Yuk, Mengenal Zeolite, Sang Material Anorganik Multifungsi dalam Bidang Pertanian

YUK MENGENAL ZEOLIT, SANG MATERIAL ANORGANIK MULTIFUNGSI DALAM BIDANG PERTANIAN

Zeolit merupakan material aluminosilikat terhidrat yang memiliki rumus umum Me_x/n[(AlO₂)_x(SiO₂)_y]•zH₂O dimana Me sebagai kation logam penyeimbang, x dan y berupa bilangan bulat bernilai ≥ 1, n menyatakan valensi dari kation M, serta z adalah jumlah air yang terkandung (Rehakova dkk., 2004). Kerangka aluminosilikat pada zeolit tersusun oleh kation silikon (Si⁴⁺) maupun aluminium (Al³⁺) dan dikelilingi empat anion oksigen (O^2-) sehingga menghasilkan struktur tiga dimensi silikat tetrahedral. Kation Si⁴⁺ dapat disubtitusi oleh kation Al³⁺ sehingga menghasilkan muatan negatif pada kerangka zeolit. Hal tersebut disebabkan oleh perbedaan valensi antara gugus aluminat dengan silikat dan biasanya terletak pada salah satu anion oksigen yang terhubung ke kation aluminium. Keberadaan muatan negatif ini menyebabkan zeolit mampu mengikat ion logam alkali (Na⁺, K⁺) maupun alkali tanah (Ca²⁺, Mg²⁺) secara elektrostatis sebagai kation penyeimbang serta molekul air pada rongga-rongganya. Secara keseluruhan, Moshoeshoe dkk. (2017) merepresentasikan struktur kerangka aluminosilikat pada zeolit beserta kation penyeimbang dan molekul airnya dalam Gambar 1.

Gambar 1. Struktur kerangka aluminosilikat pada zeolit (Moshoeshoe dkk., 2017)

Kerangka aluminosilikat tersebut saling berikatan satu sama lain hingga membentuk struktur kristal pembangun zeolit. Moshoeshoe dkk. (2017) menjelaskan bahwa struktur pembangun kristal pada zeolit dikategorikan ke dalam tiga bagian, yakni unit pembangun utama (primary building units/PBUs), unit pembangun sekunder (secondary building units/SBUs), dan unit pembangun komposit (composite building units/CBUs) seperti pada Gambar 2. Unit pembangun primer tersusun oleh senyawa silikat dengan aluminat berbentuk tetrahedral. Kedua senyawa tersebut saling terikat oleh jembatan oksigen sehingga menghasilkan bentuk geometri sederhana yang disebut unit pembangun sekunder. Bentuk-bentuk dari unit pembangun sekunder meliputi cincin tunggal, cincin ganda, dan polihedral hingga unit yang lebih kompleks. Kombinasi dari berbagai unit pembangun sekunder akan membentuk unit pembangun komposit dan menghasilkan struktur zeolit yang unik dengan karakter berpori, rongga, maupun saluran (Masoudian dkk., 2013).

Gambar 2. Struktur penyusun zeolit (a) unit pembangun primer berupa silikat dan aluminat, (b) unit pembangun sekunder, (c) unit pembangun komposit, dan (d) struktur zeolit (Masoudian dkk., 2013)

Zeolit sebagai senyawa aluminosilikat memiliki sifat fisika kimia yang unik disamping karakternya yang merupakan material berpori. Rehakova dkk. (2004) menjelaskan bahwa sifat fisika kimia tersebut mendukung zeolit sebagai material yang mempunyai tiga karakter utama untuk dasar aplikasinya berupa katalis reaksi (reaction catalyst), penukar ion (ion exchanger), dan penyerapan (sorption). Proses penyerapan terhadap senyawa organik maupun anorganik melalui rongga-rongganya tentunya mempengaruhi sifat fisika kimia awal dari zeolit. Molekul yang terserap tersebut memungkinkan terjadinya pertukaran kation sehingga menyebabkan perpindahan kation yang terikat secara elektrostatik pada rongga zeolit.

Aplikasi zeolit alam sebagai material penyerap (sorption) maupun penukar ion (ion exchanger) banyak dikembangkan di berbagai bidang, salah satunya adalah pertanian. Zeolit dengan tipe mineral clinoptilolite dalam bidang pertanian dapat digunakan sebagai material yang mampu menjaga ketersediaan nutrisi nitrogen dari hasil perombakan urea. Hal tersebut dipaparkan dalam penelitian Latifah dkk. (2017) bahwa zeolit dengan tipe mineral clinoptilolite dapat digunakan untuk menjaga ketersediaan nitrogen berbentuk ion amonium dari perombakan urea melalui mekanisme penyerapan dan penukar ion. Material dalam penelitian tersebut dipreparasi dengan mencampurkan secara langsung zeolit berjenis mineral clinoptilolite dan pupuk urea menggunakan rasio tertentu serta diuji parameter fisika kimianya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada konsentrasi ion amonium yang rendah dalam larutan, maka karakter pertukaran ion dari zeolit menjadi lebih dominan. Sebaliknya, pada konsentrasi ion amonium yang tinggi dalam larutan, maka karakter adsorpsi dari zeolit menjadi lebih dominan. Hal ini disebabkan oleh kerangka aluminosilikat pada zeolit tipe mineral clinoptilolite memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi dan menukar ion  melalui kapasitas tukar kation yang tinggi.

Lebih lanjut, zeolit dapat digunakan sebagai material pelepas-lambat pupuk. Penelitian oleh Rehakova dkk. (2004) memaparkan bahwa mineral zeolit tipe clinoptilolite mampu membawa nutrisi pupuk dan melepaskan secara bertahap melalui mekanisme penyerapan dan pertukaran ion. Hal ini dapat dijelaskan ketika pupuk urea yang ditambahkan pada zeolit serta ditaburkan ke dalam tanah, maka pupuk urea mengalami perombakan dengan bantuan enzim urease hingga menghasilkan ion amonium. Selanjutnya, ion amonium terserap dan terikat secara elektrostatik oleh pori-pori zeolit yang bermuatan negatif yang kemudian dilepaskan secara perlahan untuk diserap oleh pembuluh akar tanaman. Li dkk. (2013) juga menyatakan bahwa penggunaan zeolit sebagai media pelepas-lambat pupuk NPK dapat meningkatkan kualitas dan kuantitas tanaman bayam dalam sistem greenhouse. Penelitian oleh Dubey dan Mailapalli (2019) mengkonfirmasi bahwa pupuk urea dapat disintesis menjadi pupuk urea lepas-lambat melalui pelapisan (coating) dengan zeolit menggunakan bahan perekat tambahan seperti pati kentang dan jagung, lempung, dan asam akrilat hingga semen putih.

Berdasarkan kajian di atas, zeolit jelas memiliki potensi besar dalam bidang pertanian. Jadi, apakah kalian siap untuk mengembangkan penelitian kimia maupun terapannya menggunakan material anorganik berbasis zeolit? 

Referensi:

Reháková, M., Čuvanová, S., Dzivák, M., Rimár, J., and Gaval’Ová, Z., 2004, Agricultural and Agrochemical Uses of Natural Zeolite of the Clinoptilolite Type, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 8, 397–404.

Moshoeshoe, M., Nadiye-Tabbiruka, M.S., and Obuseng, V., 2017, A Review of the Chemistry, Structure, Properties and Applications of Zeolites, Am. J. Mater. Sci., 7, 191–221.

Masoudian, S.K., Sadighi, S., and Abbasi, A., 2013, Synthesis and Characterization of High Aluminum Zeolite X from Technical Grade Materials, Bull. Chem. React. Eng. Catal., 8, 54–60.

Latifah, O., Ahmed, O.H., and Majid, N.M.A., 2017, Enhancing Nitrogen Availability from Urea using Clinoptilolite Zeolite, Geoderma, 306, 152–159.

Li, Z., Zhang, Y., and Li, Y., 2013, Zeolite as Slow Release Fertilizer on Spinach Yields and Quality in a Greenhouse Test, J. Plant Nutr., 36, 1496–1505.

Dubey, A. and Mailapalli, D.R., 2019, Zeolite Coated Urea Fertilizer using Different Binders: Fabrication, Material Properties and Nitrogen Release Studies, Environ. Technol. Innov., 16, 100452.