Zeolit pertama kali ditemukan oleh Freiherr Axel Cronstedt, seorang ahli mineralogi dari Swedia pada tahun 1756 (Sheppard, 1969: 875-886). Istilah zeolit berasal dari bahasa Yunani “zein” yang berarti membuih, dan “lithos” yang berati batu. Zeolit (Zeinlithos) atau berarti juga batuan mendidih, di dalam riset-riset kimiawan telah lama menjadi pusat perhatian. Zeolit merupakan mineral alumina silikat terhidrat yang dapat mengikat molekul air secara reversible. Penggunaan zeolit berkaitan dengan tiga sifat penting yang dimilikinya, yaitu: kemampuannya dalam melakukan pertukaran ion, daya serap dan daya saring molekuler, serta daya katalis. Pemanfaatannya utama zeolit sebagai penukar ion untuk pelunakan air, untuk menghilangkan dan pengikatan radionuklida serta penyerapan logam berat dari limbah tercemar dan penghilangan ion amonium dari limbah cair. Zeolit menurut proses pembentukannya dibagi 2, yaitu : zeolit alam (natural zeolit) dan zeolit sintetis (syntetic zeolit). Sedangkan berdasarkan ukuran porinya, zeolit dapat diklasifikasikan menjadi 3 golongan, yaitu: zeolit dengan pori kecil (small pore zeolit), zeolit dengan pori medium (medium pore zeolit), dan zeolit dengan pori besar (large pore zeolit).
Rumus umum zeolit adalah Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O, di mana M adalah kation bervalensi n, (AlO2)x(SiO2)y adalah kerangka zeolit yang bermuatan negative, H2O adalah molekul air yang terhidrat dalam kerangka zeolit. Zeolit pada umumnya dapat dibedakan menjadi dua, yaitu zeolit alam dan zeolit sintetik. Zeolit alam biasanya mengandung kation-kation K+ ,Na+, Ca2+atau Mg2+ sedangkan zeolit sintetik biasanya hanya mengandung kation-kation K+ atau Na+. Pada zeolit alam, adanya molekul air dalam pori dan oksida bebas di permukaan seperti Al2O3, SiO2, CaO, MgO, Na2O, K2O dapat menutupi pori-pori atau situs aktif dari zeolit sehingga dapat menurunkan kapasitas adsorpsi maupun sifat katalisis dari zeolit tersebut. Inilah alasan mengapa zeolit alam perlu diaktivasi terlebih dahulu sebelum digunakan. Aktivasi zeolit alam dapat dilakukan secara fisika maupun kimia. Secara fisika, aktivasi dapat dilakukan dengan pemanasan pada suhu 300-400 oC dengan udara panas atau dengan sistem vakum untuk melepaskan molekul air. Sedangkan aktivasi secara kimia dilakukan melalui pencucian zeolit dengan larutan Na2EDTA atau asam-asam anorganik seperti HF, HCl dan H2SO4 untuk menghilangkan oksida-oksida pengotor yang menutupi permukaan pori.
Rasio Si/Al merupakan perbandingan jumlah atom Si terhadap jumlah atom Al di dalam kerangka zeolit. Zeolit-A merupakan zeolit sintetik yang mempunyai rasio Si/Al sama dengan satu. Beberapa zeolit mempunyai rasio Si/Al yang tinggi seperti zeolit ZK-4 (LTA), yang mempunyai struktur kerangka seperti zeolit-A, mempunyai rasio 2,5. Banyak zeolit sintetik yang dikembangkan untuk katalis mempunyai kadar Si yang tinggi seperti ZMS-5 (MFI) (Zeolit Socony-Mobil) dengan rasio Si/Al antara 20 sampai tak terhingga (murni SiO2). Ini jauh melebihi mordenit (rasio Si/Al = 5,5) yang merupakan zeolit alam yang dikenal paling banyak mengandung Si.
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.
Kerangka Si/Al-O pada zeolit bersifat rigid, akan tetapi kation bukan merupakan bagian dari kerangka ini. Kation yang berada di dalam rongga zeolit disebut exchangeable cations karena bersifat mobil dan dapat digantikan oleh kation lainnya.
Keberadaan dan posisi kation pada zeolit sangat penting untuk berbagai alasan. Lingkar silang dari cincin dan terowongan pada strukturnya dapat diubah dengan mengubah ukuran atau muatan kation. Secara signifikan hal ini akan mempengaruhi ukuran molekul yang dapat teradsorbsi. Pengubahan pada pengisian kationik juga akan mengubah distribusi muatan di dalam rongga yang akan mempengaruhi sifat adsorptif dan aktivitas katalitik dari zeolit tersebut. Dengan alasan ini maka sangat penting untuk mengatur posisi kation di dalam kerangka dan banyak penelitian telah dilakukan untuk maksud tersebut.
Zeolit umumnya memiliki struktur tiga dimensi, yang terbentuk dari tetrahedral alumina dan silika dengan rongga-rongga di dalam yang berisi ion-ion logam, biasanya alkali atau alkali tanah dan molekul air yang dapat bergerak bebas. Secara empiris, rumus molekul zeolit adalah Mx/n.(AlO2)x.(SiO2)y.xH2O. Struktur zeolit sejauh ini diketahui bermacam-macam, tetapi secara garis besar strukturnya terbentuk dari unit bangun primer, berupa tetrahedral yang kemudian menjadi unit bangun sekunder polihedral dan membentuk polihendra dan akhirnya unit struktur zeolit.
Berikut adalah beberapa contoh jenis mineral zeolit beserta rumus kimianya:
Nama Mineral
|
Rumus Kimia Unit Sel
|
Analsim
|
Na16(Al16Si32O96). 16H2O
|
Kabasit
|
(Na2,Ca)6 (Al12Si24O72). 40H2O
|
Klipnoptolotit
|
(Na4K4)(Al8Si40O96). 24H2O
|
Erionit
|
(Na,Ca5K) (Al9Si27O72). 27H2O
|
Ferrierit
|
(Na2Mg2)(Al6Si30O72). 18H2O
|
Heulandit
|
Ca4(Al8Si28O72). 24H2O
|
Laumonit
|
Ca(Al8Si16O48). 16H2O
|
Mordenit
|
Na8(Al8Si40O96). 24H2O
|
Filipsit
|
(Na,K)10(Al10Si22O64). 20H2O
|
Natrolit
|
Na4(Al4Si6O20). 4H2O
|
Wairakit
|
Ca(Al2Si4O12). 12H2O
|
Di Indonesia, jumlah zeolit sangat melimpah dan tersebar di berbagai daerah baik di pulau Jawa, Sumatera, dan Sulawesi. Pemanfaatan zeolit Indonesia untuk penggunaan secara langsung belum dapat dilakukan, karena zeolit Indonesia banyak mengandung campuran (impurities) sehingga perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau memisahkannya dari kotoran-kotoran.
Karena sifat fisika dan kimia dari zeolit yang unik, sehingga dalam dasawarsa ini, zeolit oleh para peneliti dijadikan sebagai mineral serba guna. Sifat-sifat unik tersebut meliputi dehidrasi, adsorben dan penyaring molekul, katalisator, dan penukar ion. Zeolit mempunyai sifat dehidrasi (melepaskan molekul H20) apabila dipanaskan. Pada umumnya struktur kerangka zeolit akan menyusut. Tetapi kerangka dasarnya tidak mengalami perubahan secara nyata. Disini molekul H2O seolah-olah mempunyai posisi yang spesifik dan dapat dikeluarkan secara reversibel. Sifat zeolit sebagai adsorben dan penyaring molekul, dimungkinkan karena struktur zeolit yang berongga, sehingga zeolit mampu menyerap sejumlah besar molekul yang berukuran lebih kecil atau sesuai dengan ukuran rongganya. Selain itu kristal zeolit yang telah terdehidrasi merupakan adsorben yang selektif dan mempunyai efektivitas adsorpsi yang tinggi.
Kemampuan zeolit sebagai katalis berkaitan dengan tersedianya pusat-pusat aktif dalam saluran antar zeolit. Pusat-pusat aktif tersebut terbentuk karena adanya gugus fungsi asam tipe Bronsted maupun Lewis. Perbandingan kedua jenis asam ini tergantung pada proses aktivasi zeolit dan kondisi reaksi. Pusat-pusat aktif yang bersifat asam ini selanjutnya dapat mengikat molekul-molekul basa secara kimiawi. Sedangkan sifat zeolit sebagai penukar ion karena adanya kation logam alkali dan alkali tanah. Kation tersebut dapat bergerak bebas didalam rongga dan dapat dipertukarkan dengan kation logam lain dengan jumlah yang sama. Akibat struktur zeolit berongga, anion atau molekul berukuran lebih kecil atau sama dengan rongga dapat masuk dan terjebak.
E. Aplikasi Zeolit
Seperti telah disinggung di atas, bahwasanya dalam dasawarsa ini, zeolt telah dimanfaatkan secara luas oleh masyarakat. Table 1 adalah beberapa contoh bidang aplikasi zeolit.
Tabel 1. Bidang Aplikasi Zeolit dan Penerapannya
Bidang/Sektor
|
Aplikasi
|
Pertanian
|
Penetral keasaman tanah, meningkatkan aerasi tanah, sumber mineral pendukung pada pupuk dan tanah, serta sebagai pengontrol yang efektif dalam pembebasan ion amonium, nitrogen, dan kalium pupuk.
|
Peternakan
|
Meningkatkan nilai efisiensi nitrogen, dapat mereduksi penyakit lembuhg pada hewan ruminensia, pengontrol kelembaban kotoran hewan dan kandungan amonia kotoran hewan.
|
Perikanan
|
Membersihkan air kolam ikan yang mempunyai sistem resikurlasi air, dapat mengurangi kadar nirogen pada kolam ikan.
|
Energi
|
Sebagai katalis pada proses pemecahan hidrokarbon minyak bumi, sebagai panel-panel pada pengembangan energi matahari, dan penyerap gas freon.
|
Industri
|
Pengisi (filler) pada industri kertas, semen, beton, kayu lapis, besi baja, dan besi tuang, adsorben dalam industri tekstil dan minyak sawit, bahan baku pembuatan keramik.
|
Sifat-sifat unik zeolit yaitu dehidrasi, adsorben dan penyaring molekul, katalisator, dan penukar ion memungkinkan penggunaannya sangat luas. Zeolit secara luas digunakan terutama dalam tiga aplikasi: adsorben, katalis, pertukaran ion (Auerbach, 2003: 14)
Tabel 2 berisi daftar aplikasi adsorben umum dan berfokus pada membersihkan molekul polar atau senyawa terpolarisasi untuk proses pemurnian dan pemisahan massal didasarkan pada proses penyaringan molekuler. Zeolit berfungsi sebagai penyaring alami. Air tanah yang dilewatkan kolom gelas berisi zeolit, kadar Fe dapat diturunkan sampai 55%, sedangkan kadar Mn dapat diturunkan sampai 100% (Abdur Rahman & Budi Hartono. 2004: 1-6).
Table 2 Aplikasi Adsorben Zeolite sebagai Saringan Molekuler Komersial
Pemurnian
|
Pemisahan massal
|
Pengeringan
· Gas alam
· Cracking gas
· Jendela terisolasi
· Refrigerant (pembeku)
|
Pemisahan n-parafin atau isoparafin
Pemisahan xylena
|
Membersihkan CO2: gas alam dan pabrik oksigen cair
|
Pemisahan olefin
Pemisahan pelarut organik
|
Membersihkan senyawa belerang
|
O2 dari udara
|
Sweetening gas alam dan LPG
|
Pemisahan CO2, SO2, dan NH3
|
Membersihkan polutan: Hg, NOx, SOx
|
Pemisahan gula
|
Membersihkan bahan organic dan anorganik dari aliran umpan asam asetat komersial
|
Pemisahan asam amino dan nitroamina
|
(Sumber: Auerbach, 2003: Chapter 1 p 14)
Tabel 3 berisi daftar aplikasi utama katalisis oleh zeolit. Transformasi hidrokarbon oleh zeolit, pertukaran kation NH4+ dan spesi multivalen. Zeolit mengalami peningkatan penggunaan untuk sintesis bahan kimia organik antara. Keuntungan dari zeolit sebagai katalis heterogen adalah pemisahannya mudah dan mudah dilakukan regenerasi. Setiadi dan kawan-kawan menemukan bahwa metanol (CH3OH) dapat dibuat dari umpan utama gas CO2 dan H2 dengan katalis katalis zeolit alam. Meskipun telah ada penemuan peningkatan kinerja zeolit selama 50 tahun terakhir, tetapi hanya sebagian sangat kecil yang pernah menemukan aplikasi yang dapat digunakan secara komersial.
3. Aplikasi pertukaran ion
Tabel 4 adalah daftar aplikasi zeolit untuk pertukaran ion. Penggunaan utama dari zeolit sebagai penukar ion adalah untuk pelunakan air dalam industri deterjen dan penggunaan pengganti fosfat.Zeolit mampu menggantikan peran fosfat sebagai pembentuk (builders) dalam detergen (Harjanto, 1987). Penggunaan zeolit sebagai pembentuk memiliki beberapa keunggulan antara lain: (1) zeolit menurunkan ongkos produksi detergen (low cost), (2) menurunkan kesadahan air, dan (3) menghilangkan logam-logam berat seperti besi, mangan, dan tembaga. Selektivitas zeolit A untuk Ca2+ menghasilkan keuntungan yang unik. Zeolit alam penggunaannyacukup baik untuk membersihkan radioisotop Cs+ dan Sr2+ dengan pertukaran ion dari aliran limbah radioaktif.
Tabel 5 memberikan contoh aplikasi zeolit yang berhubungan dengan kesehatan. Aplikasi massal untuk serbuk zeolit telah muncul untuk menghilangkan bau dan sebagai aditif plastik.
Zeolit diyakini dapat melindungi dan memulihkan kesehatan kita dengan cara-cara:
• Menghilangkan radiasi keracunan (x-ray, keamanan scanner, nuklir)
• Detoksifikasi logam berat, termasuk mercury, timbal, & cadmium
• Mengurangi lingkungan beracun (asap, radiasi ponsel, bahan kimia)
• Menonaktifkan kanker, virus, dan parasit
• Menghapus bahan radioaktif dari tubuh (cesium, plutonium, dan uranium)
• Meningkatkan sistem kekebalan tubuh, menghilangkan racun dan merevitalisasi tubuh
Penelitian mengenai zeolit telah berkembang menuju preparasi material baru dengan memasukkan berbagai molekul atau ion ke dalam sangkar zeolit. Misalnya pigmen ultramarine pada struktur sodalite dan mengandung ion S3-yang terjerat pada sangkar yang memberikan warna biru yang menarik.Salah satu bidang penelitian ini telah terfokus pada pembentukan deposit material semikonduktor pada sangkar zeolit. Hasilnya berupa partikel yang sangat kecil yang disebut titik quantum (quantum dots). Partikel ini mempunyai sifat elektronik, magnetik dan optikal yang sangat menarik yang merupakan konsekuensi dari ukurannya daripada dari komposisi kimia. Selama proses pengisian pori, titik quantum menjadi bersambung dan material yang dihasilkan mempunyai sifat intermediet diantara partikel diskrit dan bulk semikonduktor. Salah satu contohnya adalah band gap semikonduktor CdS yang membentuk kubik diskrit klaster (CdS)4 pada sangkar sodalite dari zeolit-A, -X dan –Y yang berbeda dengan bulk CdS.
Berbagai molekul atau ion lain dapat dimasukkan ke dalam β-cages dari zeolit termasuk logam alkali, perak dan garam perak, selenium serta berbagai polimer konduktif. Berbagai material baru ini sedang diteliti dengan pusat perhatian pada sifat fisika yang penting (semikonduktor, fotokonduktif dan konduktivitas ion, luminescence, warna dan efek ukuran quantum) yang kemudian mempunyai kemungkinan eksploitasi secara komersial.
