dua dan tiga dimensi. Pada saluran 3 dimensi, molekul yang berdifusi dapat bergerak ke semua arah atau semua sisi kristal. Saluran 2 dimensi memberikan kemungkinan molekul berdifusi ke dua arah atau dalam satu bidang datar, sedangkan pada saluran 1 dimensi molekul hanya dapat bergerak ke satu arah saja.

Saluran ini akan berulang tergantung dari sistem simetri kristal.

e.      Penyaring/pemisah

Meskipun banyak media berpori yang dapat digunakan sebagai penyerap atau pemisah campuran uap atau cairan, tetapi distribusi diameter dari pori-pori media tersebut tidak cukup selektif seperti halnya penyaring molekul (zeolit) yang mampu memisahkan bedasarkan perbedaan ukuran, bentuk, dan polaritas dari molekul yang disaring. Contohnya: pori-pori dari zeolit A berbentuk sirkuler, dapat memisahkan n-parafin dari campuran hidrokarbon. Pori-pori dari zeolit B berbentuk elips.

Zeolit dapat memisahkan molekul gas atau zat lain dari suatu campuran tertentu karena mempunyai ruang hampa yang cukup besar dengan garis tengah yang bermacam-macam (berkisar antara 2 A s/d 8 A, tergantung dari jenis zeolit). Volume dan ukuran garis tengah ruang hampa dalam kisi-kisi kristal ini menjadi dasar kemampuan zeolit untuk bertindak sebagai penyaring molekul. Molekul yang berukuran lebih kecil akan melintas sedangkan yang berukuran lebih besar dari ruang hampa akan tertahan atau ditolak. Hubungan antara ukuran garis tengah ruang hampa zeolit dengan molekul gas/zat lain yang dapat melintas atau tertahan ditunjukkan oleh tabel 2.

Tabel 2. Hubungan antara garis tengah ruang hampa dalam zeolit dengan molekul-molekul beberapa jenis gas

Garis tengah ruang hampa	Molekul gas yang dapat melintas	Molekul gas yang tertahan atau ditolak
3 A	H2O, NH3, He (diameter<3 A)	CH4, C02, C2H2, O2, H2S, C2H5OH (diameter>3 A)
4 A	H2S, CO2, C2H6, C3H6, C2H5OH, C4H6 (diameter<4 A)	C3H8, minyak kompresor (diameter >4 A)
5 A	n-Parafin, n-Olefins, N-C2H5OH	Ikatan iso dan karbon kwarto (diameter 5 A)
8 A	Iso-Parafin, Isoolefins (diameter<8 A)	di-n-butylamina (diameter >8 A)
10 A	Di-n-Butylamina (diameter<10 A)	(C4F9)3N (diameter >10 A)

Sumber: Breck, D. W. Zeolite molecular sieves. New York: John Wiley & Sons. 1974. 771 pp.

Sumber Buku:

Zeolit: tinjauan literatur / penyusun Mursi Sutarti, Minta Rachmawati. - - Jakarta: Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmiah, 1994.