Sintesis dan Studi Kinerja H2SbBP dan H2AdBP pada Ekstraksi Cair-Cair Ce (III) Menuju Pemisahan Logam Tanah Jarang pada Hasil Perlindian Konsentrat Monasit Bangka
SKRIPSI
Delvy 10505056
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
Sintesis dan Studi Kinerja H2SbBP dan H2AdBP pada Ekstraksi Cair-Cair Ce (III) Menuju Pemisahan Logam Tanah Jarang pada Hasil Perlindian Konsentrat Monasit Bangka
(Synthesis and Performance Study of H2SbBP and H2AdBP on the Ce (III) Liquid-Liquid Extraction Aim to the Separation of Rare Earth Elements in a Destruction Product of Bangka Monazite Concentrate)
SKRIPSI Delvy 10505056
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
Yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Delvy NIM
: 10505056
Menyatakan bahwa penulis skripsi dengan judul: Sintesis dan Studi Kinerja H 2 SbBP dan H 2 AdBP pada Ekstraksi Cair-Cair Ce (III) Menuju Pemisahan Logam Tanah Jarang pada Hasil Perlindian Konsentrat Monasit Bangka, di bawah bimbingan Prof. Dr. Buchari, adalah benar-benar
skripsi
tersebut
hasil
karya
tulis
berdasarkan
data
hasil
eksperimen/perhitungan/pemodelan penulis selama melakukan Tugas Akhir Sarjana di Program Studi Kimia FMIPA-ITB. Dengan ini penulis menyerahkan/melimpahkan Hak Cipta dari karya tulis Skripsi tersebut kepada Program Studi Kimia FMIPA-ITB.
Bandung,
Juni 2009
Delvy
ii
Abstract
Rare earth element is a future and much sought material because of its big influence in technology development. Several efforts have been done to get rare earth elements with high purity from the mineral. 4-acyl-5-pyrazolone derivatives are well known as hard Lewis bases chelating ligand and have a strong affinity with hard Lewis acids, like lanthanoids. In this experiment, we synthesize two compounds of 4acyl-5-pyrazolone derivatives, which are 4-adipoylbis(1-phenyl-3-methylpyrazolone5) (H 2 AdBP) and 4-sebacoylbis(1-phenyl-3-methylpyrazolone-5) (H 2 SbBP). H 2 SbBP, product of synthesis, colored yellow, yield before purification is 169.57%, melting point 127.8-132oC, soluble in chloroform, and show a characteristic peaks of pyrazolone ring (1556,55 cm-1) and chelate ring (640,37 cm-1 ; 507,28 cm-1) on IR spectrum. H 2 AdBP, product of synthesis, colored brown, yield before purification is 69.42%, melting point 190.3-197.6oC, soluble in chloroform, and show a characteristic peaks of pyrazolone ring (1560,41 cm-1) and chelate ring (636,51 cm-1 ; 507,28 cm-1) on IR spectrum. As an extractant in liquid-liquid extraction of cerium (III), H 2 SbBP ligand shows better performance than H 2 AdBP ligand. Increase of ligands concentration and pH make an increase of ligands performance as extractants. Chelate complex of ligand-metal results from interaction of a Ce3+ with three β-diketone donor sites in H 2 SbBP or H 2 AdBP ligands. Extraction efficiency was studied with determining highest selectivity (α) of Ce and Y, obtained when using H 2 AdBP ligand with extraction pH 4. In this experiment, we also destruct monazite mineral with NaOH, 1:1 (w/w). Residue from the destruction still contains rare earth elements. Key word: rare earth element, monazite, H 2 SbBP, H 2 AdBP, liquid-liquid extraction
iii
Abstrak
Besarnya pengaruh logam tanah jarang (LTJ) terhadap perkembangan teknologi menjadikan material ini sebagai material masa depan dan banyak dicari. Berbagai usaha dilakukan untuk memperoleh LTJ dengan kemurnian tinggi dari mineralnya. Turunan 4-asil-5-pirazolon dikenal sebagai ligan pengkelat bersifat basa Lewis keras, dan memiliki afinitas kuat dengan asam Lewis keras, seperti lantanida. Dalam penelitian ini, dilakukan sintesis dua senyawa turunan 4-asil-5-pirazolon, yaitu 4adipoilbis(1-fenil-3-metilpirazolon-5) (H 2 AdBP) dan 4-sebakoilbis(1-fenil-3metilpirazolon-5) (H 2 SbBP). Senyawa H 2 SbBP hasil sintesis berwarna kuning, rendeman sebelum dimurnikan sebesar 169,57%; titik leleh 127,8-132oC; dan larut baik dalam kloroform; serta menunjukkan puncak karakteristik cincin pirazolon (1556,55 cm-1) dan cincin pengkelat (640,37 cm-1; 507,28 cm-1) pada spektrum IR. Senyawa H 2 AdBP hasil sintesis berwarna coklat, rendeman sebelum dimurnikan sebesar 69,42%; titik leleh 190,3-197,6oC; dan larut baik dalam kloroform; serta menunjukkan puncak karakteristik cincin pirazolon (1560,41 cm-1) dan cincin pengkelat (636,51 cm-1 ; 507,28 cm-1) pada spektrum IR. Sebagai ekstraktan dalam ekstraksi cair-cair serium (III), ligan H 2 SbBP hasil sintesis menunjukkan kinerja yang lebih baik dibandingkan H 2 AdBP. Kenaikan konsentrasi ligan dan pH dapat meningkatkan kinerja ligan sebagai ekstraktan. Kompleks kelat ligan-logam terbentuk dari interaksi sebuah ion logam Ce3+ dengan 3 sisi donor β-diketon dari ligan H 2 SbBP atau H 2 AdBP. Efisiensi ekstraksi dipelajari dengan menentukan faktor pisah (α) Ce dan Y tertinggi, yang diperoleh ketika menggunakan ligan H 2 AdBP dengan pH ekstraksi adalah 4. Pada penelitian ini juga dilakukan perlindian mineral monasit dengan bantuan NaOH, perbandingan berat 1:1. Residu perlindian masih mengandung LTJ. Kata kunci: logam tanah jarang, monasit, H 2 SbBP, H 2 AdBP, ekstraksi cair-cair
iv
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh:
Nama: Delvy NIM: 10505056
Telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
Juni 2009
Pembimbing
Prof. Dr. Buchari 130 518 666
v
Sebuah kisah tentang seorang Alaska yang tampak murung dan sedang minumminum di sebuah bar. Ia bercerita kepada bartender dengan penuh amarah dan kepahitan bahwa ia telah kehilangan keyakinan kepada Tuhan. ”Pesawat milikku terjatuh di daerah tundra, ratusan mil jauhnya dari rumah penduduk. Aku terbaring di pesawat itu selama beberapa jam dengan keyakinan bahwa Tuhan akan membantuku. Aku berseru kepada Tuhan, aku berdoa dengan segenap hati dan kekuatanku, aku benar-benar memohon bantuan. Namun, meski aku sekarat, Tuhan tidak juga datang menolongku. Jadi, aku tidak memercayai-Nya lagi,” kata orang Alaska itu. Si bartender terheran-heran. ”Tapi aku tidak mengerti,” protesnya. ”Anda disini, selamat, menceritakan hal ini. Itu jelas Anda telah diselamatkan.” ”O ya, memang betul,” jawab orang Alaska. ”Karena akhirnya aku ditolong oleh orang Eskimo....” ”Tak satu peristiwa pun di dunia ini terjadi secara kebetulan. Peristiwa seperti ini pada kenyataannya merupakan ’keajaiban kecil’, berbagai peristiwa yang memberi kita inspirasi yang harus dirayakan.” (Yitta Halberstam & Judith Leventhal) Tuhan, Ajarilah kami berdoa (Lukas 11:1) Jangan putus asa, di dalam Tuhan ada jalan keluar karena Tuhan mampu melakukan apa yang kita tidak dapat lakukan. (Delvy)
Kupersembahkan kepada: Tuhan, Papa, Mama, seluruh keluarga, teman-teman sepermainan dan seperjuangan, dan diriku. Atas segala keajaiban yang aku dapatkan.
vi
Ucapan Terimakasih
Damai beserta kita semua.... Segala puji dan syukur penulis sampaikan pada Tuhan Yesus Kristus, karena atas berkat, bimbingan, dan kasih-Nya penulis bisa menyelesaikan skipsi ini. Kau sediakan jalan hidup terbaik bagi kami. Namun Kau beri kami kebebasan untuk memilih mana jalan yang ingin kami lalui. Ketika kami mulai tersesat semakin jauh, Kau beri petunjuk arah yang benar dan uluran tangan untuk membimbing kami kembali. Terima kasih Tuhan, atas segala hal yang terjadi dalam hidupku.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang setulus-tulusnya kepada Prof. Dr. Buchari selaku pembimbing tugas akhir yang dengan sabar dan penuh pengertian membimbing, mengarahkan, dan memberikan dukungan moril maupun materi kepada penulis dalam melaksanakan tugas akhir ini sehingga ketika penulis mulai merasa jenuh dan lelah, tidak pernah muncul rasa putus asa. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dan mendukung pelaksanaan tugas akhir dan penyusunan skripsi ini: •
Papa, Mama, dan seluruh anggota keluargaku (Ce Ayen, Ce Akhie, Cichong, Ko Amin, Ci Rina, Ce Aman, Cihu Beni, Ce Ayun, Cihu Handi, Ko Ferry, Hesty, Fiska, Steven, Triny, Jessica, dan Ica) yang selalu mengerti keadaanku dan memberi semangat setiap harinya.
•
Dr. Veinardi, Dr. Suryo G., Dr. Bunbun Bundjali, Dr. Indra Noviandri, serta seluruh staf pengajar Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITB, atas semua kebaikan, bekal ilmu, dan nasihat yang telah diberikan selama penulis menjalankan studi sajana.
•
Seluruh karyawan Program Studi Kimia atas segala bantuan dan pengertiannya, khususnya staf Laboratorium Kimia Analitik (Pak Dede, Pak Ajat, Pak Encu, Pak Lanang, Pak Sukawi).
•
Sahabat-sahabat terbaikku yang telah memberikan dorongan kuat untuk terus berusaha (Diana, Pepey, Bebet, Yessy, Emank, Kata, Gita, Lia). vii
•
Sahabat-sahabat terbaikku di Kimia ITB yang telah berbagi kesenangan, kesusahan, dan kebersamaan (Christine, Devi, Lia), dan teman-teman satu bimbingan yang telah banyak membantu kelancaran pelaksanaan tugas akhir (Sita, Jalal, dan Kory), serta teman-teman seperjuangan di Program Studi Kimia, khususnya divisi Kimia Analitik (Han, Cathrine, Oki, Lusi, Indra, Berlian, Endah, Putri, dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu).
Semoga segala bantuan yang telah diberikan mendapat balasan dari Tuhan. Tuhan dapat melihat segala kebaikan hatimu. Penulis sangat menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempuranan, maka dari itu kritik dan saran dari pembaca sangat diharapkan.
Bandung,
Juni 2009
Penulis
viii
Daftar Isi
ABSTRACT ........................................................................................................... iv ABSTRAK ......................................................................................................... ivii UCAPAN TERIMAKASIH ................................................................................... vii DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix DAFTAR TABEL .................................................................................................xiv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xii DAFTAR LAMPIRAN..........................................................................................xiv 1 PENDAHULUAN .................................................................................................1 1.1 Latar Belakang ....................................................................................................1 1.1 Tujuan Penelitian ................................................................................................2 1.1 Ruang Lingkup Penelitian ...................................................................................3 2 TINJAUAN PUSTAKA.........................................................................................4 2.1 Logam Tanah Jarang ...........................................................................................4 2.2 Mineral Monasit..................................................................................................5 2.3 Unsur Ce .............................................................................................................6 2.4 H 2 SbBP dan H 2 AdBP .........................................................................................7 2.5 Spektrofotometri FT-IR (Fourier Transform-InfraRed).......................................8 2.6 Spektrofotometri UV-Vis ....................................................................................9 2.7 X-Ray Diffraction (XRD) ..................................................................................12 2.8 Ekstraksi Cair-Cair............................................................................................13 2.9 Ekstraksi Cair-Cair yang Melibatkan Pengkelat Logam.....................................16 2.10 Pembentukan Kompleks..................................................................................17 2.11 Alizarin ...........................................................................................................18 3 METODOLOGI PENELITIAN ...........................................................................20 3.1 Peralatan ...........................................................................................................20 3.2 Bahan................................................................................................................20 3.3 Diagram Alir Penelitian.....................................................................................21 3.3.1 Sintesis Ligan H 2 SbBP dan H 2 AdBP serta Karakterisasinya ..........................21 3.3.2 Perlindian Pasir Monasit dan Karakterisasi Residu Sisa Perlindian ................. 21 3.4 Cara Kerja.........................................................................................................22 ix
3.4.1 Sintesis serta Karakterisasi H 2 SbBP dan H 2 AdBP ..........................................22 3.4.2 Pembuatan Larutan.........................................................................................22 3.4.3 Penentuan D Ce3+ dengan H 2 SbBP dan H 2 AdBP sebagai Ekstraktan ............23 3.4.4 Perlindian Pasir Monasit dan Karakterisasi Residu Sisa Perlindian .................24 4 HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .....................................................26 4.1 Sintesis dan Karakterisasi H 2 SbBP....................................................................26 4.2 Sintesis dan Karakterisasi H 2 AdBP ................................................................... 34 4.3 Pembuatan Kurva Kalibrasi Larutan Standar Ce3+ ............................................40 4.4 Ekstraksi Cair-Cair Ce3+ dengan Variasi [H 2 SbBP], [H 2 AdBP], dan pH ...........42 4.5 Penentuan Faktor Pisah antara Serium dan Itrium..............................................48 4.6 Perlindian Pasir Monasit dan Karakterisasi Residu Sisa Perlindian....................49 5 KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................55 5.1 Kesimpulan.......................................................................................................55 5.2 Saran.................................................................................................................55 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................57 LAMPIRAN ...........................................................................................................60
x
Daftar Tabel
Tabel 2.1 Nama-nama unsur logam tanah jarang ....................................................1 Tabel 2.2 Komposisi oksida logam tanah jarang (% berat) dalam sampel referensi monasit Bangka ......................................................................................6 Tabel 2.3 Karakteristik unsur serium ......................................................................7 Tabel 2.4 Spektrum cahaya tampak dan warna-warna komplementer .....................9 Tabel 4.1 Hasil Uji Kelarutan H 2 SbBP ................................................................. 27 Tabel 4.2 Data spektrum IR H 2 SbBP dan H 2 AdBP ..............................................28 Tabel 4.3 Faktor pisah Y terhadap Ce pada ekstraksi cair-cair ..............................49
xi
Daftar Gambar
Gambar 2.1
Turunan 4-asil-5-pirazolon .................................................................7
Gambar 2.2
4-asilbis(pirazolon) ............................................................................7
Gambar 2.3
Struktur molekul H 2 SbBP ..................................................................8
Gambar 2.4
Struktur molekul H 2 AdBP..................................................................8
Gambar 2.5
Skema dasar instrumen spektrofotometri UV-Vis .............................10
Gambar 2.6
Geometri dan difraksi sinar X dalam suatu kristal.............................12
Gambar 2.7
Prinsip pemisahan ekstraksi cair-cair ................................................13
Gambar 2.8
Diagram fasa dua pelarut..................................................................15
Gambar 2.9
Skema ekstraksi yang melibatkan pengkelat logam ..........................16
Gambar 2.10 Senyawa kelat EDTA-logam ............................................................18 Gambar 2.11 Struktur molekul Alizarin Red S.......................................................19 Gambar 2.12 Struktur molekul Alizarin................................................................. 19 Gambar 3.1
Diagram alir sintesis dan karakterisasi H 2 SbBP dan H 2 AdBP ..........21
Gambar 3.2
Diagram alir perlindian pasir monasit ...............................................21
Gambar 4.1
Mekanisme reaksi sintesis H 2 SbBP ..................................................25
Gambar 4.2
Hasil sintesis H 2 SbBP setelah ditambah HCl....................................26
Gambar 4.3
Ligan H 2 SbBP setelah disaring dan dikeringkan............................... 26
Gambar 4.4
Spektrum IR H2 SbBP.......................................................................29
Gambar 4.5
Spektrum IR sebakoil .......................................................................30
Gambar 4.6
Spektrum IR MPP ............................................................................31
Gambar 4.7
Spektrum IR H2 SbBP setelah rekristalisasi.......................................33
Gambar 4.8
Mekanisme reaksi sintesis H 2 AdBP .................................................34
Gambar 4.9
Hasil sintesis H 2 AdBP setelah ditambah HCl ...................................35
Gambar 4.10 Penyaringan H 2 AdBP.......................................................................35 Gambar 4.11 Filtrat hasil sintesis H 2 AdBP ............................................................35 Gambar 4.12 H 2 AdBP setelah dikeringkan............................................................36 Gambar 4.13 Hasil rekristalisasi H 2 AdBP .............................................................37 Gambar 4.14 Spektrum IR H2 AdBP ......................................................................38 Gambar 4.15 Spektrum IR adipoil .........................................................................39 xii
Gambar 4.16 Struktur kompleks Ce-alizarin red S.................................................40 Gambar 4.17 Kurva kalibrasi serium (III)..............................................................41 Gambar 4.18 Skema proses ekstraksi serium (III)..................................................42 Gambar 4.19 Kurva hasil ekstraksi serium dengan variasi [H 2 SbBP].....................44 Gambar 4.20 Kurva hasil ekstraksi serium dengan variasi [H 2 AdBP] ....................45 Gambar 4.21 Interaksi antara Ce3+ dengan H 2 SbBP dan H 2 AdBP2 ........................45 Gambar 4.22 Kurva hasil ekstraksi serium menggunakan H 2 SbBP dengan variasi pH....................................................................................................46 Gambar 4.23 Kurva hasil ekstraksi serium menggunakan H 2 AdBP dengan variasi pH....................................................................................................46 Gambar 4.24 Kurva kinerja ekstraktan sebagai fungsi [ligan] ................................47 Gambar 4.25 Kurva kinerja ekstraktan sebagai fungsi pH......................................47 Gambar 4.26 Kurva perbandingan D Ce-Y dengan H 2 SbBP sebagai ekstraktan.....48 Gambar 4.27 Kurva perbandingan D Ce-Y dengan H 2 AdBP sebagai ekstraktan.... 48 Gambar 4.28 Hasil perlindian pasir monasit ..........................................................49 Gambar 4.29 Kerak biru didasar cawan porselein ..................................................50 Gambar 4.30 Pelarutan hasil perlindian .................................................................50 Gambar 4.31 Residu coklat hasil perlindian...........................................................50 Gambar 4.32 Pola XRD pasir monasit bangka ....................................................... 51 Gambar 4.33 Pola XRD residu coklat ....................................................................52 Gambar 4.34 Kristal jarum Na 2 HPO 4 ....................................................................53 Gambar 4.35 Pengendapan ThO 2 ..........................................................................53 Gambar 4.36 Filtrat bebas Na 2 HPO 4 dan ThO 2 .....................................................54
xiii
Daftar Lampiran
Lampiran A Data Tabel..........................................................................................60 Lampiran B Data Kurva .........................................................................................64 Lampiran C Data XRD ..........................................................................................67
xiv
