## PURIFIKASI SILIKA DARI PASIR VULKANIK GUNUNG MERAPI SEBAGAI BAHAN BAKU FOTOVOLTAIK

## SILICA PURIFICATION FORM MERAPI VOLCANO SAND AS PHOTOVOLTAIC RAW MATERIALS

## Sulistiyani*, Erfan Priyambodo dan Larasti Yogantari
Jurusan Pendidikan Kimia, FMIPA, Universitas Negeri Yogyakarta
*email: sulistiyani@uny.ac.id
diterima 21 Agustus 2015, disetujui 4 September 2015

## Abstrak
Purifikasi  silika  dari  pasir  vulkanik  Gunung  Merapi  yang  dimaksudkan  sebagai  bahan  baku  fotovoltaik  telah dilakukan.  Proses  purifikasi  dilakukan  secara  leaching  dengan  menggunakan  larutan  aqua  regia,  H 2 SO 4 ,  dan HCl. Purifikasi  silika  dari  pasir  Gunung  Merapi  sebagai  bahan  baku  fotovoltaik  memberikan  asumsi  bahwa  teknologi fotovoltaik  yang  memanfaatkan  energi  surya  cukup  terjangkau,  tidak  habis,  dan  bersih  sehingga  akan  memberikan keuntungan  jangka  panjang  yang  besar.  Proses  purifikasi  melalui  tahap  grinding  hingga  ukuran  60  mesh,  separasi  besi menggunakan magnet, leaching asam, dan leaching basa. Karakterisasi sampel menggunakan XRD dan XRF. Dari hasil penelitian  diperoleh  bahwa  pasir  vulkanik  Gunung  Merapi  mengandung  silika  cukup  tinggi  yaitu  48-50%.  Hasil karakterisasi  dengan  XRD  menunjukkan  bahwa  silika  dalam  sampel  pasir  baik  sebagai  silikon  dioksida  maupun mineralnya mempunyai struktur amorf. Di antara aqua regia, H 2 SO 4 , dan HCl yang memiliki kemampuan leaching paling baik yaitu HCl dengan konsentrasi pekat serta silika hasil purifikasi memiliki kemurnian 59%.
Kata kunci: purifikasi, silica, pasir gunung berapi

## Abstract
Purification  of  silica  sand  volcanic  Mount  Merapi  has  been  done,  for  raw  material  photovoltaic.  Leaching purification process is done using aqua regia solution, H 2 SO 4 , and HCl. Purification of silica sand of Mount Merapi as a raw material photovoltaic assumes that photovoltaic technologies that utilize solar energy is quite affordable, do not run out, and clean so that it will provide long term benefits are substantial. Stage purification process through grinding up to size  60  mesh,  iron  using  magnetic  separation,  leaching  of  acid  and  alkaline  leaching.  Characterization  of  the  samples using  XRD  and  XRF.  The  result  showed  that  Mount  Merapi  volcanic  sand  containing  silica  is  high  at  48-50%.  XRD characterization  results  indicate  that  the  silica  in  sand  samples  well  as  silicon  dioxide  or  mineral  has  amorphous structure.  Among  aqua  regia,  H2SO4  and  HCl  leaching  that  has  the  ability  to  nicest  namely  the  concentration  of concentrated HCl and purified silica has a purity of 59%.
Keywords: purification, silica, volcano sand

## Pendahuluan
Kesadaran akan  hemat  energi  listrik  membuat berbagai  kalangan  baik  pemerintah  maupun industri membuat inovasi sumber energi pengganti fosil  yang  bersifat  lebih  tahan  lama  dan  ramah lingkungan  (sustainable  energy).  Salah  satu contohnya  adalah  energi  surya  dengan  teknologi photovoltaic  (PV)  [1].  Energi  surya  dengan teknologi  PV  mengkonversi  langsung  cahaya matahari menjadi listrik melalui perangkat semikonduktor yang disebut sel surya [2].
Energi  surya  yang  diterima  dalam  satu  hari (solar  insolation  atau  solar  irradiation)  dapat
bervariasi mulai dari 0.55 kWh/m 2 (2 MJ/m 2 ) pada daerah  dingin  sampai  5.55  kWh/m 2 (20  MJ/m 2 ) pada daerah tropis [3]. Artinya, cahaya matahari di Indonesia  sangat  melimpah.  Namun,  kapasitas panel  surya  yang  terpasang  di  Indonesia  baru  8 MW (DESDM, 2010). Nilai ini masih sangat kecil bila  dibandingkan  potensi  tersebut.  Dengan demikian,  panel  surya  di  Indonesia  masih  perlu ditingkatkan.
Sel  surya  (fotovoltaik)  yang  paling  banyak digunakan  saat  ini  berbahan  dasar  silika  [4]. Sementara  keberadaan  silika  di  Indonesia  sangat
melimpah,  khususnya  silika  yang  diperoleh  dari aktivitas  gunung  berapi.  Kondisi  tersebut  semakin menunjang  untuk  mengembangkan  energi  surya  di Indonesia.  Akan  tetapi,  silika  di  alam  tidak  dapat langsung  digunakan  sebagai  bahan  fotovoltaik melainkan harus dipurifikasi terlebih dulu. Semakin tinggi kemurnian silika, kualitas fotovoltaik  yang  dihasilkan  akan  lebih  baik  [5]. Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  bertujuan  untuk memurnikan pasir silika yang berasal dari aktivitas Gunung
Merapi (vulkanik). Purifikasi menggunakan  metode  leaching  larutan  asam  dan larutan  basa.  Selanjutnya  silika  hasil  purifikasi akan dikarakterisasi menggunakan XRD dan XRF.

## Metode Penelitian
Alat-alat yang digunakan. Alat-alat gelas, ball mill,  kertas  saring,  pH  meter,  magnet,  magnetik stirer, oven pemanas, sinar-X difraktometer (XRD), X-Ray Fluorescence (XRF).
Bahan-bahan  yang  digunakan.  Pasir  vulkanik Gunung  Merapi,  aquades, aqua  regia,  larutan  HCl, larutan H 2 SO 4 , larutan HNO 3 .
Proses  purifikasi  silika  mencakup  beberapa tahap,  proses  grinding,  separasi  besi,  leaching menggunakan larutan asam, leaching menggunakan larutan basa. Grinding dilakukan dengan menggunakan 8-10 ball dengan kecepatan 200 rpm selama  60  menit.  Selanjutnya  sampel  diayak dengan  pengayak  ukuran  60  mesh.  Separasi menggunakan  magnet untuk  memisahkan besi dari pasir.
Analisis Larutan Asam sebagai Agen Leaching. Larutan  asam  sebagai  agen  leaching  ditentukan dengan  membandingkan  kemampuan  leaching  dari HCl  pekat,  H 2 SO 4 pekat,  dan  aqua  regia  (HCl  dan HNO 3 dengan perbandingan 3:1)). Dipipet masing- masing larutan tersebut sebanyak 20 mL dimasukkan  ke  dalam  gelas  kimia  yang  di dalamnya  terdapat  10  gram  sampel  pasir  vulkanik. Secara  berkala  sampel  diaduk.  Perendaman  pasir vulkanik  dalam  larutan  dilakukan  selama  24  jam. Sampel  pasir  kemudian  dicuci  dengan  aquades hingga pH netral kemudian dikeringkan menggunakan oven suhu 110 o C selama 3 jam.
Analisis  Pengaruh  Suhu  dan  Konsentrasi Larutan  Asam.  Sebanyak  10  gram  sampel  pasir dimasukkan  ke  dalam  erlemeyer  dan  ditambahkan 20 mL larutan HCl 3 M sambil dipanaskan di atas hotplate  suhu  90 o C.  Perendaman  sampel  pasir dalam  larutan  asam  disertai  pemanasan  dilakukan selama  3  jam  dengan  diaduk  secara  berkala. Setelah  itu,  sampel  didiamkan  hingga  suhu  turun
dan  disaring  dengan  menggunakan  kertas  saring biasa.  Sampel  dicuci  dengan  aquades  hingga  pH netral, kemudian dikeringkan dengan menggunakan oven  pada  suhu  110 o C  selama  3 jam.  Konsentrasi larutan HCl divariasikan 3 M dan 6 M.
Larutan HCl 6 M dibuat dengan cara: sebanyak 25  mL  larutan  HCl  pekat  dipipet  dimasukkan dalam  labu  ukur  50  mL  kemudian  ditambahkan aquades hingga tanda batas. Sementara larutan HCl 3  M  dibuat  dengan  cara  mengencerkan  larutan induk  6  M  dengan  menggunakan  rumus  V 1 .M 1 = V 2 M 2 .
Analisis Larutan NaOH sebagai Agen Leaching.  Sampel  yang  telah  dilakukan  leaching dengan menggunakan larutan HCl 6 M dimasukkan ke  dalam  erlenmeyer.  Kemudian,  ditambahkan larutan  NaOH  3  M  sebanyak  20  mL  sambil dipanaskan  pada  suhu  300 o C  selama  3  jam  dan diaduk  secara  berkala.  Setelah  itu,  sampel didiamkan  hingga  suhu  ruangan.  Selanjutnya, sampel  dicuci  dengan  aquades  hingga  pH  netral dan  dikeringkan  dengan  menggunakan  oven  pada suhu 110 o C selama 3 jam.

## Hasil dan Pembahasan
Purifikasi  silika  dalam  pasir  vulkanik  telah dilakukan. Penelitian ini mencakup 4 tahap, antara lain analisis kandungan silika dalam pasir vulkanik, analisis  larutan  asam  yang  memiliki  kemampuan leaching  terbaik,  analisis  pengaruh  suhu  terhadap hasil  proses  leaching,  dan  analisis  pengaruh leaching  basa  terhadap  mineral.  Sampel  pasir vulkanik  berasal  Sungai  Gendol  Daerah  Istimewa Yogyakarta.
Analisis  Kandungan  Silika  dalam  Pasir Vulkanik.  Dari  hasil  XRF,  diperoleh  kandungan terbesar  pasir  vulkanik  yaitu  silika  sebesar  49,6%. Selain silika, kandungan mineral lainnya antara lain aluminium  (17,8%),  kalsium  (9,5%),  besi  (9%), natrium (5,9%), magnesium (2,7%), kalium (2,4%), dan  beberapa  unsur  lain  seperti  titanium,  fosfor, belerang,  klor,  mangan,  stronsium,  zircon,  timah, dan  seng  dengan  kadar  kurang  dari  1%.  Silika memiliki persentase  paling tinggi karena pada saat magma mengalami pendinginan, atom-atom oksigen  dan  silikon  akan  saling  mengikat  pertama kali  untuk  membentuk  tetrahedral  oksigen-silikon. Hasil  karakterisasi  dengan  XRD  menunjukkan bahwa  silika  dalam  sampel  pasir  baik  sebagai silikon  dioksida  maupun  mineralnya  mempunyai struktur amorf.
Analisis Larutan Asam sebagai Agen Leaching.  Pasir  vulkanik  sebelum  direndam  dalam larutan asam terlebih dulu diseparasi menggunakan magnet.  Hal  ini  dimaksudkan  untuk  memisahkan pasir besi  dalam pasir vulkanik sehingga meminimalkan  pengotor  silika.  Analisis  larutan asam  menunjukkan  bahwa  larutan  HCl  memiliki kemampuan  paling  baik  dalam  proses  leaching dibandingkan  asam  sulfat  dan  aqua  regia.  Data analisis  XRF  menunjukkan  bahwa  proses  leaching HCl  meningkatkan  kadar  silika  dari  49,61% menjadi  59,72%  (Gambar  9).  Hal  tersebut  dapat dipahami karena larutan HCl memiliki kemampuan lebih  baik  dalam  melarutkan  mineral-mineral  yang
terdapat  dalam  pasir  vulkanik  dibandingkan  asam sulfat  dan  aqua  regia.  HCl  bersifat  sangat  polar sehingga  kemampuan  melarutkan  mineral-mineral polar  juga  tinggi,  yang  mana  sebagian  besar senyawa-senyawa  dalam  pasir  vulkanik  juga merupakan  senyawa  polar.  Peristiwa  tersebut sesuai dengan prinsip ”Like Dissolves Like” bahwa pelarut  sejenis  akan  melarutkan  molekul  sejenis artinya  pelarut  dan  molekul  zat  terlarut  saling berinteraksi antarmolekul keduanya dengan membentuk  suatu  ikatan  tertentu  di  antara keduanya,  sehingga  secara  termodinamika  zat terlarut akan larut dalam pelarut tersebut.
Gambar 1.  Persentase unsur hasil analisis menggunakan XRF pada pasir Sungai Gendol.
Gambar 2. Perbandingan sinyal XRD antara sebelum dan setelah di-leaching aqua regia.
Gambar 3. Perbandingan sinyal XRD antara sebelum dan setelah di-leaching H 2 SO 4 .
Gambar 4.  Perbandingan sinyal XRD antara sebelum dan setelah di-leaching HCl.
Tabel 1.  Puncak-puncak yang Mengalami Peningkatan dan Penurunan setelah Proses Leaching Asam
Puncak 2 ϴ yang mengalami
Peningkatan Intensitas Puncak 2 ϴ yang mengalami Penurunan Intensitas Aqua Regia H 2 SO 4 HCl Aqua Regia H 2 SO 4 HCl 22,03 22,03 23,73 51,56 51,35 22,03 23,75 22,61 29,54 55,04 42,24 27,65 23,46 30,24 56,99 52,43 31,69 24,46 35,63 53,42 35,63 30,22 56,58 56,58 42,24 35,60 66,49 46,82 42,05 67,26 60,08 47,12 62,68 62,41
65,85
Perbandingan  sinyal  XRD  setelah  proses leaching  dengan  sinyal  XRD  sebelum  proses leaching  menunjukkan  bahwa  proses  leaching menyebabkan beberapa puncak sinyal menurun dan beberapa  puncak  sinyal  yang  lain  meningkat (Gambar  2,  3,  4).  Peningkatan  intensitas  puncak dapat  dipahami  sebagai  pengaturan  ikatan  kristal mineral-mineral  sebagai  pengaruh  perendaman dalam  asam.  Sementara  penurunan  intensitas puncak  disebabkan  pengurangan  pengotor  pada kristal. Berikut beberapa puncak yang teridentifikasi mengalami peningkatan dan penurunan  setelah proses leaching (Tabel 1).
Dari  hasil  leaching  asam,  diketahui  larutan HCl  memiliki  kemampuan  purikasi  paling  baik dibandingkan  larutan  H 2 SO 4 dan  aqua  regia, sehingga analisis pengaruh suhu terhadap kemampuan  purifikasi  hanya  dilakukan  dengan menggunakan  larutan  HCl  yang  divariasikan  3  M dan  6  M.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa peningkatan  suhu  leaching  (90 o C)  justru  sedikit menurunkan  kadar  silika  dari  59,72%  menjadi 56,14%.
Peningkatan suhu seharusnya meningkatkan reaktivitas larutan karena meningkatnya energi kinetik. Namun
kenyataannya,  persentase  kemurnian  silika  justru semakin menurun. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh konsentrasi larutan yang digunakan  saat  pemanasan  lebih  encer  (3  M dan  6 M),  sementara  saat  leaching  tanpa  pemanasan digunakan asam pekat.
Analisis pengaruh konsentrasi terhadap
efektifitas purifikasi menunjukkan bahwa konsentrasi  larutan  asam  yang  lebih  pekat  (HCl  6 M)  memiliki  kemampuan  purifikasi  silika  lebih baik daripada konsentrasi larutan asam lebih encer (HCl  3  M).  Larutan  HCl  6  M  menghasilkan  silika hingga  56,14%,  sedangkan  larutan  HCl  3  M menghasilkan  silika  dengan  kemurnian  53,47%. Data  tersebut  menunjukkan  bahwa  semakin  tinggi konsentrasi  larutan  asam  yang  digunakan,  hasil purifikasi  silika  akan  semakin  baik.  Saat  asam klorida ditambahkan ke dalam larutan silikat, maka akan  diperoleh  endapan  asam  metasilikat  seperti gel,  terutama  dengan  mendidihkannya.  Endapan tersebut  tak  larut  dalam  asam  pekat  dan  berada dalam bentuk larutan koloid (sol).
SiO 3 2- (aq) +  2H + (aq) → H 2 SiO 3 (s)

## Analisis  Larutan  NaOH  sebagai  Agen
Leaching.  Leaching  asam  dilanjutkan  dengan leaching  basa  yaitu  dengan  menggunakan  larutan
NaOH.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa pelarutan  dalam  larutan  NaOH  3  M  justru menurunkan  kadar  silika  dari  56,14%  menjadi 53,47%. Hal tersebut kemungkinan karena sebagian silika larut dalam NaOH.  Pelarutan silika dalam  larutan  NaOH  akan  menghasilkan  endapan natrium silikat. Tujuan leaching dengan menggunakan NaOH dimaksudkan untuk menghilangkan  beberapa  partikel  matriks  seperti timah (Sn) dan aluminium (Al). Berikut persamaan reaksinya [5]:
Sn 2+ + 2OH - ⇄ Sn(OH) 2 (s) Sn(OH) (s)  +  2OH - ⇄ [Sn(OH) 4 ] 2- (aq)
Al 3+ (aq)  +  OH - (aq) → Al(OH) 3 (s) Al(OH) 3 (s)  +  OH - (aq) → [Al(OH) 4 ] - (aq)
Pemurnian  silika  dalam  upaya  penyediaan bahan  sel  surya  masih  jauh  dari  harapan.  Silika yang  bisa  digunakan  untuk  keperluan  tersebut harus memiliki kemurnian di atas 99% [6]. Kurang optimalnya hasil purifikasi secara leaching kemungkinan  utamanya  karena  proses  grinding yang  tidak  optimal,  seharusnya  dilakukan  hingga partikel  berukuran  nano.  Semakin  kecil  ukuran partikel  maka  permukaan  partikel  juga  semakin luas.  Hal  tersebut  akan  mengoptimalkan  kontak partikel  mineral  dengan  reagen  leaching  sehingga memudahkan  reagen  mendisosiasi  ikatan  kimia mineral  tersebut.  Selain  itu  proses  grinding  akan membantu  memecah  mineral-mineral  silika  secara mekanik.

## Simpulan
Berdasarkan  penelitian  ini  dapat  diperoleh kesimpulan sebagai berikut: Pasir vulkanik Gunung Merapi mengandung silika cukup tinggi yaitu 49% dan  mempunyai  struktur  amorf.  Di  antara  larutan aqua  regia,  asam  sulfat,  dan  asam  klorida  yang memiliki  kemampuan  paling  baik  sebagai  agen leaching  dalam  proses  purifikasi  silika  dari  pasir vulkanik  Gunung  Merapi  yaitu  larutan  asam klorida.  Proses  leaching  optimum  jika  digunakan larutan  konsentrasi  pekat  dan  disertai  pemanasan (90 o C), Pelarutan analit dalam larutan NaOH 3 M justru  menurunkan  kadar  silika  dari  56,14% menjadi  53,47%,  dan  Silika  dari  pasir  vulkanik Gunung  Merapi  hasil  purifikasi  hanya  mencapai 59%.

## Ucapan Terima Kasih
Peneliti  mengucapkan  terimakasih  kepada Bapak  Dr.  Hartono  selaku  Dekan  FMIPA  UNY, Bapak  Dr.  Hari  Sutrisno  selaku  Ketua  Jurusan Pendidikan  Kimia  FMIPA  UNY,  dan  kepada seluruh  pihak  FMIPA  UNY  yang  telah  berkenan memberi  ijin  dan  mendanai  program  kami,  terima kasih  kepada  seluruh  Dosen  Kimia  dan  Laboran Kimia  yang  telah  memberikan  masukan  dan dukungan kegiatan penelitian ini, serta semua pihak terlibat  yang  tidak  dapat  kami  sebutkan  satu  per satu.

## Pustaka
[1] Amendola,
S. (2011) Overview of
Manufacturing  Processes  for  Solar-Grade Silicon. Easton, PA.
[2] P. Würfel. (2005) Physics of Solar Cells: From Principles  to  New  Concepts.  Wiley-WCH. Weinheim.
[3] Kenna,  J.,  and  Bill  Gillet.  (1985)  Solar  Water Pumping. A Handbook. Intermediate
Technology Publications. Shouthampton Row.
London.
[4] Kalapathy, U., A. Proctor and J. Shultz, (2000) A Simple Method for Production of Pure Silica from Rice Hull Ash. Bioresources Technology. 73. p. 257-262.
[5] Vogel.  (1996)  Qualitative  Inorganic  Analysis. Ed.  7 th .  England:  Addison  Wesley  Longman
Ltd.
[6] Désindes  L.  (2004)  Silica  Ultrapure  for Electrometallurgy:  Gitology,  Physical  and Chemical  Characteristics  of  the  Ore  Quartz. Thesis  presented  for  obtaining  the  rank  of Doctor  of  the  University  Henri  Poincaré, Nancy 1, 433, France.
[7] Lanb,  WC  et  al.  (2012)  Grain  Control  in Directional  Solidification  of  Photovoltaic Silicon. Journal of Crystal Growth. 360. p. 68- 75.
[8] DESDM.  (2010)  Indonesian  Energy  Outlook. Pusat Data dan Informasi Energi dan Sumber Daya Mineral KESDM. Jakarta.