## The preparation and characterization of Sinabung volcanic ash as silica based adsorbent
Lisnawaty Simatupang 1* dan Devi 1
1 Jurusan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Medan, Medan *Korespondensi: s.lisnawaty@yahoo.co.id
Abstract. Synthesis of silica gel with sol-gel method has been carried out by utilizing the volcanic ash from  Mount  Sinabung  taken  from  Berastepu  village,  Simpang  Empat,  Karo  within  1.5  km  from  the summit of Mount Sinabung. Volcanic ash is one of the largest source of silica, potentially as materials for silica gel. Synthesis of silica gel in this study conducted by sol-gel method. Volcanic ash didekstruksi with 4M NaOH solution and gel formation with 3M HCl solution. Characterization of silica performed by AAS analysis, FTIR and XRD. Silica levels obtained in this study amounted to 17.85%. Based on the results of using FTIR analysis showed a cluster Si-O-Si and Si-OH stating that the silica adsorbent was successfully  created.  Characterization  using  XRD  showed  that  the  silica  produced  has  a  low  degree kekristalan (amorphous form).
Keywords: adsorbents, silica, volcanic ash mount Sinabung

## PENDAHULUAN
Salah  satu  gunung  berapi  aktif  yang terdapat  di  wilayah  Indonesia  adalah  gunung Sinabung terletak di provinsi Sumatera Utara. Koordinat  puncak  Gunung  Sinabung  adalah 03 o 10’  LU  dan  98 o 23’  BT  dengan  puncak tertinggi  2.460  meter  dari  permukaan  laut yang  menjadi  puncak  tertinggi  di  Sumatera Utara.  Gunung  ini  belum  pernah  tercatat meletus  sejak  tahun  1600.  (Global  Volcanism Program, 2008).
Data  BNPB  menyebutkan,  semenjak letusan  akhir  Agustus  tahun  2010,  gunung Sinabung  meletus  beberapa  kali,  termasuk salah  satu  letusan  terbesar.  Dan  hingga  saat ini  sekitar  5  tahun  semenjak  kejadian tersebut,  gunung  Sinabung  terus-menerus mengalami  erupsi  dan  mengeluarkan  jutaan kubik  material  abu  vulkanik.  Akibat  dari letusan  gunung  tersebut  timbul  kabut  asap yang  tebal  berwarna  hitam  disertai  hujan pasir, dan abu vukanik yang menutupi ribuan hektar  tanaman  para  petani  yang  berjarak dibawah  radius  enam  kilometer  tertutup  abu tersebut. Berlimpahnya material abu vulkanik gunung  sebagai  hasil  dari  erupsi  gunung Sinabung  merupakan  suatu  hal  yang menarik untuk diteliti dan dimanfaatkan lebih lanjut.
Beberapa penelitian menunjukkan bahwa abu  vulkanik  gunung  berapi  memiliki kandungan  terutama  material  silika.  Seperti Abu  vulkanik  Gunung  Merapi  yang  diambil pada Juli 2008 mengandung Al, Mg, Si dan Fe yang  dianalisis  dengan  metode  Analisis Aktivasi  Neutron  (AAN)  berturut-turut berkisar  antara  1,8-15,9  %  Al,  0,1-2,4%  Mg, 2,6-28,7%  Si  dan  1,4-9,3%  Fe  (Sudaryo  dan
Sutjipto, 2009). Menurut Zuarida (1999), abu vulkanik Gunung Kelud Jawa Timur mengandung  45,9%  SiO2.  Dan  bahan  silikat (SiO 2 ) yang yang terdapat pada debu vulkanik Gunung Sinabung mencapai 74,47%. Keberadaan abu vulkanik hasil erupsi gunung Sinabung  yang  sangat  besar  dibandingkan dengan gunung berapi lainnya merupakan hal yang  cukup  potensial  untuk  dimanfaatkan sebagai  bahan  dasar  pembuatan  adsorben berbasis silika. (Barasa dkk., 2013).
Silika  merupakan  senyawa  kimia  atau molekul  besar  dengan  rumus  molekul  SiO 2 (silikon  dioksida)  yang  dapat  diperoleh  dari silika  mineral,  nabati,  dan  sintesis  kristal. Silika  dapat  dimanfaatkan  sebagai  bahan penyerap  (adsorben)  didasarkan  adanya  pori dan keberadaan situs aktif  gugus silanol (-Si- OH) dan siloksan (-Si-O-Si-) pada permukaannya.  Adanya  keempat  atom oksigen  pada  silika  yang  mempunyai  sifat cukup ionik berfungsi sebagi situs aktif untuk mengikat logam berat.
Penelitian  mengenai  pemanfaatan  abu vulkanik  sebagai  adsorben  berbasis  silika sebelumnya telah dilakukan oleh Fadjri (2012) dengan  memanfaatkan  abu  vulkanik  hasil erupsi  gunung  Merapi  dan methyl  orange sebagai adsorbat. Pada penelitian tersebut abu vulkanik  gunung  Merapi  diaktivasi  dengan menggunakan  asam  nitrat  pekat.  Hasil penelitian  tersebut  menunjukkan  bahwa waktu  optimum  adsorpsi  selama  180  menit dan  konsentrasi  adsorbat  optimum  adsorpsi sebesar  100  ppm.  Dengan  menggunakan metode statis ( batch ) serta analisis penyerapan logam menggunakan
Spektrofotometer  Serapan  Atom  (SSA).  Dan untuk  meningkatkan  daya  adsorpsi  abu vulkanik maka perlu dilakukan aktivasi kimia dengan  menggunakan  asam  bertujuan  untuk menambah  ukuran  dan  jumlah  pori  sehingga memperbesar kapasitas adsorpsi abu vulkanik (Lesbani, 2011).
METODE Penelitian ini diawali dengan pengambilan  sampel  abu  vulkanik  erupsi gunung  Sinabung  dari  desa  yang  ada  di Kecamatan  Simpang  Empat  kabupaten  Karo. Preparasi  adsorben  berbasis  silika  dilakukan di  Laboratorium  Penelitian  Jurusan  Kimia FMIPA  Universitas  Negeri  Medan.  Adsorben kemudian di karakterisasi kadar silikat, gugus fungsi, kristalinitas dan luas permukaan area.

## Alat dan bahan
Adapun  peralatan  yang  akan  digunakan dalam  penelitian  ini  untuk  preparasi adsorben  dan  proses  adsorpsi  meliputi:  (1) Peralatan  penunjang  meliputi:  oven,  tanur, ayakan ukuran 200 mesh , timbangan analitik, magnetic  stirrer ,  alat  penggerus  (lumpang dan  mortar),  desikator,  peralatan  gelas  dan peralatan  plastik;  dan  (2)  Peralatan  analisis meliputi  XRD,  IR,  Sur rface  Area  Analyzer (SAA) dan Spektrometer Serapan Atom (SSA). Sedangkan bahan-bahan yang dibutuhkan untuk  penelitian  ini  terutama:  Untuk pembuatan  adsorben  Bahan  yang  digunakan dalam penelitian ini adalah abu vulkanik hasil erupsi gunung Sinabung dari Desa yang ada di Kecamatan  Simpang  Empat  Kabupaten  Karo, yang  berjarak  1,5  Km  dari  puncak  Gunung Sinabung,  sedangkan  bahan  pendukung lainnya:  Kertas  Saring,  Kertas  Saring Whatman  42,  HNO 3 pekat  (E-Merck), aquadest, aquadest.
Pembuatan  silika  abu  vulkanik  erupsi Sinabung
Sebanyak 20 gram abu  vulkanik berukuran  200  mesh  direndam  dalam  HNO 3 pekat  sebanyak  120  mL  selama  24  jam. Setelah  itu  abu  dinetralkan  dengan  akuades kemudian  dikeringkan  dalam  oven  pada temperatur 120°C selama 6 jam. Abu vulkanik kering  ditimbang  beratnya  kemudian  dilebur dengan  156  mL  NaOH  4M  (stoikiometri)  dan dididihkan  sambil  diaduk  sampai  mengental. Setelah hampir kering, larutan dimasukkan ke dalam furnace pada  suhu  500°C  selama  30 menit.  Setelah  dingin  ditambahkan  dengan
200  mL  akuades  dan  didiamkan  semalaman. Kemudian  disaring  dengan  kertas  saring whatman 42. Filtrat kemudian dikarakterisasi menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom  untuk  mengetahui  kadar  silika  yang terkandung dalam larutan tersebut.

## Pembuatan silika gel
Sebanyak  20  mL  larutan  natrium  silikat dimasukkan  ke  dalam  cawan  porselin kemudian  ditetesi  HCl  3M  sambil  diaduk dengan  pengaduk  magnet  sampai  terbentuk gel  berwarna  putih  dan  dilanjutkan  sampai pH  netral.  Gel  yang  terbentuk  didiamkan semalaman.  Kemudian  silika  gel  disaring  dan dibilas  dengan  akuades  sampai  pH  netral. Kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 120°C  selama  6  jam.  Silika  yang  dihasilkan digerus  dan  diayak  dengan  ayakan  200  mesh untuk menghomogenkan ukurannya (Simatupang dkk., 2007).

## Karakterisasi adsorben silika
Untuk  mengetahui  kadar  silikat  yang terkandung dalam adsorben dianalisis menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom  (SSA).  Untuk  gugus-gugus  fungsional yang  ada  dalam  adsorben  dilakukan  analisis dengan  FTIR,  untuk  mengetahui  struktur adsorben  digunakan  XRD  dan  untuk mengetahui sifat permukaan adsorben meliputi  diameter  pori,  luas  permukaan spesifik dan volume pori digunakan penganalisis  luas  permukaan  ( Surface  Area Analyzer ).

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Preparasi sampel
Abu  vulkanik  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  diambil  dari  Desa  Berastepu, Kecamatan  Simpang  Empat  Kabupaten  Karo. Abu  vulkanik  digerus  kemudian  diayak dengan ayakan 200 mesh untuk menghomogenkan ukuran abu dan memperluas permukaan abu sehingga sintesis natrium silikat efektif.
Karakterisasi abu vulkanik Gunung Sinabung Abu  vulkanik  yang  telah  diayak  dengan ayakan 200 mesh dianalisis kandungan bahan kimia dengan metode XRF ( X-Ray Fluorescence ).  Kandungan  bahan  kimia penting  diketahui  karena  sangat  berpengaruh pada proses sintesis  seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Komposisi kimia abu vulkanik Gunung Sinabung Kandungan Abu Vulkanik Jumlah (%) Si 91,4 ± 0,1 K 3,09 ± 0,02 Ca 2,60 ± 0,02 Cr 0,086 ± 0,003 Mn 0,19 ± 0,03 Fe 0,54 ± 0,01 Ni 1,09 ± 0,02 Cu 0,18 ± 0,003 Zn 0,32 ± 0,01 Ga 0,090 ± 0,003 Eu 0,2 ± 0,02 Re 0,3 ± 0,03
Secara  fisik,  kenampakan  abu  vulkanik Gunung Sinabung berupa serbuk sangat halus dengan  warna  abu-abu.  Hasil  analisis komposisi  kimia  abu  vulkanik  Gunung Sinabung  dengan  metode  XRF  (Tabel  1) menyatakan  bahwa  abu  ini  mengandung komponen yang heterogen dengan komponen utama  (mayor)  yakni  58,10%  SiO 2 ;  18,30% Al 2 O 3 ;  7,09%  Fe 2 O 3 dan  8,05%  CaO.  Hasil analisis kandungan abu vulkanik ini menunjukkan  bahwa  material  ini  termasuk material pozzolan yakni mempunyai
kandungan SiO 2 dan Al 2 O 3 yang tinggi.
Penentuan  kadar  silika  dalam  larutan natrium silikat
Abu  vulkanik  yang  bersih  dan  kering kemudian  dilebur  dengan  NaOH  4M  pada suhu  500°C.  Hasil  peleburan  berwujud padatan  berwarna  putih  kehijauan  dengan tekstur  mengembang  berbentuk  rongga- rongga.  Padatan  didinginkan  kemudian ditambah  dengan  200  mL  akuades  dan didiamkan selama satu malam agar terbentuk larutan  Na 2 SiO 3 .  Kemudian  larutan  disaring dan filtratnya diambil. Residu berupa padatan dimungkinkan adalah silika dan oksida-oksida yang tidak terdekomposisi.
Peleburan  pada  suhu  500°C  didasarkan pertimbangan  titik  leleh  NaOH,  yaitu  323°C sehingga pada suhu tersebut NaOH terdisosiasi sempurna membentuk ion natrium  dan  ion  hidroksida.  Pada  SiO 2 , elektronegativitas  atom  O  yang  tinggi menyebabkan  Si  lebih  elektropositif  dan terbentuk  intermediet  [SiO 2 OH] - yang  tidak stabil sehingga terjadi dehidrogenasi. Ion OH - yang  kedua  akan  berikatan  dengan  hidrogen
membentuk molekul air dan dua ion Na + akan menyeimbangkan  muatan  negatif  ion  SiO 3 2- sehingga  terbentuk  natrium  silikat  (Na 2 SiO 3 ), mekanisme  reaksi    selengkapnya  ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Model mekanisme rekasi pembentukkan  natrium  silikat  (Trivana  dkk., 2015) .
Larutan  natrium  silikat  yang  dihasilkan berwarna  kecoklatan  dan  indikator  awal terbentuknya  natrium  silikat  adalah  apabila disentuh  larutan  akan  terasa  licin  dikulit. Filtrat  diuji  kandungan  silika  menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (SSA). Kadar Silika yang diperoleh sebesar 7782,5 ppm atau 3,3353 g.
Rendahnya hasil yang diperoleh mungkin disebabkan  berbagai  factor.  Yang  pertama pengambilan  sampel  yang  dilakukan  tidak refresentatif.  Karena  sampel  yang  diambil  3 hari  pasca  erupsi  dan  hujan.  Sehingga  abu telah  banyak  terbawa  hujan.  Sehingga kemungkinan  besar  sampel  yang  diambil kebanyakan  tanah.    Begitu  pula  perlunya melakukan variasi waktu destruksi (peleburan abu  vulkanik  dengan  NaOH)  agar  diperoleh
hasil  destruksi  kadar  silikat  yang  lebih  tinggi lagi.

## Karakterisasi dengan FTIR
Silika  yang  diperoleh  dari  abu  vulkanik Gunung  Sinabung  dengan  metode  sol  gel
dianalisis  dengan  FTIR  untuk  mengetahui adanya  gugus  fungsi  yang  berkaitan  dengan silika. Adapun hasil analisis dengan menggunakan FTIR ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. FTIR adsorben silika gel dari abu vulkanik Sinabung.
Puncak  yang  diyakini  berkaitan  dengan gugus  fungsi  pada  silika  yaitu  pada  bilangan gelombang 3433,29 cm -1 . Serapan dengan pita lebar pada daerah ini merupakan puncak yang khas  untuk  vibrasi  ulur  gugus  –OH  (gugus hidroksil).  Dengan  demikian,  dalam  silika yang  diperoleh  dari  abu  vulkanik  Gunung Sinabung  ini  diyakini  terdapat  gugus hidroksil,  yang  menunjukkan  ikatan  Si-OH atau  silanol,  meskipun  sumbangan  gugus hidroksil dari molekul air yang terhidrasi juga tidak  dapat  diabaikan  (Daifullah  dkk.,  2003). Puncak  kedua  yang  diyakini  menunjukkan gugus  fungsi  silika  adalah  serapan  yang  kuat dan  tajam  pada  bilangan  gelombang  1095,57 cm -1 yang  merupakan  vibrasi  ulur  asimetri dari gugus Si-O pada gugus siloksan (Si-O-Si). Adanya gugus fungsi Si-O-Si diperkuat dengan adanya  puncak  pada  bilangan  gelombang 466,77 cm -1 dan 2357,01 cm -1 yang merupakan vibrasi tekuk dari gugus siloksan (Si-O-Si) dan puncak  pada  798,53  cm -1 yang  merupakan vibrasi ulur Si-O-Si. Vibrasi tekuk gugus –OH dari  molekul  air  ditunjukkan  oleh  serapan pada  bilangan  1631,78  cm -1 (Silverstein, 2006).  Pita  serapan  di  2862,36  cm -1 dan 2927,94 cm -1 menunjukkan gugus –OH silanol dan H 2 O yang diserap (Kalapathy, 2000).

## Karakterisasi dengan XRD
Analisis  struktur  kristal  silika  dilakukan dengan menggunakan difraksi  sinar-X. Spektrum  yang  diperoleh  disajikan  pada Gambar  4.3.  Terlihat  bahwa  silika  gel  yang
disintesis dari abu vulkanik Gunung Sinabung memiliki pola difraksi dengan puncak melebar pada  2θ  =  22,7200°;  2θ  =  23,9400°;  2θ  = 21,8800°, dengan puncak tertinggi pada 2θ = 22,7200°.  Menurut  Kalapathy,  dkk  (2000) silika  dengan  puncak  melebar  di  sekitar  2θ  = 20-22° menunjukkan struktur amorf (kristalinitas yang rendah). Menurut Trivani dkk. (2015) silika dalam bentuk  amorf  adalah  yang  paling  reaktif  dan cocok  diaplikasikan  sebagai  adsorben.  Selain itu silika berstruktur amorf dengan kemurnian  yang  tinggi,  ukuran  partikel  yang kecil  serta  permukaan  yang  luas  akan  cocok digunakan sebagai adsorben. Adapun difaktrogram  analisis  menggunakan  XRD ditunjukkan Gambar 3.
Gambar 3. Difraktogram adsorben silika dari abu vulkanik Sinabung

## KESIMPULAN
Adsorben  Berbasis  silika  dari  abu vulkanik  erupsi  gunung  sinabung  telah berhasil dibuat. Hal ini ditunjukkan
berdasarkan karakterisasi menggunakan FTIR menunjukkan  bahwa  pada  silika  gel  hasil sintesis  dari  abu  vulkanik  Gunung  Sinabung terdapat gugus fungsi –OH dari Si-OH dan Si- O  dari  Si-O-Si.  Karakterisasi  menggunakan XRD  menunjukkan  puncak  yang  melebar sehingga  diketahui  bahwa  silika  gel  hasil sintesis  memiliki struktur  amorf.  Kadar  silika hasil  sinesis  dari  abu  vulkanik  Gunung Sinabung  yang  diambil  dari  Desa    Berastepu, Karo sebesar 3,3353 gram.

## DAFTAR PUSTAKA
Alexander, 2010. Waspada Gunung Sinabung,
http://www.medanmagazine.com (diakses tgl 16 Maret 2015 ) Barasa, R. F., Rauf, A., & Sembiring, M. 2013. Dampak Debu Vulkanik Letusan Gunung  Sinabung  Terhadap  Kadar  Cu, Pb,  Dan  B  Tanah  Di  Kabupaten  Karo. Jurnal Online Agroekoteknologi, 1(4) :1288-1297 Daifullah,  A.  A.  M.,  Girgis  B.  S.,  &  Gad, H.M.H.  2003.  Utilization  of  Agro- Residues  (Rice  Husk)  in  Small  Waste Water  Treatment  Plans. Material
Letters, 57 :1723-1731
Fadjri,  M.S.  2012. Adsorpsi  Zat  Warna
Methyl  Orange  Menggunakan  Pasir Vulkanik  Gunung  Merapi .  Skripsi. Yogyakarta: FMIPA Universitas
Yogyakarta. Global  Volcanism  Program,  2008.  Sinabung, http://www.volcano.si.edo.com, (diakses tgl 19 Februari 2015).
Kalapathy, U.,  Proctor,  A.,  &  Shultz,  J.  2000.
A Simple Method for Production of Pure Silica  From  Rice  Hull  Ash, Bioresource Technology, 73 : 257-262 Lesbani,  A.  2011.  Keterlibatan  Mekanisme Pertukaran  Kation  dan  Pembentukan Kompleks dalam Adsorpsi  Zn(II) dan
Cd(II)  pada  adsorben  Cangkang Kepiting  Laut  ( Portunus  pelagicus linn ).  Tesis  S2-Kimia,  Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Simatupang,  L.,  &  Narsito,  N.  2007.
Simultaneous  Adsorption  Of  Mg(II), Zn(II),  Ni(II)  And  Cd(II)  On  Amino-
Silica Hybrid . Prosiding ICCS, Yogyakarta. Sudaryo  &  Sucipto,  (2009),  Identifikasi  dan Penentuan  Logam  Berat  pada  Tanah Vulkanik  di  Daerah  Cangkringan, Kabupaten  Sleman  dengan  Metode Analisis Aktivasi Neutron Cepat, Seminar  Nasional  V  SDM  Teknologi , Yogyakarta
Sukarman, & Dariah, A. 2014. Tanah Andosol di  Indonesia.  Karakteristik,  Potensi,
Kendala,  dan  Pengelolaannya  untuk Pertanian ,  Balai  Besar  Penelitian  dan Pengembangan Sumberdaya Lahan Pertanian, Bogor Tim  Fakultas  Pertanian  USU,  (2014),  Debu Vulkanik Sinabung Dapat Menyuburkan Tanah, http://usu.ac.id/id/article/776/tim- fakultas-pertanian-usu-debu-vulkanik- sinabung-dapat-menyuburkan-tanah,  17 Maret 2016 Tim  Faperta  UGM,  (2014), Dampak  Erupsi Gunung Kelud Terhadap Lahan Pertanian , Yogyakarta Trivana,  L.,  Sugiarti,  S.,  &  Rohaeti,  E.  2015.
Sintesis  dan  Karakterisasi  Natrium Silikat  (Na 2 SiO 3 )  dari  Sekam  Padi. Jurnal Sains dan Teknologi Lingkungan, 7(2) :66-75
Zuraida,  1999,  Penggunaan  abu  volkan sebagai  amelioran  pada  tanah  gambut dan  pengaruhnya  terhadap  sifat  kimia tanah dan pertumbuhan jagung. Thesis, Bogor,  Pascasarjana,Institut  Pertanian Bo gor.