Lempung Sebagai Katalis

          Lempung merupakan mineral sekunder dan tergolong aluminium filosilikat terhidrasi (Barroroh, 2007). Mineral lempung (clay) sangat umum digunakan dalam industri keramik. Lempung adalah material yang memiliki ukuran diameter partikel  < 2 μm dan dapat ditemukan dekat permukaan bumi. Karakteristik umum dari lempung mencakup komposisi kimia, struktur lapisan kristal dan ukurannya. Semua mineral lempung memiliki daya tarik terhadap air. Sebagian mudah untuk membesar dan dapat memiliki volume 2 kali lebih besar dalam keadaan basah. Mineral lempung terdiri atas berbagai jenis, antara lain: kaolinit, monmorilonit, illit atau mika, dan Antapulgit (Qadari, 2010).

Struktur atom mineral lempung terdiri dari dua unit struktural, yaitu:

a.    Silika tetrahedral, yang terdiri dari empat atom oksigen mengelilingi satu atom silicon, kombinasi ini membentuk lempeng silica (shilica sheet).

b.    Aluminium oktahedral, yang terdiri dari enam gugus hidroksil yang mengelilingi sebuah atom aluminium. Kombinasi ini membentuk lempeng gibbsite (gibbsite sheet) atau dapat juga disebut lempeng brucite (brucite sheet) bila atom Al digantikan oleh Mg (Qadari, 2010).

Tabel 2.4. Komposisi Kimia dalam Lempung

Senyawa	Jumlah (%)
Silika (SiO2)	61,43
Alumina (Al2O3)	18,99
Besi Oksida (Fe2O3)	1,22
Kalsium Oksida (CaO)	0,84
Magnesium Oksida (MgO)	0,91
Sulfur Trioksida (SO3)	0,01
Potasium Oksida (K2O)	3,21
Sodium Oksida (Na2O)	0,15
H2O hilang pada suhu 1050C	0,6
H2O hilang pada pembakaran diatas 1050C	12,65

Sumber : (Kurniasari, 2008)

Tinjauan Umum Lempung

Mineral lempung adalah hidrat alumina silika dan beberapa diantaranya mengandung alkali dan alkali tanah sebagai komponen yang sangat  penting. Mineral lempung ini bersifat liat atau plastis dan umumnya kristalin karena atom-atom yang membentuknya tersusun dalam suatu pola geometris tertentu. Partikel lempung berukuran 0,002 nm dan hanya dapat dilihat dengan mikroskop elektron(Barrier,1978).

Tanah lempung secara geologis adalah mineral alam dari keluarga silikat yang terbentuk kristal dengan struktur berlapis dan mempunyai ukuran partikel lebih kecil dari 2  µm, berwarna agak kecoklat-coklatan dan mudah dibentuk dalam keadaan basah, serta mengeras dengan warna kemerah-merahan jika dibakar. Batu lempung menurut Pettijohn (1975) adalah batuan yang pada umumnya bersifat plastis, berkomposisi hidrous alumina silikat atau mineral lempung yang mempunyai ukuran butiran halus (batu lempung adalah batuan sedimen yang mempunyai ukuran butir kurang dari 0,002 atau 1/256 mm). Menurut William (1954), batu lempung adalah batuan sedimen klasik yang mempunyai ukuran butir lempung, termasuk didalamnya butiran yang mempunyai diameter kurang dari 1 atau 2 mikron dan secara dominan disusun oleh silika.

Lempung di alam terdapat dalam bentuk pasta lunak, padatan lunak atau sebagai pelapisan buatan, bewarna kuning kecoklatan atau abu-abu. Perbedaan kondisi dan lokasi terdapatnya lempung menyebabkan adanya perbedaan dalam bentuk, warna, kedalaman, komposisi dan kerangka strukturnya (Soeparjo,1990).

Lempung merupakan mineral tanah sebagai kelompok-kelompok partikel kristal koloid yang terjadi akibat proses pelapukan kimia pada batuan. Salah satu penyebab pelapukannya adalah air yang mengandung asam ataupun alkali dan karbon dioksida. Lempung secara khusus penting dalam kimia tanah, karena mempunyai kimia permukaan yang berbeda dari butiran mineral yang berukuran lebih besar. Banyak diantara mineral-mineral dalam lempung tanah berukuran kristalin, sedangkan yang lainnya hanya dapat menunjukkan kekristalan yang kurang sempurna atau strukturnya tidak teratur. Beberapa dari lempung yang bersifat amorf, contohnya gel-gel silika, alumina dan besi oksida (Tan,1998).

Dalam kehidupan kita sehari-hari tanah lempung digunakan sebagai bahan pembuatan bahan batu bata, tembikar dan genteng. Dalam dunia industri tanah lempung dimanfaatkan sebagai bahan pengisi dalam industri kertas, cat, karet dan sebagai adsorben serta katalis.

Struktur Kimia Lempung

Lempung terdiri dari unit silika dan alumina yang tertata secara berlapis membentuk struktur tertentu. Penataan ini menyebabkan pembentukan ruang antarlapis dan muatan. Struktur kristal lempung silikat terdiri dari komponen silika tetrahedral dan alumina oktahedral. Ditinjau dari strukturnya, setiap unit silika tetrahedral terdiri dari beberapa tetrahedron silika yakni apabila sebuah atom silikon dikelilingi oleh empat atom oksigen membentuk konfigurasi sisi empat yang dihubungkan satu sama lain secara horizontal oleh anion oksigen. Sedangkan unit alumina oktahedral terdiri atas beberapa oktahedron alumina silikat yakni apabila sebuah atom alumina dikelilingi oleh 6 atom oksigen atau gugus hidroksi membentuk ruang bersisi delapan yang dihubungkan satu sama lain secara horizontal oleh anion oksigen (Hakim dkk, 1986).

Partikel lempung hampir selalu mengalami hidrasi, yaitu dikelilingi oleh lapisan molekul air. Molekul-molekul air dapat dikeluarkan dari rongga lempung dengan memanaskannya, hanya saja struktur kerangka lempung akan mengalami penyusutan tetapi tidak mengalami perubahan yang nyata pada kerangka dasarnya. Setelah mengalami dehidrasi, permukaan lempung menjadi tidak terlindungi, sehingga medan listriknya akan lebih diperluaskan sampai ke dalam rongga lempung (Josep, 1979).

Jenis-jenis lempung

Secara umum lempung terdiri dari dua bagian yang berlainan yaitu lapisan yang bermuatan negatif tidak terlarut dalam air (misel) dan kumpulan kation yang terikat tidak begitu kuat pada lapisan misel. Selain itu, pada lempung terikat pula molekul air. Molekul ini sebagian terikat pada kation-kation dan sebagian lagi tersisip pada celah antarlapisan penyusun lempung tersebut.

Berdasarkan komposisi penyusunnya lempung dapat dikelompokkan menjadi lempung silikat yang mencakup Ilit, Monmorillonit, Kaolinit, Vermikulit dan Klirit. Kelompok liat oksida yaitu gibbsit dan hematit (Foth, 1990). Berdasarkan susunan struktur geometri kerangkanya, lempung dikelompokkan dengan lempung jenis 1:1, 2:1, 2:1:1.

Tabel 1. Jenis-jenis mineral lempung berdasarkan perbandingan struktur kerangka

No.	Tipe Struktur Geometri	Jenis Mineral	Keterangan
1	1:1	Kaolinit Haolisit Anauksit Dikrit	KTK rendah, plastis dan tak mengembang Struktur mirip Kaolinit, berbentuk silinder - -
2	2:1	Monmorrilonit Vermikulit Ilit,Muskovit (hidrous mika)	KTK tinggi (70-100meq/100g), Plastis saat basah (mengembang), keras saat kering KTK tinggi (150 meq/100g), terdapat Mg2+ antarlapisan KTK 30 meq/100g, tidak mengembang. Terdapat K+ antarlapisan 5-8%
3.	2:1:1	Klorit	Tidak mengembang, ruang antarlapisan terdapat mineral brusit, mengandung Mg(OH)2 pada lapisan oktahedral

            Sumber : Hanudin (2004)

Kaolinit

Mineral Kaolinit adalah alumino-silikat yang terhidrasi dengan komposisi kimia umum Al₂O₃:SiO₂.2H₂O = 1:1:2 atau 2 SiO₂.Al₂O₃.2H₂O. Secara struktural mineral Kaolinit tergolong tipe filosilikat tipe 1:1. Kristalnya terdiri dari lapisan aluminium oktahedral tersusun diatas lembar silika tetrahedral. Kedua lembar yang membentuk satu lapis unit dipegang bersama-sama oleh atom-atom oksigen yang secara bersama digunakan oleh atom-atom silikon dan aluminium dalam lembar-lembar yang bersangkutan. Lapisan unit lempung yang menghasilkan ruang antar misel dengan ukuran yang tetap diikat oleh ikatan hidrogen sehingga, interaksi hanya pada permukaan saja (Tan, 1998).

Anggota-anggota dari kelompok Kaolinit adalah Kaolinit, dikit, nakrit, dan haolisit. Kecuali untuk haolisit, mineral lainnya bersifat tidak mengembang dalam air. Haolisit mengandung air dalam ruang antarlapis dan dengan pemanasan mineral ini akan mengalami dehidrasi. Di antara jenis-jenis mineral yang disebut diatas, Kaolinit diperkirakan mineral yang paling luas penyebarannya dalam tanah. Kaolinit merupakan fraksi penting dari lempung pada tanah ultisol dan oxisol serta juga terdeteksi sebagai mineral pelengkap pada tanah alfisol dan vertisol di daerah tropik. Kaolin memiliki banyak aplikasi dalam berbagai industri, diantaranya adalah :

1.    Industri kertas

Kaolin pada industri kertas digunakan sebagai filter dan untuk melapisi permukaan kertas. Sifat yang dimiliki Kaolin yang berwarna putih, memiliki permukaan yang luas dan memiliki abrasivitas yang rendah, menjadikannya sebagai bahan baku yang ideal untuk memproduksi kertas. Kaolin berguna dalam mengurangi jumlah pulp kayu yang mahal, meningkatkan sifat optik dari kertas. Ketika kaolin digunakan sebagai pelapis permukaan kertas, kaolin meningkatkan kualitas warna kertas menjadi lebih putih. Contoh: kertas untuk majalah, brosur, karton dan kertas untuk kotak.

2.    Industri keramik

Pemanfaatan kaolin pada industri keramik umumnya untuk pembuatan bata, genteng, pipa atau saluran air, kloset, washtafel dan lain sebagainya. Kaolin jenis ini mempunyai sifat plastis yang baik, mudah dibentuk dan mudah dihaluskan. Kaolin ini juga tidak mengkerut pada saat pengeringan dan menghasilkan warna yang baik setelah terjadi proses pembakaran.

3.    Industri cat

Pada industri cat, kaolin digunakan sebagai bahan pengisi dalam cat karena memiliki sifat inert, daya rekat yang tinggi, pemolesan yang cepat merata dan warna putih dipakai untuk mengurangi pemakaian pigmen TiO₂.

4.    Industri karet

Kaolin dimanfaatkan dalam industri karet alam atau karet sintetis. Kaolin dicampur dengan lateks untuk meningkatkan sifat-sifat seperti kekuatan dan ketahanan terhadap gesekan.

5.    Industri plastik

Senyawa Kaolin digunakan sebagai campuran di dalam industri plastik dengan tujuan untuk meningkatkan kelembutan permukaan, stabilitas dimensional dan ketahanan terhadap serangan zat kimia pada plastik, untuk cracking selama proses polimerisasi dan selama proses pencetakan.

6.    Industri kosmetik dan farmasi

Kaolin dalam produk kosmetik berfungsi menghilangkan komedo dan kotoran pada kulit serta dapat menyerap minyak yang berlebih dari kulit. Industri farmasi memanfaatkan kaolin untuk mengobati berbagai masalah gastrointestinal.

7.    Agrikultur

Pada industri agrikultur, Kaolin dimanfaatkan dalam pembuatan insektisida. Senyawa Kaolin diubah menjadi partikel-partikel kecil (serbuk) yang kemudian dikemas dan dijual. Pemakaian pada tanaman dapat dilakukan dengan mencampurkan partikel tersebut dengan cairan sticker spreader dan kemudian disemprotkan pada tanaman dan buah-buahan yang ingin dilindungi dari hama. Cara kerja dari kaolin ini adalah memberikan lapisan film pada daun dan buah, sehingga bagi hama jenis serangga yang memakannya akan teracuni (Wang, 2011).

Muskovit

Muskovit adalah mineral lempung tipe 2:1 yaitu susunan kristalnya terbentuk dari susunan dua lempeng silika tetrahedral mengapit satu lempeng alumina oktahedral. Muskovit bersifat tidak mengembang dan termasuk kedalam golongan mika sehingga mineral ini juga dikenal dengan nama mika hidrous atau mika tanah  (Tan, 1998).

Muskovit memiliki formasi struktur kristal yang hampir sama dengan montmorillonit yaitu satu kristal Muskovit memiliki komposisi dan tebal yang hampir sama dengan montmorillonit, perbedaannya ada pada :

1.    Pengikatan antar unit kristal terdapat Kalium (K) yang berfungsi sebagai penyeimbang muatan sekaligus sebagai pengikat.

2.    Tedapat ± 20% pergantian silikon (Si) oleh aluminium (Al) pada lempung tetrahedral.

3.    Struktur mineralnya bersifat tidak mengembang dalam air sebagaimana mineral montmorillonit.

Oleh karena itu, mineral muskovit mengandung kalium pada antarlapis dan lapisan-lapisan unitnya terikat bersama lebih kuat daripada montmorillonit. Maka ruang antar miselnya tidak mengembang dengan adanya penambahan air. Selain itu, sifat mengembang dan mengkerut muskovit kurang intensif dibandingkan dengan montmorollonit. Kapasitas tukar ion (KTK) yang dimiliki mineral muskovit yaitu sekitar 30 meq/100g.

Identifikasi muskovit dapat dengan mudah dilakukan dengan analisis difraksi sinar-X. Mineral ini dicirkan oleh jarak dasar (001) sebesar 10 A. kandungan K yang terdapat didalam muskovit berkisar antara 5-8%. Muskovit telah ditemukan sebagai konstituen penting lempung dalam tanah-tanah millisol, alfisol, spodosol dan aridisol.

Montmorillonit

Mineral montmorillonit adalah silikat alumina terhidrasi dengan sedikit substitusi dan rumusnya sering dinyatakan sebagai Al₂O₃.4SiO₂.xH₂O. Mineral ini biasanya mengandung Mg dan Ca sehingga kadang-kadang mineral ini ditulis sebagai (Mg,Ca)Al₂O₃.4SiO₂.nH₂O. Montmorillonit disebut juga mineral liat 2:1 yang artinya stuktur bangun lembarannya terdiri dari 2 lapisan tetrahedral yang disusun unsur Si(O,OH) yang mengapit satu lapisan oktahedral yang tersususn oleh unsur M(O,OH) dengan M adalah Al, Mg, atau Fe.

Gambar 3. Struktur geometri montmorillonit (Sumber: http://pubs.usgs.gov)

Mineral montmorillonit umumnya berupa butiran sangat halus, sedangkan lapisan penyusunnya tidak terikat secara kuat dalam medium air. Mineral ini menunjukkan pengembangan antarlapis yang menyebabkan volumenya meningkat 2 kali lipat. Jarak dasar montmorillonit meningkat secara seragam dengan penyerapan air (Tan, 1998).

Potensi mengembang-mengkerut yang tinggi merupakan penyebab mineral ini dapat menerima dan menyemat ion-ion logam dan senyawa-senyawa organik. Ion-ion organik diyakini mampu menggantikan kation-kation inorganik pada posisi antarlapis. Montmorillonit yang dipanaskan dalam open pada suhu 105 ^oC, biasanya dicirikan oleh puncak difraksi jarak dasar (d001) pada 10 Å sedangkan dalam kondisi kering udara adalah 12-14 Å. Perbedaan ini disebabkan karena pada posisi kering udara lempung masih memiliki kandungan air. Mineral ini merupakan anasir khas dari lempung pada tanah-tanah vertisol, molisol, afisol, dan juga ditemukan pada beberapa entisol. Pontensi plastisitas dan mengembang yang tinggi dari mineral ini membuat tanah-tanah tesebut bersifat plastis dalam keadaan basa dan keras pada keadaan kering (Tan, 1998).

Vermekulit

Vermekulit merupakan mineral lempung tipe 2:1 yang berbentuk keping mirip mika dan merupakan hasil dari perubahan mika. Vermekulit dapat dibagi kedalam kedua kategori:

a.    Vermekulit sejati, vermekulit sejati tidak dianggap sebagai suatu mineral lempung, tetapi sebagai mineral pembentuk batuan.

b.    Vermekulit lempung adalah suatu silikat magnesium aluminium dengan Mg menempati posisi-posisi oktahedral antara 2 lembar tetrahedral silika. Sejumlah besi dapat dijumpai dalam mineral tersebut. Rumus kimianya dapat dinyatakan secara umum sebagai berikut:

22MgO.5Al₂O₃.Fe₂O₃ .22SiO₂.40H₂O  atau  Mg₃Si₄O10(OH)₂.xH₂O

Nama Vermekulit berasal dari bahasa latin vermeculare atau vermiculari  yang artinya mirip cacing. Karena dengan pemanasan, mineral ini menjadi memanjang dan melengkung (Tan, 1988).

Dalam lapisan tetrahedral terjadi cukup banyak substitusi Si oleh Al. Hal ini merupakan penyebab terdapatnya muatan negatif yang tinggi pada vermekulit. Vermekulit merupakan salah satu dari mineral lempung dengan kapasitas tukar kation (KTK) paling tinggi diantara koloid-koloid anorganik. Kapasitas tukar kationnya adalah sekitar 150 meq/100gr dan melebihi kapasitas tukar kation (KTK) mineral montmorollonit (Tan, 1998).

Klorit

Mineral Klorit ini termasuk silikat magnesium-aluminium terhidrasi. Lembaran oktahedral yang terdiri atas Mg(OH)₂ diapit oleh 2 lembar Si tetrahedral  (Gambar 8). Lembar Mg(OH)₂ disebut sebagai lembar brusit dan ruang antarmisel juga ditempati oleh lembar brusit. Substitusi isomorfis terjadi pada Si tetrahedral yang digantikan oleh Al dan Mg oktahedral dapat disubstitusi oleh Fe atau Al (Tan, 1998).

Pergantian Mg oleh Al yang terjadi dalam lembar brusit yang merupakan penyebab timbulnya muatan positif. Muatan positif ini praktis menetralkan muatan negatif dari lapisan “mika”. Oleh karena itu, klorit hanya mempunyai muatan yang sangat kecil, dan akibatnya nilai KTK-nya juga kecil. Pengisian ruang antarlapis oleh hidroksi merupakan situs untuk pengikatan anion. Fosfor dapat terikat oleh hidroksida antarlapis dari klorit. Adanya lapisan penyeling ini menurunkan pengikatan ion K⁺ dan/atau NH₄⁺  (Tan, 1998).