Sintesis dan Karakterisasi Zeolit NaP Menggunakan Limbah Kaolin sebagai Sumber Silicon dan Aluminium E de dema marr ino Araujo A raujo H i lde ldebrand brando oa* , C hri stia stiano no Gi ane nesi si B as asto toss And A ndrad rade e b , Carlos August A ugusto o F err eir a da da Rocha Rocha Juni or ,c Rômulo Si Sim mões Angélica , d,
Laboratorium Material aCeramic, Fakultas Teknik Material, Universitas Federal Pará - UFPA, CEP 68505-080, Marabá, PA, Brasil Bahan Baku BParticulate dan Laboratorium Padat Non - Logam, Departemen Metalurgi dan Teknik Material, Universitas São Paulo - USP, São Paulo, SP, Brasil cFaculty Teknik Kimia, Institut Teknologi, Universitas Federal Pará - UFPA, Marabá, PA, Brasil dFaculty of Geology, Institut Geosains, Universitas Federal Pará - UFPA, Marabá, PA, Brazil F r anc ancii sco Rolando Rolando V ale alenzue nzuela-D la-Dii az , Robe Roberto de F reita reitass Nev Neve es b
Diterima: 20 Juni 2013; Direvisi: 15 Januari 2014
Sintesis zeolit NaP menggunakan limbah kaolin, dari daerah Amazon, sebagai sumber utama dari silikon dan aluminium telah dipelajari. Proses zeolitisasi terjadi pada kondisi hidrotermal menggunakan otoklaf statis dan efek waktu, suhu, dan rasio Si / Al diselidiki. Bahan awal dan fasa yang terbentuk sebagai produk reaksi ditandai dengan XRD, SEM d an FTIR. Hasil penelitian menunjukkan bahwa NaP zeolit murni disintesis secara hidrotermal, pada suhu 100 ° C se lama 20 jam, menggunakan bahan limbah metakaolin dalam media alkali dengan penambahan silika tambahan. XRD dan analisis SEM menunjukkan bahwa zeolit yang disintesis menghasilkan kristalinitas yang baik. Kata kunci: zeolit P, sintesis hidrotermal, limbah industri kaolin, wilayah Amazon
1. Perkenalan
Zeolit adalah aluminosilikat berpori dengan kristalin Struktur yang dibentuk oleh kombinasi silika tetrahedral [SiO4] 4- dan alumina [AlO4] 5-, bergabung dengan atom oksigen. Secara tradisional, bahan mikropori ini biasanya dihasilkan dari alumina hidrogel dan silikat silikat; Namun, produksi zeolit dari sumber alternative dari silika dan alumina seperti abu, gelas vulkanik diatomit dan lempung, terus diselidiki. Antara tanah liat, beberapa peneliti telah mempelajari persiapannya zeolit dari kaolin dan telah berhasil di sintesis zeolit, terutama NaA , mor denite, faujasites, dan zeolit NaP9. Menurut Asosiasi Zeolit Internasional (IZA) 11 zeolit NaP memiliki tipe struktur GIS (gismondine) menunjukkan pori-pori kecil. Hasil struktur seperti itu menarik karena aplikasinya baik di industri maupun di Indonesia perlindungan lingkungan hidup 3,12. Biasanya, jenis zeolit ini Sintesis terjadi pada suhu yang berkisar antara 70 ° C sampai 250 ° C selama waktu kristalisasi yang lama13. Standar prosedur yang ditetapkan oleh IZA untuk mendapatkan zeolit NaP berdasarkan karya Rees dan Chandreskar itu mensintesis fase zeolitik ini dalam kondisi hidrotermal pada pada 85 ° C selama 60 hari, menggunakan kaolin dari India sebagai sumbernya dari silikon dan aluminium. Baru-baru ini, Acorsi et al.10 menggunakan Kaolin Brasil dari berbagai sumber diperoleh zeolit NaP pada suhu 100 ° C dalam 4 hari, dengan menggunakan prosedur fusi basa. Di Konteks ini, effciency dalam proses sintesis ini jenis zeolit membutuhkan bahan baku, waktu, dan suhu kristalisasi. Brazil dan A.S. memiliki beberapa cadangan terbesar dari kaolin di planet ini. Di Brasil, negara bagian Pará (Amazon wilayah) menonjol karena memiliki salah satu yang paling penting deposit kaolin internasional untuk industri kertas14. Selama Langkah pengolahan untuk pemurnian kaolin mentah, limbahnya diproduksi dan disimpan di kolam pengendapan yang menempati besar daerah. Situasi ini menimbulkan masalah akibat dampaknya di lingkungan15. Limbah kaolin tidak sesuai untuk digunakan dalam pembuatan kertas industri; Namun, bahan ini berpotensi untuk dimiliki digunakan dalam aplikasi lain, seperti: alumina production15, refraktori16, pozzolans17 dan sintesis zeolitik bahan18-20. Pemanfaatan limbah kaolin untuk produksi Nae zeolit mungkin merupakan alternatif yang baik untuk menggunakan kembali ini bahan. Dengan demikian, keuntungan ek onomi akan didapat lebih dari reagen kimia yang digunakan dalam proses untuk mendapatkan zeolite itu relatif mahal Oleh karena itu, tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mensintesis zeolit NaP menggunakan limbah kaolin dari wilayah Amazon sebagai sumber utama silikon dan aluminium, meningkatkan waktu kristalisasi untuk nilai yang lebih re ndah.
2. Bahan dan Metode
2.1. Bahan Limbah kaolin (KW) dan limbah metakaolin (CKW), diperoleh dari limbah kaolin dikalsinasi pada suhu 700 ° C selama 2 jam digunakan dalam proses zeolitisasi. Ini Bahan diperoleh dari pabrik pelapis kertas terletak di Pará. Sodium metasilikat pentahidrat (Na2O. SiO2.5H2O) dan NaOH komersial digunakan sebagai sumber sekunder silikon dan sebagai agen mineralisasi, masing-masing. 2.2. Perpaduan Bahan zeolitik diperoleh dengan hidrotermal sintesis dalam autoklaf stainless steel (kapasitas 47,4 mL) dilapisi secara internal dengan Te fl on. Pada seri awal percobaan, reaksi hidrotermal dilakukan pada suhu 115 ° C selama 20 jam, gel sintesis disiapkan, dengan mencampur 2,53 g limbah kaolin, NaOH dan natrium metasilicate (Tabel 1). Komposisi batch itu dihitung stoikiometri dengan campuran reaksi dari 3Na2O - Al2O3 - xSiO2 - H2O, dengan nilai x dalam kisaran 3,5 sampai 5,0 mol. Pada seri kedua percobaan, berikut kondisi sintesis dievaluasi: suhu (90, 95, 100 dan 115 ° C pada 20 jam) dan waktu (6, 20, 24 dan 48 jam di a 90 ° C). Sampel didasarkan pada komposisi molar 4Na2O - Al2O3 - 4SiO2 - H2O menggunakan 2,18 g metakaolin bahan buangan, 1.569 g NaOH dan 4.157 g Na2O.SiO2.5H2O. Tidak ada eksperimen yang menua Langkah diaplikasikan pada gel. Volume air ditambahkan di autoklaf adalah 40 mL, dan reaksi zeolitisasi terjadi tanpa agitasi Selanjutnya, produknya dari sintesis yang terbentuk dicuci dengan fltrasi, dengan air suling sampai pH 7-8, kemudian mengalami pengeringan pada suhu 100 ° C selama 24 jam. Kondisi sintesis dirangkum dalam Tabel 1. Table 1..kondisi sintesis sampel First series
Effect of initial SiO2 /Al 2O3 01 02 03 04 05
3.5 4.0 4.5 4.8 5.0
3.117 4.157 5.196 5.819 6.235
1.411 0.941 0.471 0.187 ---
115 115 115 115 115
20 20 20 20 20
4.0 4.0 4.0 4.0
4.157 4.157 4.157 4.157
1.569 1.569 1.569 1.569
90 95 100 115
20 20 20 20
4.0 4.0 4.0 4.0
4.157 4.157 4.157 4.157
1.569 1.569 1.569 1.569
90 90 90 90
6 20 24 48
Second series
Effect of crystallization temperature 01 02 03 04 Effect of crystallization time 01 02 03 04
2.3. Karakterisasi bahan Bahan awal dan produk yang disintesis itu dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X (XRD), pemindaian elektronik mikroskopi (SEM) dan spektroskopi refleksi difus dalam transformasi Fourier inframerah (DRIFTS). XRDs dilakukan pada model difraktometer X'Pert Pro MPD (Panalytical) menggunakan radiasi Cu-Kα (λ = 1,5406 Å) dengan Ni Kβ flter. Kisaran pemindaiannya a dalah 5 ° sampai
90 ° 2θ; 40 kV dan 35 mA. Untuk mengamati morfologi dan ukuran kristal, merek SEM Philips, model XL30, digunakan dan Sampel sebelumnya di metalized dengan flm emas tipis di "sputter coater" merek BALZERS peralatan. Inframerah spektroskopi (FTIR) dilakukan di Thermo-Nicolet Perlengkapan Magna 560 dengan 400 sampai 4000 cm-1 (pertengahan inframerah) scan dan resolusi 4 cm-1, menggunakan sel refleksi yang difus. 3. Hasil dan Pembahasan
3.1. Difraksi sinar-X (XRD) Gambar 1 menunjukkan pola XRD dari limbah kaolin (KW) dan produk yang disintesis. Hal ini menunjukkan bahwa limbah kaolin terutama terdiri dari kaolinit. Sejumlah kecil kuarsa diamati oleh puncak dengan intensitas rendah pada 2θ = 26,7 °. Itu Rasio SiO 2 / Al2O3 adalah salah satu parameter
utama yang membimbing pembentukan struktur kristal zeolit1. Pada pola XRD dari produk yang disintesis diperoleh setelah proses zeolitisasi menggunakan limbah kaolin, pembentukan zeolit NaP diamati melalui refleksi pada 2θ = 12,4 °, 17,7 °, 21,8 °, 28,2 ° dan 33,5 °, sesuai dengan data dari penelitian lain3,12. Untuk rasio SiO2 / Al2O3 sebesar 3,5 mol, analisis difraksi sinar-X menunjukkan adanya zeolit faujasite pada sampel tersintesis yang terbukti dari reduksi intensitas rendah di dekat 2θ = 6,2 °, 15,6 ° dan 30,9 °. Menganalisis perubahan beberapa puncak yang diamati oleh XRD Pola produk yang disintesis, sangat menarik untuk diperhatikan bahwa NaP zeolit yang terbentuk adalah dari kubik dan tetragonal
Gambar 1. Pola XRD dari produk yang disintesis menggunakan limbah kaolin (KW) ke rasio SiO2 / Al2O3 dari 3,5 sampai 5,0 mol. P = zeolit N aP, F = faujasite, K = kaolinit, * = kuarsa.
mengetik. Yang pertama, yang mendominasi dalam sampel dengan SiO2 / Al2O3 (3,5 dan 4,0 mol), dan yang terakhir dalam rasio tertinggi. Ini dibenarkan misalnya dengan pengamatan beberapa orang Puncak sederhana terbagi menjadi puncak kembar seperti puncak (200) pada 2θ = 17,7 ° yang membelah (200) dan (002). Menurut Breck1 , fenomena ini biasanya diamati
ketika array simetri yang lebih tinggi berubah menjadi simetri yang lebih rendah array; Dalam hal ini, NaP zeolit kubik menjadi tetragonal zeolite Tidur sebentar. Perilaku serupa diamati pada Huo et al.21 di dimana sampel zezolit NaP berturut-turut disintesis dengan dua morfologi yang berbeda. Hasil XRD (Gambar 1) menunjukkan bahwa pada produk yang disintesis ditemukan sebagai kotoran, kuarsa dan kaolinit, berasal dari kaolin Sampel limbah. Fakta ini dapat diverifikasi dengan adanya fase mineral ini dalam pola XRD. Gambar 2 menunjukkan hasil reaksi sintesis yang digunakan bahan limbah metakaolin. Pada tahap ini, kristalisasi waktu dan suhu dipelajari. Pertama, kehilangan KW
kristalinitas diamati dari pola XRD CKW, menunjukkan metakaolinisasi efektif pada 700 ° C untuk 2 jam. Metakaolinite jauh lebih reaktif dan karenanya a sumber yang sangat cocok untuk sintesis zeolit22.
Gambar 2a menunjukkan bahwa pembentukan zeolit NaP diinduksi pada suhu 95 ° C dan 20 h. Pada suhu 100 ° C dan 20 jam, NaP muncul sebagai fase tunggal dari kristalinitas tinggi sesuai dengan sinyal kuat di Pola XRD Di bawah dan di atas kisaran suhu ini, fase kompetitif muncul sebagai faujasite dan chabazite. Laporan literatur1,8, menunjukkan bahwa kedua jenis zeolit ini dapat terbentuk dari pola komposisi yang sama (Na2O - Al2O3 - SiO2 - H2O), sehingga bersaing dengan zeolite Tidur sebentar. Gambar 2b menunjukkan bahwa pada suhu 90 ° C selama 6 jam reaksi Waktu, tidak ada fase zeolitik yang terbentuk. Hanya keberadaan bahan amorf diamati, begitu pula kehadirannya dari puncak karakteristik kuarsa, yang merupakan penyusun dari bahan awal dan, karenanya, bukan produk sintesis. Namun, dengan meningkatkan waktu reaksi (hingga 20 jam), Refleksi karakteristik zeolit NaP diamati. Bersaing dengan itu, zeolit jenis faujasite, sebuah dominasi NaP zeolit terjadi setelah waktu reaksi 48 jam.
Gambar 2. Pola XRD dari produk yang disintesis menggunakan metakaolin bahan limbah (CKW) pada suhu yang berbeda (a) selama 20 jam; dan berbeda (b) kali kristalisasi pada suhu 90 ° C. P = zeolit NaP, F = faujasite, C = chabazite, * = q
3.2. Scanning electron microscope (SEM) Kemajuan reaksi zeolitisasi dapat diamati melalui perubahan morfologi bahan awal dan produk sintesis. Gambar SEM Gambar 3 memungkinkan verifikasi bahwa limbah kaolin (Gambar 3a) terdiri sebagian besar partikel diaglomerasi dengan susun j enis buklet dan kristal pseudo-heksagonal dari kaolinit. Dalam bahan limbah metakaolin, Gambar 3b, Penumpukan dimodifikasi tapi bentuknya dipertahankan18. Itu morfologi sampel yang disintesis dapat diamati dalam mikrograf Gambar 3c dan d; mereka mirip dengan yang disajikan oleh Zubowa et al.13, dimana zeolit NaP adalah Diidentifikasi dengan bentuk semu-bola yang dibentuk oleh kecil piring, yang membentuk polikristal dengan ukuran rata-rata sekitar 7,0- 9,0 μm. Hasil serupa juga dilaporkan oleh Rees dan Chandrasekhar9 yang memperoleh zeolit NaP dengan kebiasaan spherulitik, dan diameter 10,0 mm disintesis dari Kaolinit India Gambar 3c juga menggambarkan koeksistensi sejumlah kaolinit yang tidak bereaksi selama proses berlangsung, yang berhubungan dengan hasil dari XRD pada Gambar 1. Defnisi yang lebih baik dalam morfologi kristal diamati pada Gambar 3d, sehubungan dengan yang ditunjukkan pada Gambar 3c, dapat dilakukan dikaitkan dengan peningkatan kristalisasi zeolite NaP dalam kondisi dipelajari.
3.3. IR-spektroskopi (FTIR) Spektrum getaran pada Gambar 4 menunjukkan perubahan itu terjadi dari bahan awal hingga produk sintesis. Dalam sampel KW (spektrum a pada Gambar 4), ada pita peregangan gugus OH pada 3697, 3653 dan 3621 cm-1, karakteristik kaolinit. Ketiadaan mereka dalam sampel CKW (spektrum b pada Gambar 4) menunjukkan konversi dari kaolin menjadi metakaolin23. Untuk produk yang disintesis (spektra c dan d pada Gambar 4), band dengan maksimum di 3420 dan 1646cm-1 adalah aneh getaran kelompok fungsional tipe OH dan dianggap berasal untuk air dengan sifat zeolitik. Perilaku serupa ditemukan oleh Albert et al.24 saat me ndapatkan NaP zeolit sangat kristal. Menurut Huo et al.21, frekuensi mendekati 1000 cm-1 adalah dianggap berasal dari peregangan asimetris dari ikatan Si-O atau Al-O. Getaran pada 435 cm-1 berhubungan dengan mode deformasi dari obligasi yang sama. Puncak di dekat 680 dan 745 cm-1 adalah ditugaskan untuk simetris T-O-T getaran (T = Si, Al) dari zeolite Struktur kerangka kerja Na P. Puncak pada 610 cm-1 menunjukkan getaran cincin ganda yang merupakan struktur fase zeolitik
Gambar 4. Spektrum FTIR dari sampel (a) limbah kaolin; (b) bahan limbah metakaolin; (c) sampel yang disintesis di 115 ° C / 20 jam dari limbah kaolin; (d) sampel yang disintesis di 100 ° C / 20 jam dari limbah metakaolin
4. Kesimpulan
Limbah Kaolin dari kawasan Amazon memang menjanjikan sumber silikon dan aluminium untuk sintesis dari zeolit NaP. Dengan demikian, NaP zeolit murni dengan baik kristalinitas diperoleh pada 100 ° C dalam waktu 20 jam sintesis, menggunakan limbah kaolin termal aktif. Hal ini menunjukkan bahwa waktu dan suhu zeolitisasi memiliki peran penting dalam kristalisasi dari fase yang diinginkan Masa reaksi 20 jam untuk pembentukan NaP zeolit dalam kondisi yang dipelajari, jauh lebih pendek dari waktu yang ditentukan oleh prosedur standar IZA (60 hari). Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada CAPES dan Vale Company untuk mendukung penelitian ini.
