SINTESIS SILIKA AEROGEL BERBAHAN DASAR
LIMBAH ORGANIK
1. Pendahuluan
Aerogel adalah material padat yang memiliki massa jenis rendah yang
berasal dari gel yang komponen cair dari gel tersebut telah berubah menjadi
gas. Aerogel mengandung 99,8% udara dan aerogel lebih ringan daripada udara.
Aerogel memiliki banyak julukan, seperti asap beku (Frozen Smoke), asap padat
(Solid Smoke) atau asap biru (Blue Smoke) karena sifat tembus dan
mencerai-beraikan cahaya, namun, ketika disentuh rasanya seperti polystyrene
(Styrofoam). Aerogel memiliki kepadatan terendah dan luas permukaan internal
tertinggi dari setiap material padat yang ada, sehingga aerogel menjadi
material yang memiliki kinerja yang sangat tinggi untuk tumbukan, isolasi redaman,
akustik dan termal, struktur pendukung dan kimia permukaan. Material ini
pertama kali ditemukan pada tahun 1930 oleh Samuel Stephens Kistler, tapi
sangat rapuh dan tidak bisa dibentuk. Aerogel secara tradisional mahal dan
sulit untuk memproduksinya. Namun saat ini sudah banyak penelitian yang
berhasil mensintesis aerogel yang lebih fleksibel sehingga tidak mudah pecah.
Aerogel banyak diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari seperti bahan tahan
api (Oven, panggangan, tungku pembakaran), bahan isolasi (panas atau dingin)
seperti pada mobil (pipa udara masuk, mesin, knalpot, manifold), pakaian, pada
rumah seperti tungku pembakaran, panggangan, dapur, oven, panci dan wajan,
pendingin dan kulkas, pipa saluran udara, dinding, jendela
Salah satu jenis aerogel yang banyak dipelajari adalah silika aerogel
berbahan silika gel. Silika
aerogel merupakan bahan keramik yang sangat porous dan secara kimia bersifat
inert. Silika aerogel biasanya merupakan produk dari proses sol-gel, yang tahap
akhirnya melibatkan penghilangan pelarut yang mengisi pori, biasanya dengan
pengeringan menggunakan karbondioksida superkritis. Densitas silika aerogel
sangat rendah, bisa mencapai 0,002 g/cm3. Aerogel telah
dipertimbangkan untuk isolasi panas, penyangga katalis, atau sebagai penyangga
untuk berbagai macam bahan fungsional untuk aplikasi kimia, elektronik dan
optik. Akan tetapi aplikasi praktis berjalan sangat lambat karena aerogel rapuh
dan higroskopis, menyerap air dari udara yang mengarah kepada keruntuhan karena
gaya-gaya kapiler yang berkembang dalam pori. Silika aerogel disintesis
dengan menggunakan metode sol-gel, yang melibatkan sistem “sol” cair menjadi
fase padat “gel”. Proses sol-gel biasanya dibagi menjadi langkah-langkah
berikut : membentuk larutan, proses gelasi, proses penuaan (aging),
pengeringan, dan densifikasi.
Silika gel yang
merupakan bahan pembuatan silika aerogel dapat dibuat dari larutan caustic
silicate misalnya larutan sodium silikat dengan penambahan asam misalnya
hidrochloric acid (HCl). Sodium silikat yang biasa digunakan dalam pembuatan
silika gel dapat dibeli secara komersial dan hal itu membutuhkan biaya yang
banyak maka dari itu perlu dikembangkan bahan baku alternatif yang bisa
digunakan sebagai sumber silika, salah satunya yaitu penggunaan limbah organik
seperti abu baggase (abu ampas tebu) dan lumpur lapindo.
2. Hasil dan Pembahasan
Abu bagasse
merupakan hasil pembakaran bagasse di boiler (ketel). Dari hasil analisa XRF
terhadap abu bagasse dan lumpur lapindo diketahui bahwa dalam abu bagasse dan
lumpur lapindo memiliki kandungan mineral silika yang banyak sekitar 55,5% dan 53,08%. Karena kandungan silika yang
besar tersebut maka abu bagasse dan lumpur lapindo berpotensi sebagai bahan baku
pembuatan silika gel sehingga mempunyai nilai tambah yang lebih dengan
memanfaatkan limbah padat yang yang tidak terpakai.
Silika gel dapat
dibuat dari larutan caustic silicate misalnya larutan sodium silikat
dengan penambahan asam misalnya hidrochloric acid (HCl). Sodium silikat adalah
sumber silika yang paling murah meskipun sumber alami dapat juga dipakai.
Secara komersial sodium silikat dapat dibuat dengan cara menggabungkan soda ash
dengan pasir silika dalam furnace pada suhu 1300°C – 1500°C. Tetapi pembuatan sodium
silikat ini membutuhkan energi yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan
suatu metode yang sederhana dan tidak membutuhkan energi yang besar untuk
menghasilkan sodium silikat yang merupakan bahan baku pembuatan silika gel (Affandi.
dkk, 2009).
Proses sintesis
silika aerogel ini menggunakan teknik ambient pressure drying (APD)
sehingga tidak membutuhkan tekanan dan suhu yang tinggi.Teknik APD harus
didahului dengan proses modifikasi pada permukaan silika aerogel menggunakan surface
modifying agent sehingga silika aerogel bersifat hidrofobik dan reaksi
kondensasi tidak terjadi selama proses pengeringan. Salah satu contoh surface
modifying agent yaitu trimethylchlorosilane (TMCS) dan hexamethyldisilazane
(HMDS). Semakin besar kadar TMCS yang digunakan maka akan meningkatkan surface
area dan hidrofobisitas silika aerogel.
a. Sintesis silika aerogel dari abu baggase
Sebelum mensintesis
silika aerogel dari abu baggase, terlebih dahulu membuat larutan asam silicic
yaitu abu bagasse sebanyak 10 gram diekstraksi dengan
menggunakan larutan 60 ml NaOH 2N pada suhu didihnya selama 1 jam. Kemudian
campuran didinginkan pada suhu ruang dan disaring dengan menggunakan kertas
saring bebas abu. Hasil penyaringan ini menghasilkan residu yang kemudian
dibuang dan filtrat berupa natrium silikat (Na2O.SiO2).
Filtrat yang berupa larutan sodium silikat dicampur dengan resin penukar ion H+
untuk mempertukarkan ion Na+ dengan ion H+ sehingga
diperoleh larutan asam silicic dengan pH 2. Pada saat pencampuran,
dilakukan pengadukan kuat dan konstan agar tidak terjadi gelling.
Selanjutnya, setelah larutan asam silicic yang terbentuk memiliki pH 2 ditambahkan surface
modifying agent yaitu trimethylclorosilane (TMCS) dan hexamethyldisilazane
(HMDS) pada berbagai volume dengan interval penambahan antara TMCS dan HMDS
yaitu 15 menit dan 30 menit. Sol silika yang sudah jadi kemudian ditambahkan ke
dalam n-hexane (300 mL dalam 1 L volume beaker) tetes demi tetes, dengan
putaran konstan berkecepatan 400 rpm. Pyridine sebanyak 2 mL ditambahkan
tetes demi tetes ke dalam larutan tersebut, hingga terbentuk gelation.
Hidrogel yang terbentuk kemudian di-aging pada suhu 40°C selama 18 jam
untuk penguatan jaringan dan dikeringkan pada tekanan ambient pada suhu 65°C
selama 1 jam. Pengeringan lebih lanjut dilakukan pada suhu 100°C selama 1 jam
untuk mendapatkan silika aerogel kering.
b. Sintesis silika aerogel dari lumpur lapindo
Ada beberapa tahap yang perlu dilakukan dalam mensintesis silika aerogel dari lumpur
lapindo di antaranya:
Prosedur preparasi sampel
Sampel lumpur Lapindo dikeringkan dalam oven dengan
temperatur 110°C selama 24 jam kemudian ditumbuk dan dikalsinasi di dalam tanur
pada suhu 900°C selama satu jam.Selanjutnya sampel ditumbuk di dalam mortar.
Hasil tumbukan diayak menggunakan ayakanberukuran 100 mesh sehingga diperoleh
sampel terkalsinasi berupa lumpur halus.
Proses ekstraksi silika
Sebanyak 10 gram lumpur halus dimasukkan kedalam gelas kimia
250 mL kemudian ditambahkan 100 mL larutan NaOH 3 M. Campuran tersebut kemudian
dipanaskan pada temperatur 98ºC selama satu jam sambil diaduk dengan pengaduk
magnet. Setelah itu filtrat dipisahkan dari endapan dengan menyaring campuran
menggunakan kertas saring Whatman no. 42. Filtrat hasil penyaringan kemudian
ditambah dengan HCl 1 M secara perlahan-lahan hingga pH 4 dan terbentuk endapan
putih. Selanjutnya endapan dipisahkan dari larutannya melalui proses
penyaringan dengan kertas saring. Endapan yang diperoleh pada kertas saring tersebut
dicuci dengan 300 mL aquades sehingga akhirnya diperoleh hidrogel silika.
Pembuatan gel silika
Hidrogel silika selanjutnya dimasukkan dalam gelas kimia 100
mL dan ditambahkan 25 mL aquades, lalu diaduk dengan pengaduk stirrer hingga
larutan homogen. Kemudian dimasukkan dalam 3 tabung syringe yang
ujungnya telah dipotong sebanyak masing-masing 8 mL. Selanjutnya larutan dioven
pada suhu 80ºC hingga volume gel 5 mL lalu didiamkan selama tiga hari hingga
didapat gel silika yang padat. Gel silika kemudian ditimbang dan dihitung
besarnya densitas.
Pembuatan aerogel silika
Gel silika yang didapat dicuci dengan metanol selama 24 jam
pada temperatur 50ºC sehingga dihasilkan alkogel. Alkogel tersebut kemudian
dimasukkan dalam larutan campuran metanol, TMCS, dan heksana yang masing-masing
sebanyak 4 mL selama 24 jam pada temperatur 50ºC. Larutan TMCS yang ditambahkan
bervariasi yaitu 2, 4, dan 8 mL. Kemudian gel silika dikeluarkan. Gel yang
didapat selanjutnya dikeringkan pada temperatur ruang selama 24 jam. Kemudian dipanaskan
dengan temperatur 50ºC selama dua jam dan 120ºC selama satu jam pada tekanan
ruang untuk mendapatkan aerogel silika.
c.
Karakteristik Silika Aerogel
yang dihasilkan
Dalam hal ini
digunakan HMDS (hexamethyldisilazane) dan TMCS (trimethylchlorosilane) sebagai agen pemodifikasi. Bentuk fisik
dari silika aerogel yang disintesis dari abu bagasse dan lumpur lapindo dengan
metode co-precursor dipengaruhi
oleh berbagai rasio volume modifiying agent yang dipakai. Berdasarkan penelitian
yang dilakukan penambahan jumlah TMCS dan HMDS cenderung menyebabkan
silika aerogel yang dihasilkan berbentuk serbuk.
Pengukuran
hidrofobisitas aerogel dilakukan melalui pengukuran sudut kontak (θ) satu tetes
air yang diletakkan di atas permukaan aerogel. Sifat hidrofobik dari silika
aerogel dapat ditingkatkan dengan penambahan silylating agent, misalnya
TMCS dan HMDS selama proses sol-gel (Dorcheh dkk., 2008). Dari hasil penelitian
menunjukkan bahwa makin besar kadar TMCS dan HMDS yang di tambahkan,
makin besar sudut kontaknya. Tingkat hidrofobisitas diindikasikan dengan
besarnya sudut kontak sehingga makin besar kadar TMCS makin hidrofob silika
yang dihasilkan dan semakin besar interval waktu penambahan antara TMCS dan
HMDS hampir tidak mempengaruhi tingkat hidrofobisitasnya.
Melalui analisis
Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectroscopic yang hasilnya perpindahan
gugus –Si(CH3)3 ke jaringan tersebut dikonfirmasi oleh
semakin tajamnya puncak gugus Si– CH3 yang muncul seiring
bertambahnya kadar TMCS dan HMDS, yaitu pada daerah 794,7 dan 1334,78 cm-1
untuk silika aerogel dari abu baggase, sedangkan untuk silika aerogel dari
lumpur lapindo menunjukkan bilangan gelombang
848,62; 1379,01; dan 2962,46 cm-1.
Penambahan HMDS
dan TMCS sebagai pemodifikasi permukaan dengan interval waktu penambahan yang
besar mampu meningkatkan luas permukaan partikel. Selama proses modifikasi
permukaan, interval waktu penambahan antara TMCS dan HMDS yang besar
menyebabkan semakin banyak gugus (─CH3) yang bisa menggantikan H
pada gugus (─OH). Pada silika aerogel dari abu baggase, interval waktu
penambahan antara TMCS dan HMDS dengan waktu yang lama menghasilkan luas
permukaan yang lebih besar dengan perbandingan TMCS : HMDS = 0,04 : 0,06
menghasilkan luas permukaan sebesar 1153,501 m2/g dengan morfologi
berbentuk serbuk kasar. Karakteristik volume
pori silika aerogel yang dihasilkan semakin bertambah hingga menjadi 15,27 %.
Volume pori terbesar diperoleh oleh silika aerogel dengan rasio volume SA :
TMCS : HMDS = 1 : 0,04 : 0,06, yaitu sebesar 1,119 cm3/g. Sedangkan
untuk diameter pori adalah 10,43 nm. Berdasarkan tipe pori yang didefinisikan
oleh IUPAC, maka dapat disimpulkan bahwa partikel silika aerogel yang dihasilkan
dalam penelitian ini termasuk mesopori.
Silika aerogel dari lumpur lapindo, semakin banyak TMCS yang
ditambahkan maka tingkat hidrofobitas semakin besar. Aerogel silika tidak larut
dalam HCl, NaOH, heksana, dan metanol tetapi larut dalam TMCS. Dan rasio mol H2SiO3
: TMCS yang menghasilkan sifat hidrofobitas pada aerogel adalah 1:0,82
dan 1:1,65. Volume penambahan TMCS terhadap gel silika dengan densitas 0,981 yang
menghasilkan morfologi dan hidrofobitas terbaik adalah sebesar 4 mL.
3. Keunggulan
Pada penelitian terdapat beberapa keunggulan
seperti :
a.
Penggunaan
abu baggase dan lumpur lapindo sebagai bahan baku pembuatan silika gel yang
ekonomis sekaligus memanfaatkan limbah.
b.
Penggunaan
metode sol-gel juga memiliki beberapa keunggulan, yakni kemurnian produk tinggi
dan suhu sintesis rendah.
c.
Penggunaan prekursor hidrofilik natrium
silikat (Na2SiO3) lebih tidak berbahaya, efektif dan
ekonomis dibandingkan TEOS dan TMOS. Garam natrium yang merupakan produk
samping dari prekursor hidrofilik ini dapat dihilangkan melalui resin penukar
ion.
d.
Penggunaan
teknik pengeringan yang lebih sederhana, aman dan hemat biaya, yakni melalui
teknik ambient pressure dying/APD yang didahului proses pertukaran
pelarut. Proses pertukaran pelarut melibatkan modifikasi permukaan gel melalui
hidrofobisiasi permukaan gel menggunakan agen sililasi TMCS
(trimetilklorosilan). Melalui penambahan TMCS akan lebih mudah terbentuk
aerogel yang bersifat hidrofobik karena adanya gugus besar trimetilsilane pada
permukaan aerogel silika. Hal tersebut menyebabkan aerogel bersifat non polar
dan tak dapat bereaksi dengan air. Sifat hidrofobisitas aerogel yang tinggi
dapat diaplikasikan dalam berbagai keperluan, termasuk dalam pembuatan
nanomaterial pelapis kain anti air.
4. Kelemahan
Silika
gel yang diperoleh dari abu baggase dengan prosedur yang dikembangkan masih
memiliki kemurnian yang relatif rendah, sekitar 95%. Zat pengotor yang terdapat
didalam silika gel terutama berupa mineral-mineral
yang dari awal telah terkandung dalam abu baggase. Untuk selanjutnya perlu
dipikirkan cara yang efektif untuk mengurangi kadar zat pengotor tersebut
karena keberadaannya dapat mengganggu kinerja silika gel, misalnya bila
digunakan sebagai adsorbant. Penambahan
TMCS yang ditambahkan maka aerogel silika dari lumpur
lapindo cenderung rapuh karena pori yang terisi udara semakin banyak.
5. Daftar Pustaka
Affandi, S., Setyawan, H.,
Winardi, S., Purwanto, A., Balgis, R. (2009). A Facile Method for Production of
High Purity Silica Xerogel from Bagasse Ash, Advanced Powder Technology
: 468-472
Akhinov, A.F, Puspaning, D.
(2010). Sintesis Silika Aerogel
Berbasis Abu Bagasse dengan Pengeringan pada Tekanan Ambient, Seminar
Rekayasa Kimia dan Proses 2010.
Jurusan Teknik Kimia, Undip : Semarang.
Nazriati. (2011). Sintesis Silika Aerogel Dengan Bahan Abu
Bagasse. Reaktor, Vol. 13 No. 4, Desember 2011 : Hal. 220-224.
Patel, Rakesh P., Purohit, Nirav S., Suthar, Ajay M. (2009). An Overview
of Silica Aerogels. International Journal
of ChemTech Research. Vol. 1, No. 4 : Hal. 1052-1057.
Zaemi, H, Tjahjanto, R.T, Darjito. (2013). Sintesis Aerogel Silika Dari
Lumpur Lapindo Dengan Penambahan Trimetilklorosilan (TMCS). Kimia Student journal, Vol. 1, No. 2 :
Hal. 208-214.
