## AKTIVASI ZEOLIT SEBAGAI ADSORBEN GAS CO 2

## Isni Utami
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, UPN”Veteran ” Jawa timur Jl. Raya Rungkut Madya,Gunung Anyar, Surabaya 60294 Telepon (031) 8782179,  faks (031) 8782257 Email : isniutami@yahoo.com

## Abstrak
Aktivasi  zeolit  sebagai    adsorben    gas  CO 2 dari  biogas  dilakukan    secara  kimia  dan  fisika dengan  tujuan  menghilangkan  pengotor  organik  untuk  mendapatkan    bentuk  kation  dan  kerangka zeolit  yang  berbeda,Aktivasi  zeolit  ditujukan  untuk  modifikasi    zeolit  dan  memperbaiki    karakter zeolit.Secara  kimia  sebagai    activator    digunakan  H 2 SO 4 dengan  konsentrasi    bervariasi    pada rentang  5% s/d 30% dan secara fisika dilakukan kalsinasi  pada suhu  500 O C selama  4 jam. Proses adsorpsi dilakukan  dengan mengalirkan gas CO 2 sintetis 98,86% dari bagian bawah kolom adsorber berdiameter  5 cm dan tinggi 30 cm dengan  rate 0,0022 lt/menit s/d 0,0058 lt/menit, tinggi adsorben dalam kolom 28 cm dan  ukuran butir zeolit   -20/+28 mesh .Penelitian menghasilkan kondisi terbaik pada  aktivasi    kimia  H 2 SO 4 25%    dan    kalsinasi        meningkatkan  perbandingan  Si/Al  76,95%    dan peningkatan daya serap gas CO 2 75,5 %  pada  rate gas masuk adsorber 0,0022lt/menit.
Kata kunci : Adsorben, aktivasi, CO 2 , Zeolit

## ACTIVATION OF ZEOLITE FOR CO 2 ADSORBENT

## Abstract
The  activation  of  zeolites  as  an  adsorbent  for  capturing  CO 2 from  biogas  has  been  done chemically  and  physically  it  aims  at  removing  organic  impurities  and  obtaining  the  different  cation and zeolite frameworks.Furthermore zeolite activation was  intended to modification the zeolites and improve  its  zeolite  characteristics.The  chemically  treatment  is  using  H 2 SO 4 as  an  activator  with varying concentrations in the range of 5% - 30% and physically treatment is calcination at 500 °C for 4  hr.  Adsorption  process  carried  out by  flowing  CO 2 synthetic  gas  (98.86%)  from  the  bottom  of  the adsorber column with a flow rate of 0. 0022 lt / min until 0. 0058 lt / min. Absorber column have a diameter 5 cm and height of 30 cm, height of adsorbent 28 cm and the grain size of the zeolite  -20 /+ 28  mesh.  The  study  resulted  in  the  best  condition  in  chemical  activation  of  25%  H 2 SO 4 .  The calcination increasing ratio Si / Al 76,95% and CO 2 absorption capacity of about 75.5% at  flow rate adsorber  0.0022 lt/min.
Keywords : Adsorben, aktivasi, CO 2 , Zeolit

## PENDAHULUAN
Pengolahan  limbah  cair  vinasse  dari  industri fermentasi  alkohol  secara  anaerob  menggunakan lumpur  aktif  dari  pengolahan  kotoran  sapi    dapat menghasilkan  biogas  dengan  kadar  gas  methane (CH 4 )  42,89  –  58,06  %,  dan  carbon  dioksida 41,94%-58,11  %  (Isni    et  al.,2016).  Kadar  gas  CH 4 melebihi  60%  dapat  diperoleh  dengan  cara menghilangkan gas CO 2 menggunakan adsorben.Adsorben zeolit adalah material yang dapat
mengadsorpsi gas berdasarkan karakteristik porinya.Bahan berpori ini dipilih karena  mempunyai luas  permukaan  dalam  lebih  besar  dibandingkan dengan  luas  permukaan  luarnya  (  Ulku  and Cakicioglu,  1991).  Penggunaan  material  berpori seperti  sepiolit,  silika  dan  zeolit  sebagai  penyerap gas  telah  banyak  dilakukan  .  Kombinasi  Fe 2 O 3 dan Fe 3 O 4 dengan monmorillonit untuk mengadsorpsi gas H 2 S  dalam  biogas  dilakukan  oleh  (Truong  and Abatzoglou,  2005),  sedangkan  (Cosoli  et  al.,  2008) menggunakan  zeolit  jenis  faujasit  ,NaX  dan  NaY
sebagai  adsorben  untuk  menghilangkan  gas  H 2 S dalam  biogas.  Menurut  (Delgado  et  al.,2007)  untuk memisahkan  gas  CO 2 dari  campuran  gas    CH 4 dan CO 2 dilakukan dengan menggunakan sepiolit melalui pressure  swing  adsorption.Berdasarkan  penelitian terdahulu  zeolit  berpotensi  untuk  mengadsorpsi  gas. Zeolit  merupakan  senyawa  aluminosilikat  terhidrasi yang terdiri dari ikatan SiO 4 dan AlO 4 tetrahidra yang dihubungkan oleh atom oksigen membentuk kerangka .Pada kerangka zeolit,tiap atom Al bersifat negatif  dan  akan  dinetralkan  dengan  kation  yang mudah dipertukarkan. Kation yang mudah dipertukarkan yang ada pada kerangka zeolit ini akan berpengaruh dalam proses adsorpsi dan sifat  thermal zeolit  (Ozkan  and  Ulku  ,  2008).Selain  jenis  kation, kemampuan  adsorpsi  zeolit  juga  dipengaruhi  oleh perbandingan  Si/Al  dan  geometri  pori  pori  zeolit, termasuk  luas  permukaan  dalam  ,  distribusi  ukuran pori  dan  bentuk  pori  (  Ackley  et  al.,2003, Gruszkiewich  et  al.,2005).  Perubahan  rasio  Si/Al dari  zeolit  akan  mengubah  muatan  zeolit  sehingga pada  akhirnya  akan  mengubah  jumlah  kation penyeimbang.Lebih  sedikit  atom  Al  artinya  lebih sedikit  muatan  negatif  pada  zeolit  sehingga  lebih sedikit  pula  kation  penyeimbang  yang  ada  .  zeolit berkadar Si tinggi bersifat hidrofobik dan mempunyai affinitas terhadap hidrokarbon.
Mengingat  struktur  zeolit  yang  bervariasi dan  kemungkinan  besarnya  impurities  yang  ada, maka  sebelum  digunakan  zeolit  membutuhkan perlakuan awal yang disebut sebagai proses aktivasi.
Secara  umum  proses  aktivasi  terhadap  zeolit dilakukan  secara  fisik  salah  satunya  dengan pemanasan  selama  beberapa  jam  dan  secara  kimia dengan  asam  atau  basa.Proses  aktivasi  zeolit  secara kimia  dengan  asam  atau  basa  diperoleh  hasil  bahwa zeolit  yang  diaktivasi  dengan  basa  akan  menjadi lebih  polar  bila  dibandingkan  dengan  zeolit  yang diaktivasi  dengan  asam  (  Jozefaciuk  and  Bowanko, 2002).Perlakuan  dengan  asam  terhadap  zeolit  akan menyebabkan zeolit menjadi lebih hidrofob sehingga daya  adsorpsinya  terhadap  air  akan  berkurang (Sumin, et al.,2009).
Kemampuan  adsorpsi  gas  dipengaruhi  oleh tekstur adsorben .Adsorpsi gas memerlukan adsorben    dengan  ukuran    pori  mikro    (d < 20  Å) karena  gas  memiliki  ukuran  molekul  yang  kecil yakni  < 4Å  (Tagliabue et al.,2009). Proses adsorpsi gas oleh adsorben dipengaruhi oleh interaksi van der waals  yang berkaitan dengan  polarisabilitas  molekul adsorbat  dan  adsorben.  Semakin  luas  permukaan adsorben,  maka  interaksi  van  der  waals  lebih  sering terjadi  sehingga  penyerapan  gas  semakin  besar  ( Tagliabue  et  al.,2009).  Jika  ukuran  molekul sebanding  dengan  ukuran    pori  adsorben,  maka  gas akan  teradsorpsi  ke  dalam  adsorben  .  Peristiwa  ini disebut dengan mekanisme sterik ( Krungleviciute et al.,2008).
Aktivasi  zeolit  sebagai    adsorben    gas  CO 2 dari  biogas  dilakukan    secara  kimia  dan  fisika dengan  tujuan  menghilangkan  pengotor  organik untuk  mendapatkan    bentuk  kation  dan  kerangka zeolit  yang  berbeda,Aktivasi  zeolit  ditujukan  untuk modifikasi  sifat  sifat  zeolit  dan  memperbaiki karakter zeolit

## METODE PENELITIAN
Adsorpsi  CO 2 dengan  zeolit  dilakukan  di laboratorium  menggunakan alat seperti yang terlihat pada  Gambar  1.  Metode  adsorpsi  dilakukan  secara eksperimental  dalam  tiga  tahap.Tahap  pertama adalah perancangan kolom adsorber yang mempunyai  diameter  5  cm,  tinggi  30  cm  dan  tinggi adsorben  dalam  kolom  28  cm.  Tahap  kedua  adalah zeolit  yang  mempunyai  ukuran    butir  -20/+28  mesh diaktivasi  secara  kimia  menggunakan  asam  sulfat dengan  konsentrasi  bervariasi  pada  rentang  5%  s/d 30%,dan  aktivasi  secara  fisik  dilakukan  kalsinasi pada suhu 500 O C selama 4 jam. Tahap  ketiga proses adsorpsi  dilakukan  dengan  mengalirkan    gas  CO 2 sintetis  98,86%  dari  bagian  bawah  kolom  adasorber yang  berisi  adsorben  zeolit  dengan  rete  bervariasi pada rentang 0.0022 lt/menit s/d 0,0058 lt/menit. Gas keluar  adsorben  ditampung  dalam  gas  bag  untuk dianalisa kadar  gas CO 2..
Gambar 1. Diagram proses adsorpsi CO 2 dengan adsorben zeolit
Analisis  X-Ray  Difraction    zeolit  dilakukan untuk  untuk  mengetahui  mineral  penyusun  zeolit, sedangkan  analisis  komposisi  zeolit  menggunakan X–  Ray  Fluorosence.  Gas  keluar  dari  adsorben dianalisa  kadar gasnya menggunakan GC.

## Gambar  2. Diagram aktivasi zeolit

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi Kristal zeolit hasil analisa bahan baku  dengan    X-ray  Defraction  (XRD)  dapat diketahui jenis mineral penyusun zeolite.
Gambar 3. Hasil analisa XRD zeolite
Gambar  3.    menunjukkan  mineral  penyusun zeolite kebanyakan adalah modernit dan kuarsa.  Hal ini  dapat  dilihat  dari  puncak  tertinggi  zeolite  yang berada pada 2θ = 21,98 o (d = 4,04Å) , 2θ = 25,69 o (d =  3,47Å  )  ,  2θ  =  27,74 o (d  =  3,21θ)  ,sedangkan mineral    kuarsa  ditunjukkan  pada  2θ  =  26,35 o (d  = 3,38).  Menurut  referensi  mineral  modernit  memiliki puncak  khas  bidang  d 150 dengan  2θ  =22,2 o (d    = 4,004  Å)  ,  bidang  d 202 dengan  2θ  =25,63 o (d  = 3,476Å)    ,  dan  bidang  d 511 dengan  2θ  =27,67 o (d  = 3,223Å) Berdasarkan  data  data  tersebut  dapat disimpulkan  bahwa  jenis  zeolite  yang  digunakan adalah modernit.
Tabel 1. Karakterisasi XRF zeolite tanpa dan dengan aktivasi .
Ko mpo sisi Zeolit tanpa aktiva si Zeolit dengan aktivasi H 2 S O 4 5% H 2 S O 4 10% H 2 S O 4 15% H 2 S O 4 20% H 2 S O 4 25 % H 2 S O 4 30% Si 43,3 46 49 49,8  50,2  50,6  50,7 Al 7,8 5,8 5,7 5,5 5,4 5,2  5,22 Ca 11,7  15,9  13,8 15 12,4  13,1  14,4 K 12,3  10,4  10,6  10,3 10 9,22  10,2 Fe 8,75  7,25  6,7  6,57  6,24  5,07  6,26 Na 3,2 2,6 1,8 1,4 0,9 0,7  0,71
Gambar 4. Rasio  Si/Al tanpa dan dengan aktivasi
Berdasarkan  hasil    X  -  Ray  Fluorosense (XRF)  pada  Tabel  1.  menunjukkan  hasil  analisis bahwa  aktivasi  zeolite  mengakibatkan  penurunan kadar logam alkali alkali tanah dan besi ( Na,K , Ca dan Fe) , sedangkan rasio Si/Al  (Ackley et al.,2003, Gruszkiewich  et  al.,  2005).  Proses  aktivasi  kimia bertujuan  menjaga  stabilitas  struktur  pori  dan menghilangkan  alumina  dari  kerangka  zeolite. Aktivasi  dengan  H 2 SO 4 menyebabkan  penurunan kandungan  Al  pada  zeolite  disebabkan  karena adamya  proses  dealuminisasi,  dimana  proses terlepasnya  Al  didalam  kerangka  menjadi  diluar kerangka.  Penurunan  komposisi  Al  dalam  zeolite menyebabkan terjadinya peningkatan rasio Si/Al hal ini  sesuai  dengan  penelitian  (Jozefaciuk  and Bowanko,  2002).  Gambar    4.  menunjukkan  rasio Si/Al  tanpa  aktivasi  adalah  5,5  ,sedangkan  dengan aktivasi  rasio Si/Al mencapai 9,73 pada konsentrasi activator  H 2 SO 4 25 % . Peningkatan  rasio  Si/Al mengakibatkan penurunan  ukuran  pori  karena  rantai      Si-O    lebih pendek    daripada    rantai  Al–O  sehingga  ukuran kerangka  lebih  kecil.    Penurunan  pori  ini  juga disertai  peningkatan  luas  permukaan  sehingga meningkatkan  kontak  antara  adsorben  dan  adsorba). Kalsinasi bertujuan untuk menguapkan basa bronsted dan H 2 O serta mengatur tata letak atom yang tertukar sehingga terbentuk oksida logam yang stabil .
0 10 20 30 40 50 60 43.3 46 49 49.8 50.2 50.6 50.7 7.8 5.8 5.7 5.5 5.4 5.2 5.22 5.5 7.9 8.6 9.056 9.296 9.73 9.71 Si
Al
Si/Al
Zeolite tanpa activasi H 2 SO 4 5 % H 2 SO 4 10 % H 2 SO 4 15 % H 2 SO 4 20 % H 2 SO 4 25 % H 2 SO 4 30 %
Gambar 5. Prosentase gas CO 2 terserap zeolite terhadap  laju alir  CO 2 masuk adsorber
Laju  alir  CO 2 berpengaruh  didalam  proses adsorpsi, Gambar 5. menjelaskan tentang kemampuan
zeolite dalam mengadsorp CO 2 (Tagliabue  et  al.,2009). .Prosentase    CO 2 yang teradsorp  meningkat  dengan  semakin  kecilnya  laju alir    CO 2 masuk  adsorber.  Selisih  peningkatan prosentase  CO 2 yang  teradsorp    berkisar  5-11  % untuk  setiap  penurunan  laju  CO 2 masuk  adsorber pada rentang 0,0022 L/min s/d 0,0058 % L/min
Gambar 6. Prosentase gas CO 2 teradsorp zeolite terhadap   Konsentrasi  activator H 2 SO 4
Prosentase  gas  CO 2 yang    teradsorp meningkat dengan meningkatnya konsentrasi activator  H 2 SO 4 .  H 2 SO 4 dapat  melarutkan  pengotor yang  menutupi  pori,sehingga  pori  pori  zeolite menjadi  terbuka  dan  permukaannya  menjadi  lebih luas(Jozefaciuk  and  Bowanko,  2002).  Gambarr  6 menunjukkan  prosentase  gas  CO 2 teradsorp  zeolite meningkat dengan meningkatnya konsentrasi activator  H 2 SO 4 dan  mengalami  penurunan  pada kadar  activator  30%  .  Hal  ini  karena  asam  yang pekat menyebabkan banyaknya jumlah Al yang larut sehingga  banyak  atom  yang  keluar  dari  kerangka zeolite  yang    menyebabkan    rusaknya  struktur zeolite.Akibatnya daya adsorpsinya menurun.
Kondisi  terbaik  diperoleh  pada  aktivasi  zeolite dengan    konsentrasi  activator  H 2 SO 4 25%    daya serap tehadap gas CO 2 75,5%,  pada laju alir 0,0022 L/min.

## SIMPULAN
Aktivasi  zeolite  sebagai  adsorben  dilakukan  secara kimia  dan  fisik.  Kondisi  terbaik  diperoleh  pada perlakuan  zeolite  dengan  activator  H 2 SO 4 25%    dan kalsinasi  pada  suhu  500 0 C  selama  4  jam  dapat meningkatkan  perbandingan  Si/Al  76,95%.  Uji efektifitas  daya  serap  zeolite  terhadap  gas  CO 2 sebesar  75,5  %    pada      rate  gas  masuk  adsorber 0,0022 L/min

## DAFTAR PUSTAKA
Ackley,  M.W.,  Rege,S.U.,  and  Saxena,H.,  2003, Application  of  natural  zeolites  in  the purification and separation of gases, Journal microporous and mrsoporous materials,61,pp.25-42
Cosoli,P.,  Ferrone,M.,  and  Fermeglia  ,  M.,  2008 Hydrogen  Sulphpide  removal  from  biogas by zeolit adsorption Part I.GCMC
molecular simulation , Chemical Engineering Journal , 145, 86-92 Dalgado,  J.A.,  Uguina,M.A.,Sotelo,  J..L.,Ruiz,B., and Rosario,M.,2007, Carbon
dioxide.methane  separation  by  adsorbtion sepiolite,Journal  of  natural  gas  chemistry, 26, 235 – 243 Gruszkiewics,M.S.,Simonson,J.M.,Burchell,T.D.,an d  Cole,D.R.,  2005,  Water  adsorption  and desprption  on  microporous  solids  at elevated  temperature,  Journal  of  thermal analysis and calorimetry, 81, pp 609-615
Isni utami ,Sri Redjeki,Dwi HeryA.,and Sani., 2016,
Biogas  production  and  removal  COD  – BOD  and  TSS  from  wastewater  industrial alcohol  (vinasse)  by  modified  UASB bioreacror,  MatecWeb  of  conferences  58,
01005
Jozefaciuk,  G.,  and  Bowanko,G.,  2002,  Effect    of acid  and alkali treatments on surface areas and adsorption energies of selected minerals,  Journal  clay  and  clay  minerals  , 50(6),pp.771-783
Krungleviciute,  V.,  Lask,  K.,Migone,  D.D.,  Lee, J.Y.,and Li, J., 2008, Kinetic and equilibrium  og  gas  absorption  on  RPM1  – Co  and  Cu  –  BTC  metal  organic frameworks  potensial  for  gas  separation applications,AIChE , 54 (4), 919 - 922
Ozkan,F.C.,and Ulku, S., 2008, Diffusion mechanism of water vapour in a zeolitic tuff rich  in  clinoptilolite,  Journal  of  thermal analysis and calorimetry, 94,pp.699-702
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0015 0.0025 0.0035 0.0045 0.0055 0.0065 H2SO4 5% H2SO4 10%
H2SO4 15% H2SO4 20% H2SO4 25% Tanpa aktivasi H2SO4 30% Laju gas masuk( L /min) CO 2 t erad so rp ( % ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%
0,0022Lt/menit
0,0033 Lt/menit 0,0058 Lt/menit Konsentrasi  H 2 SO 4 CO 2 t erad so rp ( % )
Sumin,L., Youguang, M.A., Chunying, Z.,
Shuhua,S., and Qing, H.E., 2009, The effect of  hydrophobic  modification  of  zeoliteson CO 2 absorption  enhancement,  Chinese Journal  of  chemical  engineering  ,17(1),pp. 36-41
Tagliabue, M., Farruseng , D., Valencia, S.,Aguado, S.,Ravon,U., Rizzo,C.,Corma,
A.,and
Mirodatos  ,  C.,    2009,  Natural  gas  treating by  selective  adsorption  ,  Matrial  science and  chemical  engineering  interplay  ,
Chemical  engineering    journal,  155,  553- 566
Truong  ,  L.V.,and  Abatzoglou,  N.,  2005,  A  H 2 S reactive adsorption process for the purification  of  biogas  prior  to  its  use  as  a bioenergy  vector,  Biomass  and  Bioenergy ,29 , 142 – 151
Ulku,  S.,Cakicioglu,  F.,1991,  Energy  Recovery  in Drying  Application  ,  Renewable  Energy, 1(5/6),pp.695-698