Pengolahan Limbah Bauksit Menjadi Zeolit Sintetis dan Aplikasinya Sebagai Adsorben Zat Warna
Oleh: Dr. Hellna Tehubijuluw, S.Si, M.Si, Pengajar di Jurusan Kimia Fakultas MIPA Unpatti

28 September 2022

PERKEMBANGAN dunia saat ini, industrialisasi merupakan proses penting yang terjadi di seluruh dunia. Proses ini berhubungan dengan dampak lingkungan yang besar terkait pembuangan limbah yang aman dan tepat serta pengelolaan limbah yang dihasilkan. Limbah yang dihasilkan salah satunya adalah limbah bauksit (Ajibade dkk., 2020; Archambo dan Kawatra, 2020).

Bauksit adalah batuan yang memiliki kandungan aluminium hidroksida dengan persentase tinggi. Untuk menghasilkan alumina (Al₂O₃), digunakan bauksit sebagai bahan baku melalui proses Bayer. Proses Bayer merupakan metode paling ekonomis yang digunakan untuk pemurnian bijih bauksit dengan kandungan F₂O₃ yang tinggi. Proses ini dilakukan dengan menambahkan bauksit ke dalam larutan natrium hidroksida (NaOH) dengan konsentrasi tinggi pada suhu 270 °C. Kondisi reaksi ini dapat melarutkan sebagian besar aluminium dalam bijih bauksit, tetapi masih ada residu yang tidak terlarut. Residu ini disebut sebagai Red Mud (RM) pada industri pengolahan alumina. Ada beberapa daerah pusat pertambangan di Indonesia serta pengolahan bauksit, diantaranya di Kijang (Pulau Bintan) dan Kapuas (Pulau Kalimantan) (Ramdhani dkk., 2015; Bogatyrev dan Zhukov, 2009).

RM adalah limbah berupa lumpur yang merupakan produk samping dari pengolahan bijih bauksit. Proses pengolahan bijih bauksit dihasilkan 1,0-1,8 ton RM per ton alumunium yang dihasilkan (Mukiza dkk., 2019). Dengan meningkatnya permintaan dunia akan alumunium, maka jumlah limbah bauksit yang dihasilkan sebagai produk samping pengolahan alumunium pun semakin meningkat. Persediaan limbah bauksit secara keseluruhan diperkirakan mencapai 4 miliar ton pada tahun 2019, dengan tingkat produksi 0,15 miliar ton per tahun (Lyu dkk., 2019).

RM merupakan limbah padat berupa lumpur berwarna coklat kemerahan. Warna kemerahan pada RM ini disebabkan oleh adanya kandungan besi yang tinggi (Wang dkk., 2020). Kandungan besi pada RM dalam bentuk oksida (Fe₂O₃) dapat mencapai 60% dari massa RM. Komposisi RM umumnya terdiri dari Fe₂O₃, Al₂O_3, dan SiO₂ sebagai senyawa terbanyak (Man dkk., 2017). Senyawa lain yang ada dalam RM diantaranya adalah oksida dari Ti, Mn, Zn, Ca, P, dan Mg (Nath dan Sahoo, 2018; Scribot dkk., 2018; Xue dkk., 2016). Komposisi RM dapat berbeda tergantung pada jenis bauksit serta area geologi dari bauksit yang digunakan (Liu dan Poon, 2016). Untuk menghasilkan satu ton aluminium dari pengolahan bauksit 1,0 hingga 1,8 ton. RM memiliki sifat alkalinitas tinggi, yang dihasilkan dari total bijih bauksit berjumlah 35–40% (Mukiza dkk.,2019). Kadar alkali yang tinggi serta kandungan senyawa oksida mengakibatkan RM termasuk limbah industri beracun dan berbahaya (Klauber dkk., 2011). RM yang dihasilkan di seluruh dunia setiap tahun sekitar 70 ton; sehingga dengan meningkatnya permintaan aluminium, jumlah ini juga semakin meningkat, dan diperkirakan mencapai 4000 ton di tahun 2015 (Lihat Paper foto).

RM memiliki alkalinitas tinggi, dalam bentuk kering dengan pH berkisar antara 10,5-12,5 (Rai dkk., 2012). Pembuangan RM dalam jumlah besar menyebabkan masalah lingkungan seperti kontaminasi tanah, pencemaran air tanah dan terbentuknya suspensi di perairan. Penumpukan RM kering di sekitar pabrik pengolahan bauksit juga menyebabkan polusi debu yang juga merupakan masalah kesehatan yang serius bagi masyarakat di sekitarnya (Olszewska dkk., 2016). Untuk mengatasi permasalahan lingkungan yang ditimbulkan oleh penumpukan RM khususnya pada limbah air adalah dengan memanfaatkan RM sebagai bahan dasar untuk sintesis material lain yang mempunyai daya guna seperti zeolit sintetis. Beberapa penelitian telah dilakukan dengan memanfaatkan RM sebagai katalis (Dawam, 2017; Khairul dkk., 2019), bahan dasar pembuatan material bangunan (Mukiza dkk., 2019; Pontikes dkk., 2019), substrat anorganik (Rai dkk., 2020), pengembangan zat warna dan cat (Wang dkk., 2019) dan sebagai adsorben terutama untuk mengatasi masalah pencemaran air (Nie dkk., 2019; Kazak dan Tor, 2020; Li dkk., 2020; Qi dkk., 2020; Shi dkk., 2020).

Pengoptimalan pemanfaatan RM sebagai adsorben dilakukan dengan mengkonversinya menjadi material lain yang memiliki luas permukaan lebih tinggi seperti material mesopori. Beberapa peneliti telah mengkonversi limbah RM sebagai sumber alumina dan silika dalam sintesis material lain seperti aluminasilikat mesopori (Wulandari dkk., 2018), alumina mesopori (Ramdhani dkk., 2018), dan ZSM-5 hierarki (Riski dkk., 2019).

Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk untuk memanfaatkan limbah bauksit ini salah satunya dengan memanfaatkan kandungan alumina dan silika sebagai bahan baku material aluminosilikat. Red mud telah digunakan sebagai bahan baku untuk sintesis alumina mesopori (Ramdhani dkk, 2015), aluminosilikat mesopori (Dawam, 2017) dan zeolit magnetik (Belviso dkk., 2015). Hasil ini menunjukkan bahwa material aluminosilikat kristalin seperti zeolit dapat disintesis dengan red mud dengan perlakuan awal untuk memisahkan kandungan Fe₂O₃. Perlakuan awal yang cukup efektif diantaranya adalah alkali fusi (Belviso dkk., 2015).

Zeolit merupakan kristal mikropori yang terdiri atas tetrahedral silika (SiO₄^4-) dan alumina (AlO₄^5-) dengan rongga yang terbuka atau berpori (Cheetham dan Day, 1992). Zeolit banyak digunakan sebagai katalis dalam industri, agen penukar ion untuk pemurnian air dan perawatan limbah, dan adsorben (Breck, 1984). Zeolit terdiri dari 2 jenis, yaitu zeolit alam dan sintetis. Zeolit sintetis lebih murni jika dibandingkan dengan zeolit alam. Zeolit alam diperoleh dengan penambangan secara terbuka dapat secara mekanis ada di Indonesia.

Zeolit alam ditemukan dalam bentuk mineral dengan komposisi yang berbeda, terutama dalam komposisi Si/Al dan jenis logam yang menjadi komponen minor. Zeolit alam terbentuk karena adanya proses kimia dan fisika yang kompleks dari batuan-batuan yang mengalami berbagai macam perubahan di alam. Para ahli geokimia dan mineralogi memperkirakan bahwa zeolit merupakan produk gunung berapi yang membeku menjadi batuan vulkanik, batuan sedimen dan batuan metamorfosa yang selanjutnya mengalami proses pelapukan karena pengaruh panas dan dingin. Sebagai produk alam, zeolit alam diketahui memiliki komposisi yang sangat bervariasi, namun komponen utamanya adalah silika dan alumina. Di samping komponen utama ini, zeolit juga mengandung berbagai unsur minor, antara lain Na, K, Ca, Mg, dan Fe. Terlepas dari aplikasinya yang luas, zeolit alam memiliki beberapa kelemahan, diantaranya mengandung banyak pengotor seperti Na, K, Ca, Mg dan Fe serta kristalinitasnya kurang baik. Keberadaan pengotor-pengotor tersebut dapat mengurangi aktivitas dari zeolit. Untuk memperbaiki karakter zeolit alam sehingga dapat digunakan sebagai katalis, adsorben, atau aplikasi lainnya, biasanya dilakukan aktivasi dan modifikasi terlebih dahulu. Zeolit mempunyai sifat adsorpsi dan pertukaran ion. Efektifitas penyerapannya bergantung pada sifat spesies yang diserap, kemampuan pertukaran ion, keasaman padatan zeolit, dan kelembaban sistem.

Zeolit sintetis adalah zeolit yang dibuat secara rekayasa yang sedemikian rupa sehingga didapatkan karakter yang lebih baik dari zeolit alam. Prinsip dasar produksi zeolit sintetis adalah komponennya yang terdiri dari silika dan alumina, sehingga dapat disintesis dari berbagai bahan baku yang mengandung kedua komponen di atas. Komponen minor dalam zeolit juga dapat ditambahkan dengan mudah menggunakan senyawa murni, sehingga zeolit sintetis memiliki komposisi yang tetap dengan tingkat kemurnian yang tinggi (Georgiev, 2009). Zeolit sintetis dapat dilakukan dengan penambahan bahan-bahan yang banyak mengandung alumino silikat seperti kaolin, abu layang, dan abu sekam padi (Liu dkk., 2003; Rayalu dkk., 2000; Panpa dan Jinawath, 2009).

Salah satu jenis zeolit yang cukup penting adalah ZSM-5 (Zeolite Socony Mobil-5). ZSM-5 pertama kali ditemukan pada tahun 1972 oleh Robert Arguer dan George Landolt dari Mobile Research Corporation sebagai katalis konversi metanol menjadi hidrokarbon. ZSM-5 merupakan zeolit dengan komposisi silika tinggi dimana rasio Si/Al berada dalam rentang 10-100 (Zhang dan Ostraat, 2016). Rumus molekul dari ZSM-5 adalah Na_nAl_nSi_96-nO₁₉₂.16H₂O dimana n antara 3 hingga 27 (Kokotailo dkk., 1978). ZSM-5 merupakan jenis zeolit yang memiliki aktifitas katalis tinggi sehingga banyak sekali diaplikasikan dalam proses cracking (perengkahan), alkilasi, dan lain-lain (Chen dkk., 1996). Kerangka MFI pada ZSM-5 tersusun dari unit pentasil yang disusun secara paralel membentuk sistem pori tiga dimensi (McCusker dan Baerlocher, 2005). Setiap lapis kerangka memiliki pori terbuka yang terdiri dari 10 atom oksigen. Sistem pori dari ZSM-5 memiliki dua tipe yaitu saluran berbentuk bulat panjang dan lurus serta saluran berbentuk zig-zag yang saling tegak lurus terhadap saluran pertama (Mastai dkk., 2012).

ZSM-5 umumnya disintesis melalui metode hidrotermal dari larutan induk alkalin silika-aluminat yang disintesis dengan senyawa organik sebagai templat. Banyak hal yang telah dipelajari tentang mengontrol ukuran, bentuk dan porositas pada ZSM-5 tanpa hierarki, serta menentukan metode mesopori ZSM-5, yaitu pemberian templat sekam padi (Dey dkk., 2013), kaolinit (Pan dkk., 2014), dan surfaktan sebagai templat (Wang dkk., 2014).

Riset yang dilakukan oleh Riski (2018), Tehubijuluw.,dkk (2021), dan Subagyo.,dkk (2022) melaporkan sintesis ZSM-5 hierarki dari RM menggunakan metode hidrotermal, dengan penambahan setiltrimetilamonium bromida (CTAB) sebagai templat pengarah pori meso dan senyawa organik tetrapropilamonium hidroksida (TPAOH) sebagai pengarah struktur MFI. Untuk uji sebagai adsorben, ZSM-5 diuji terhadap larutan metilen biru (MB) menggunakan metode adsorpsi. Padatan hasil sintesis dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X (X-ray Diffraction, XRD), SEM (Scanning Electron Microscope), spektroskopi inframerah (fourier transform infrared, FTIR), dan adsorpsi-desorpsi gas N₂. Kandungan MB dalam larutan dianalisa dengan spektrofotomer Ultraviolet-Visible (UV-Vis).

Adsorpsi metilen biru dilakukan dengan RM, ZSM-5_6 jam, ZSM-5_9 jam dan ZSM-5_24 jam untuk menjelaskan pengaruh mesoporositas pada efisiensi adsorpsi metilen biru. Massa adsorben yang digunakan adalah 2,5; 5; 10; dan 15 mg, sedangkan konsentrasi larutan metilen biru yang digunakan adalah 20 mgL^-1. Perbedaan yang signifikan pada persentase removal metilen biru terjadi pada jumlah adsorben 2,5 mg dengan ZSM-5_6 jam menunjukkan removal MB paling tinggi sebesar 80%, diikuti dengan ZSM-5_9 jam (68%) dan ZSM-5_24 jam (48%), sedangkan adsorpsi dengan RM hanya menunjukkan removal MB sebesar 5%. Peningkatan jumlah adsorben menjadi 5 mg menyebabkan peningkatan efisiensi removal MB menjadi 95% pada ZSM-5_6 jam dan ZSM-5_9 jam, sedangkan untuk ZSM-5_24 jam memperlihatkan removal MB sebesar 70%.

ZSM-5 hierarki telah berhasil disintesis dari limbah bauksit (Red mud) Pulau Bintan Kepulauan Riau menggunakan metode hidrotermal dengan 2 tahap kristalisasi yaitu suhu 80 °C pada waktu 6, 9, dan 24 jam dan suhu 150 °C pada waktu 24 jam. Kristalinitas paling tinggi ditunjukkan pada sampel ZSM-5_24 jam sedangkan yang paling rendah adalah sampel ZSM-5_6 jam, masing-masing sebesar 55,35 % dan 29,21%. Intensitas meningkat dengan bertambahnya waktu kristalisasi sehingga mengakibatkan pembentukan struktur kristal dari ZSM-5 yang tinggi. Volume mesopori dan luas permukaan menurun seiring dengan lamanya waktu kristalisasi. ZSM-5 hierarki hasil sintesis mempunyai luas permukaan dan diameter mesopori yang tinggi diperoleh dari waktu kristalisasi 6 jam yaitu 734 m²/g dan 0,58 cm³/g. Ukuran partikel ZSM-5 6, 9, dan 24 jam masing-masing 2,12 µm, 3,52 µm, dan 2,68 µm.

Dengan demikian berdasarkan hasil riset, ZSM-5 hierarki yang merupakan zeolit sintetis dapat berperan sebagai adsorben zat warna dalam air seperti ditampilkan pada Gambar di bawah ini :