Revolusi Silika Mesopori: Material Adsorbent Kecil dengan Kemampuan Besar

Penulis: Intan Farhani (Mahasiswa Prodi S1 Kimia, Universitas Pendidikan Indonesia)

Artikel populer ini diajukan untuk memenuji tugas mata kuliah Kimia Permukaan.

Tahukah kamu bahwa limbah yang berasal dari rumah sakit ataupun farmasi dapat mencemari badan air dan mengakibatkan dampak toksik bagi organisme air dan tanah serta peningkatan konsentrasi pada makhluk hidup (bioakumulasi) dan peningkatan konsentrasi dalam jejaring rantai makanan (biomagnifikasi)?

Berbagai penelitian terkini menunjukkan bahwa limbah cair rumah sakit berpotensi mengandung berbagai senyawa farmasi termasuk antibiotik yang dapat menjadi polutan karena penyerapan yang tidak sempurna oleh tubuh manusia dan pembuangan obat yang kadaluarsa secara tidak benar.

Setelah antibiotik dilepaskan ke lingkungan, mereka dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama, sehingga berpotensi mempengaruhi ekosistem. Keberadaan senyawa ini menjadi masalah yang sangat serius bagi lingkungan karena toksisitas, ketahanan terhadap mekanisme degradasi di lingkungan dan peningkatan konsentrasi di lingkungan.

Untuk mengatasi hal tersebut dapat digunakan metode pengolahan air - fotokatalis. Fotokatalisis adalah proses percepatan reaksi kimia yang dipicu oleh keberadaan katalis yang diaktivasi oleh cahaya, biasanya cahaya ultraviolet (UV) atau cahaya tampak. Dalam reaksi ini, cahaya yang diserap oleh fotokatalis menghasilkan pasangan elektron-hole (e⁻/h⁺), yang kemudian berperan dalam reaksi kimia untuk mengoksidasi atau mereduksi senyawa tertentu.

Proses fotokatalisis memiliki empat tahapan utama: (1) Penyerapan Cahaya: Fotokatalis menyerap cahaya dengan panjang gelombang tertentu, mengaktivasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. (2) Pemisahan Elektron dan Hole: Cahaya menghasilkan pasangan elektron-hole, yang memisahkan diri untuk menghindari rekombinasi. (3) Reaksi Redoks di Permukaan: Hole mengoksidasi zat pada permukaan, sementara elektron bereaksi dengan molekul lain (misalnya, air atau oksigen). (4) Desorpsi Produk: Produk hasil reaksi dilepaskan dari permukaan fotokatalis untuk memulai siklus baru.

Beberapa material yang sering digunakan sebagai fotokatalis, yaitu logam oksida semikonduktor TiO2 yang dikenal mempunyai band gap yang sesuai untuk menguraikan polutan menjadi struktur yang lebih sederhana sehingga mudah terurai. Namun, TiO2 ini memiliki keurangan, yaitu luas permukaan yang kecil dan daya serap substrat yang buruk.

Lalu apakah ada material lain yang dapat menunjang kinerja TiO2?

Untuk mengatasi hal ini, menggabungkan titania dengan silika mesopori yang memiliki luas permukaan besar. Silika mesopori, sebuah material inovatif dengan struktur yang unik dan kemampuan luar biasa. Dalam dunia teknologi material, silika mesopori telah menjadi sorotan utama karena luas permukaannya yang sangat besar, pori-pori seragam, dan fleksibilitasnya untuk digunakan di berbagai bidang, mulai dari pengolahan limbah hingga biomedis.

Keberadaan silika mesopori ibarat sebuah "pahlawan tak terlihat" yang bekerja di balik layar untuk menyelesaikan berbagai tantangan besar, seperti pencemaran lingkungan. Apalagi, material ini bisa diproduksi dari limbah agroindustri seperti sekam padi, ampas tebu, hingga jerami—membuktikan bahwa teknologi canggih bisa berjalan beriringan dengan keberlanjutan lingkungan. Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi dunia silika mesopori: apa yang membuatnya begitu istimewa, bagaimana ia dihasilkan, serta mengapa material ini disebut sebagai salah satu kunci untuk menciptakan masa depan yang lebih bersih dan hijau. Siap mengenal lebih dekat material kecil dengan kemampuan besar ini? Mari kita mulai!

Eits, tapi sebelum mengenal silika mesopori sebagai sebuah material adsorbent lebih dalam, mari kita ketahui terlebih dahulu mengenai ”material adsorbent dan proses adsorpsi”.  Kira-kira apa ya?

Material adsorben

Material adsorben adalah bahan yang digunakan untuk menyerap (adsorpsi) zat tertentu dari lingkungan sekitarnya, seperti gas, cairan, atau senyawa kimia tertentu. Material ini memiliki aplikasi luas dalam industri, lingkungan, kesehatan, hingga teknologi energi.

Metal Oxide (Oksida Logam) sebagai material adsorben merupakan salah satu kelompok bahan yang memiliki potensi besar dalam aplikasi adsorpsi. Material ini digunakan secara luas karena sifat kimia dan fisisnya yang unik, seperti luas permukaan tinggi, reaktivitas kimia, dan kemampuan untuk dimodifikasi guna menyerap berbagai zat polutan atau gas tertentu.

Adsorpsi

Adsorpsi adalah proses fisik atau kimia di mana molekul, ion, atau partikel tertentu dari suatu fluida (gas atau cairan) menempel pada permukaan suatu bahan (adsorben). Berbeda dengan absorpsi (penyerapan), adsorpsi hanya terjadi pada permukaan material tanpa penetrasi ke dalam struktur dalamnya. Nah, dibawah ini merupakan ilustrasi gambar perbedaan adsorpsi dengan absorpsi.

(Adsopsi dan Absorpsi (Sumber: https://www.javatpoint.com/adsorption-definition))

Karakteristik Utama Adsorpsi:

1. Bersifat Permukaan: Terbatas pada lapisan permukaan adsorben.
2. Reversibilitas: Proses ini dapat bersifat reversible (dapat dilepaskan kembali) atau irreversible, tergantung jenis interaksi.
3. Interaksi Fisik atau Kimia:
   • Adsorpsi fisika (physisorption): Melibatkan gaya Van der Waals (gaya lemah).
   • Adsorpsi kimia (chemisorption): Melibatkan ikatan kimia kuat antara adsorbat dan permukaan adsorben.  Ada banyak perbedaan antara kedua jenis adsorpsi ini seperti fisisorpsi memiliki gaya van der Waals yang lemah dan memiliki banyak lapisan molekul. Namun, kemisorpsi memiliki ikatan kimia yang kuat dan memiliki lapisan molekul unimolekuler yang terikat pada situs aktif pada permukaan adsorben. Ilustrasi perbedaan adsorpsi fisikan dan kimia bisa dilihat pada gambar di bawah:
     

     (Perbedaan Physisorption dan Chemisorption (Sumber: https://sciencequery.com/wp-content/uploads/2023/04/Chemisorption.png))

Apakah ada faktor tertentu yang mempengaruhi proses adsorspi? Tentu saja ada!!!

Faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi:

1. Luas Permukaan Adsorben
   Semakin besar luas permukaan, semakin tinggi kapasitas adsorpsi.
2. Sifat Adsorben dan Adsorbat
   Kesepadanan sifat kimia antara adsorben dan adsorbat dapat meningkatkan proses adsorpsi.
3. Tekanan dan Konsentrasi (untuk gas)
   Adsorpsi meningkat seiring bertambahnya tekanan atau konsentrasi adsorbat.
4. Suhu
5. Adsorpsi fisik: Biasanya menurun pada suhu tinggi.
6. Adsorpsi kimia: Dapat meningkat pada suhu tinggi jika energi aktivasi dibutuhkan.

Nah, kita sudah mengetahui nih apa itu material adsorbent dan proses adsorpsi. Selanjutnya kita akan membahas tokoh utama dari artikel ini, yaitu silika mesopori.

Silika Mesopori

Material adsorben berbasis silika dari biomassa merupakan salah satu inovasi yang berkembang pesat dalam teknologi adsorpsi. Salah satu inovasinya yaitu pemanfaatan Silika mesopori sebagai adsorbent. Silika mesopori adalah material anorganik berstruktur nano dengan ciri utama susunan mesopori yang seragam dan teratur dalam matriks silika amorf, memiliki ukuran pori berkisar 2-50 nm. Struktur berporinya menyerupai sarang lebah, dengan distribusi ukuran pori yang sempit dan diameter pori yang dapat disesuaikan, sehingga menjadikannya ideal untuk berbagai aplikasi seperti katalis dan penyerapan.

Keunggulan Silika Mesopori

Silika mesopori memiliki luas permukaan spesifik yang sangat besar, mencapai 1000 m²/g atau lebih, tergantung pada jenis dan metode sintesisnya. Berikut beberapa keunggulan dari silika mesopori:

• Memberikan area aktif yang besar untuk proses penyerapan (adsorpsi) dan reaksi kimia.
• Memungkinkan difusi molekul-molekul besar ke dalam pori, seperti protein, enzim, atau senyawa organik kompleks.
• Ukuran pori dapat disesuaikan selama proses sintesis sesuai kebutuhan aplikasi tertentu, seperti katalis atau pembawa obat.
• Silika mesopori mampu menyerap molekul dalam jumlah besar karena kombinasi luas permukaan tinggi dan volume pori yang besar.
• Digunakan sebagai adsorben untuk polutan organik, logam berat, atau zat warna dalam pengolahan limbah.
• Silika mesopori dapat dikombinasikan dengan material lain, seperti logam oksida (TiO₂, Fe₂O₃) atau karbon.
• Meningkatkan sifat fotokatalitik atau kemampuan adsorpsi.
• Kombinasi ini memungkinkan aplikasi baru, seperti fotokatalis untuk degradasi polutan atau material komposit untuk aplikasi elektronik.

Adakah yang sudah tahu silika dapat didapatkan dari mana? Tadi di awal sebetulnya sudah disinggung lho! Ternyata, silika dapat didapatkan dari limbah agroindustri yang banyaknya tidak digunakan dan menjadi limbah. Apa saja ya kira-kira?

Sumber  Silika

Biomassa yang kaya akan silika, seperti sekam padi, abu jerami, atau ampas tebu, dimanfaatkan untuk menghasilkan material adsorben ramah lingkungan dengan biaya rendah. Silika berbasis biomassa ini sangat potensial untuk berbagai aplikasi, mulai dari pengolahan limbah hingga katalisis.

Sumber Biomassa Kaya Silika

1. Sekam Padi

• Sekitar 20% dari total berat sekam padi mengandung silika.
• Sumber biomassa yang melimpah, terutama di negara agraris.

Pembakaran sekam padi dengan suhu, atmosfer, dan waktu pemrosesan yang diinginkan menghasilkan abu sekam padi yang sangat aplikatif. Komponen utama abu sekam padi adalah silika amorf dan mempunyai struktur orto silikat.

(Struktur SiO2 (a) Kristalin (b) Amorf (Sumber: https://muhendishane.org/temel-malzeme-bilgisi/amorf-yapidaki-seramikler/))

2. Ampas Tebu

Ampas tebu (bagasse) adalah sisa hasil gilingan tebu setelah sari tebu diekstraksi untuk menghasilkan gula. Secara komposisi, ampas tebu mengandung:

• Mengandung silika yang dapat dimurnikan untuk aplikasi adsorpsi.
• Selulosa (40-50%): Komponen utama serat.
• Hemi-selulosa (25-30%): Polimer karbohidrat yang mudah larut.
• Lignin (20-25%): Komponen yang memberikan kekuatan struktural pada serat.
• Silika (1-5%): Kandungan mineral dalam jumlah kecil namun dapat diekstraksi untuk menghasilkan silika murni.

3. Jerami Gandum atau Jagung

Jerami gandum dan jagung merupakan bagian tanaman yang tersisa setelah panen biji-bijian. Keduanya memiliki komposisi utama berupa senyawa organik dan sejumlah mineral, termasuk silika. Berikut ini gambaran umum komposisi jerami gandum dan jagung:

Jerami Gandum:

• Selulosa (30–50%)
• Hemiselulosa (20–30%)
• Lignin (15–25%)
• Silika (4–8%)

Jerami Jagung:

• Selulosa (35–40%)
• Hemiselulosa (25–30%)
• Lignin (15–20%)
• Silika (3–6%)

4. Bambu dan Kulit Kelapa

Bambu adalah bahan alami yang memiliki kekuatan mekanik tinggi, kecepatan tumbuh yang luar biasa, dan komposisi kimia yang kaya. Secara umum, bambu terdiri dari:

• Selulosa (40–50%): Struktur utama yang membentuk dinding sel bambu.
• Hemi-selulosa (20–25%): Komponen karbohidrat yang lebih mudah terdegradasi.
• Lignin (20–30%): Berfungsi sebagai perekat antar-serat.
• Silika (2–4%): Terdapat dalam lapisan luar bambu (kulit) dan seratnya.

Kulit kelapa (coconut husk) adalah limbah pertanian yang melimpah, terutama di negara penghasil kelapa terbesar seperti Indonesia. Kulit kelapa terdiri dari:

• Serat (Coir) (30–35%): Komponen utama yang kaya akan lignin dan selulosa.
• Debu Sabut (Cocopeat) (65–70%): Partikel kecil kaya mineral, termasuk silika (SiO₂).

Proses Pembuatan Silika Mesopori dari Limbah Agroindustri

Pembuatan silika mesopori dari limbah agroindustri melibatkan beberapa tahapan penting, yaitu:

 1. Persiapan Bahan Baku

Limbah agroindustri seperti sekam padi, ampas tebu, atau kulit jagung dikeringkan dan dibersihkan untuk menghilangkan kotoran atau kontaminan lain. Proses ini bertujuan untuk memastikan bahan baku yang digunakan memiliki kemurnian tinggi.

2. Pembakaran untuk Membuat Abu Biomassa

Limbah dibakar pada suhu tinggi (400-800°C) untuk menghasilkan abu biomassa. Abu ini merupakan sumber utama silika amorf yang menjadi bahan dasar pembuatan silika mesopori.

3. Ekstraksi Silika

Abu biomassa diekstraksi menggunakan larutan basa (misalnya NaOH atau KOH). Proses ini menghasilkan natrium silikat, yaitu larutan silika yang larut dalam air.

4. Pembentukan Struktur Mesopori

Larutan natrium silikat kemudian diendapkan dengan penambahan asam (misalnya HCl) untuk membentuk gel silika. Untuk menciptakan struktur mesopori  digunakan agen pembentuk pori (template) seperti surfaktan CTAB (Cetyltrimethylammonium Bromide). Struktur pori terbentuk melalui interaksi molekul surfaktan dengan silika selama proses pengendapan.

5. Kalsinasi

Gel silika dikeringkan dan dipanaskan (kalsinasi) pada suhu tinggi untuk menghilangkan surfaktan dan membentuk silika mesopori dengan pori-pori yang terdefinisi.

Selain mengurangi limbah agroindustri, pemanfaatan limbah untuk pembuatan silika mesopori memiliki keunguulan lain lho!

Keunggulan Silika dari Biomassa

1. Ramah Lingkungan
   • Memanfaatkan limbah pertanian sehingga mengurangi masalah limbah.
   • Mengurangi jejak karbon dibandingkan dengan metode sintesis silika konvensional.
2. Biaya Produksi Rendah
   • Bahan baku murah dan melimpah.
   • Tidak memerlukan proses sintesis kimia yang kompleks.
3. Luas Permukaan Tinggi
   • Silika amorf yang dihasilkan memiliki luas permukaan besar dan sifat adsorpsi yang kuat.
4. Fleksibilitas Aplikasi
   • Dapat dimodifikasi untuk menyerap logam berat, pewarna, gas, atau senyawa organik.

Salah satu contoh sukses pengembangan silika mesopori dari limbah agroindustri adalah pemanfaatan sekam padi. Sebagai limbah pertanian yang melimpah, sekam padi sering kali dibakar begitu saja, menghasilkan polusi udara. Namun, penelitian menunjukkan bahwa sekam padi dapat diolah menjadi silika mesopori dengan efisiensi tinggi.

Dalam sebuah studi, sekam padi dibakar pada suhu 600°C untuk menghasilkan abu. Abu ini kemudian diekstraksi menggunakan larutan NaOH untuk menghasilkan natrium silikat, yang diendapkan menjadi gel silika menggunakan HCl. Proses ini menghasilkan silika mesopori dengan luas permukaan hingga 800 m²/g, yang digunakan untuk menyerap logam berat seperti arsenik dari air limbah.

Tantangan dan Solusi

Meskipun memiliki banyak keunggulan, pengembangan silika mesopori dari limbah agroindustri juga menghadapi beberapa tantangan:

1. Kemurnian Silika:

   - Silika dari biomassa mungkin mengandung kontaminan, seperti karbon atau mineral lain.

   - Solusi: Mengoptimalkan proses pembakaran dan ekstraksi untuk meningkatkan kemurnian.

2. Efisiensi Proses:

   - Proses ekstraksi dan pembuatan mesopori membutuhkan waktu dan bahan kimia tertentu.

   - Solusi: Pengembangan metode yang lebih cepat dan hemat energi, seperti penggunaan teknologi microwave.

3. Skalabilitas:

   - Produksi dalam skala laboratorium sering kali sulit untuk diimplementasikan dalam skala industri.

   - Solusi: Kolaborasi antara akademisi dan industri untuk mengembangkan teknologi yang dapat diimplementasikan secara massal.

Potensi Masa Depan

Silika mesopori dari limbah agroindustri memiliki potensi besar untuk terus dikembangkan. Dengan terus meningkatnya kebutuhan akan material adsorben yang efisien dan ramah lingkungan, silika mesopori dari limbah agroindustri dapat menjadi salah satu solusi utama. Pemanfaatan teknologi modern, seperti pemrosesan berbasis energi terbarukan, dan inovasi dalam desain struktur mesopori akan memperluas aplikasi material ini di berbagai sektor. Selain itu, pendekatan berbasis ekonomi sirkular dapat menjadikan proses ini lebih berkelanjutan. Limbah agroindustri yang sebelumnya hanya dianggap sebagai masalah dapat diubah menjadi sumber daya yang bernilai tinggi, memberikan manfaat bagi lingkungan sekaligus keuntungan ekonomi.

Dengan pengembangan lebih lanjut, silika mesopori berbasis limbah agroindustri tidak hanya berkontribusi pada mitigasi limbah, tetapi juga membuka peluang untuk kemajuan teknologi material di masa depan.

Saat kita menghadapi tantangan zaman, mulai dari pencemaran hingga kebutuhan energi bersih, silika mesopori mengingatkan kita bahwa inovasi terkadang lahir dari hal-hal kecil yang sering terabaikan, seperti limbah biomassa. Dengan memanfaatkan potensi material ini, kita tidak hanya melangkah maju dalam teknologi, tetapi juga memberikan kontribusi nyata untuk masa depan yang lebih berkelanjutan. Bukankah saatnya kita memberi ruang lebih banyak bagi material kecil dengan dampak yang begitu besar ini?