Zeolit (Zeolite) – Bahagian 5: Sifat-sifat dan Fungsi Utama Zeolit

Disebabkan oleh kerangka zeolit yang begitu unik iaitu bercas negatif, mempunyai kation yang boleh bertukar ganti dan boleh menyimpan air serta kerangkanya yang berbentuk kristal, zeolit mempunyai tiga fungsi utama iaitu sebagai:

1. Bahan pemangkin: sebagai tapak untuk tindakbalas kimia.
2. Penukar kation: Kation yang berada didalam kerangka zeolit dapat ditukarkan kepada kation-kation yang lain.
3. Bahan penjerap: disebabkan oleh luas permukaan zeolit yang tinggi, bahan-bahan asing dapat dijerapkan diatas permukaan zeolit.

Zeolit digunakan secara meluas dalam aktiviti pemangkinan disebabkan oleh luas permukaannya yang tinggi. Proses pemisahan hidrokarbon daripada minyak mentah menggunakan zeolit terutamanya zeolit sintetik sebagai bahan pemangkin. Bahan pemangkin ialah satu bahan yang digunakan untuk mempercepatkan sesuatu tindakbalas. Tindakbalas akan berlaku dengan cepat sekiranya ianya berlaku diatas satu permukaan yang luas dan sesuai dengan tindakbalas tesebut. Kebanyakan zeolit yang digunakan ialah daripada jenis sintetik iaitu zeolit bukan semulajadi yang disintesis sendiri. Zeolit sintetik mempunyai tahap kekristalan yang tinggi dan luas permukaan yang tinggi. Luas permukaan yang tinggi ini hasil daripada tahap kekristalan yang tinggi dan juga saiz partikel yang kecil. Penghasilan zeolit sintetik agak mahal dan banyak menggunakan bahan mentah daripada bahan kimia komersil.

Dalam bidang pertanian, fungsi zeolit yang ditekankan ialah zeolit sebagai penukar kation dan juga zeolit sebagai bahan penjerap. Zeolit terkenal sebagai penukar kation disebabkan oleh kerangka utamanya yang bercas negatif (-ve). Bahagian sebelum ini ada menerangkan mengenai faktor yang menyebabkan kerangka zeolit bercas negatif dan kation yang berada dikerangka tersebut boleh ditukarganti dengan kation yang lain. Keadaan ini disebabkan oleh gabungan antara silika dan alumina dalam kerangka zeolit. Apabila lingkaran silika digantikan dengan alumina, ia akan memberikan cas negatif kepada kerangka zeolit. Dengan sebab itulah, keupayaan zeolit untuk menukar kationnya bergantung kepada bilangan alumina yang berada dalam kerangka zeolit. Nisbah silika kepada alumnia (Si/Al atau SiO₂/Al₂O₃) adalah penentu bagi kehadiran cas negatif didalam kerangka zeolit dan nisbah Si/Al yang paling minimum ialah 1 dimana Si satu dan Al satu. Dengan sebab itulah, satu alumina yang berada didalam kerangka zeolit akan menyumbang kepada satu cas negatif dan disebabkan oleh adanya cas negatif ini, kation diperlukan untuk menstabilkan cas tersebut. Secara teorinya, semakin rendah nisbah Si/Al, semakin tinggi cas negatif kerangka zeolit dan akhirnya menyebabkan zeolit tersebut mempunyai keupayaan penukar kation yang tinggi. Akan tetapi, ianya terhad kepada nisbah Si/Al = 1.

Illustrasi kerangka zeolit yang bercas negatif dineutralkan dengan kehadiran cas kation natrium.

 Akan tetapi, apabila kerangka dan jenis zeolit diambilkira, nisbah Si/Al tidaklah begitu penting kerana setiap zeolit mempunyai kerangka yang berbeza dan kerangka ini akan menentukan kedudukan kation-kation tersebut samaada berada dalam liang yang besar atau liang yang kecil. Jika kation-kation ini berada dalam liang yang kecil, kation yang mempunyai saiz diameter yang besar sukar untuk bertukar dengan kation ditempat tersebut. Jadi, kerangka zeolit juga perlu diambil kira dalam kapasiti penukaran kation zeolit-zeolit ini. Sebagai contoh, zeolit jenis A (LTA) mempunyai nisbah Si/Al yang paling minimum iaitu satu dimana didalam kerangka zeolit A terdapat 1 silika yang bergabung dengan 1 alumina. Ini menjadikan zeolit A mempunyai cas negatif yang terbanyak dan mengikut teori, zeolit A akan mempunyai kapasiti penukaran yang paling tinggi. Akan tetapi, disebabkan oleh faktor kerangka zeolit A yang agak kaku, ia akan menghasilkan saiz keliangan yang kecil muat untuk menempatkan atom atau molekul bersaiz kecil sahaja seperti natrium dan ammonium. Zeolit X dan Y yang merupakan jenis mineral Faujasit terkenal dengan luas keliangan yang terbesar antara zeolit-zeolit lain mempunyai nisbah Si/Al bersamaan 2 untuk zeolit X dan 3 untuk zeolit Y. Disebabkan oleh keliangan yang besar dalam kerangka zeolit X and Y, ia dapat menukarkan kation yang bersaiz besar kedalam zeolit tersebut dan seterusnya meningkatkan kapasiti penukaran kation zeolit tersebut.

Bagi zeolit semulajadi seperti klinoptilolit dan kabazit pula, ia mempunyai nisbah Si/Al yang lebih tinggi daripada zeolit A, X and Y tetapi kapasiti penukaran kationnya lebih kurang sama dengan zeolit X dan Y disebabkan oleh faktor keliangan yang agak besar berbanding zeolit A dan juga kehadiran kation-kation lain. Oleh yang demikian, dapat disimpulkan bahawa kapasiti penukaran kation iaitu keupayaan sesuatu zeolit untuk menukar kation-kation yang menstabilkan kerangka zeolit bukan hanya bergantung kepada nisbah Si/Al semata-mata, tetapi perlu mengambil kira luas keliangan dan juga saiz sesuatu kation yang hendak ditukarkannya.

Disebabkan oleh sifat zeolit yang boleh menukar kation-kationnya, ia sangat sesuai bertindak sebagai bahan tambah dalam baja dan juga sebagai penyubur tanah. Ini kerana zeolit dapat menahan kation-kation yang diperlukan dalam tanah dan seterusnya menukar dengan kation-kation lain yang diperlukan oleh tumbuhan. Sebagai contoh, ammonium (NH₄⁺) adalah salah satu sumber nitrogen yang diperlukan untuk pokok. Ia adalah kandungan utama dalam baja urea. Oleh kerana ammonium bercas positif, ia dapat berada dalam kerangka zeolit dan seterusnya dapat ditukarkan oleh kation-kation lain yang berada disekitarnya seperti natrium (Na⁺).

Fungsi lain zeolit secara amnya ialah sebagai bahan penjerap. Penjerapan dan penyerapan ialah dua fenomena yang berbeza. Penyerapan sesuatu bahan ke dalam sesuatu bahan lain biasanya melibatkan tindakbalas kimia dan ia boleh diibaratkan seperti span yang menyerap air. Penjerapan pula ialah satu proses dimana sesuatu bahan terletak diatas satu bahan lain (bahan penjerap). Bahan yang terjerap ini tidak mengalami tindakbalas kimia akan tetapi penjerapan sesuatu bahan tersebut akan melibatkan satu atau dua tenaga yang dapat membantu penjerapan tersebut. Tambahan lagi, proses penjerapan tidak melibatkan tenaga yang besar dan bahan yang terjerap biasanya mudah untuk digerakkan, dialihkan dan ditukarganti berbanding dalam proses penyerapan. Sebagai contoh, situasi satu padang yang dapat mengumpulkan manusia. Semakin luas padang tersebut, semakin ramai manusia dapat berkumpul dan manusia boleh beredar daripada padang tersebut dengan cara yang mudah. Begitu juga dengan zeolit, oleh kerana ia adalah bahan tak organik yang mempunyai luas permukaan yang besar, ia juga dapat menempatkan bahan–bahan lain dan memegangnya seperti memegang bahan-bahan organik dan bahan-bahan tak organik.

Sifat zeolit sebagai bahan penjerap sangat sesuai dengan fungsinya dalam bidang pertanian. Ini kerana sebagai bahan penjerap, ia berkeupayaan untuk menjerap bahan-bahan yang penting dalam tanaman seperti urea yang terdiri daripada bahan-bahan organik dan seterusnya memegang bahan tersebut. Bahan yang telah terjerap pada kerangka zeolit akan dikeluarkan sekiranya ada kuasa yang menarik keluar bahan tersebut seperti kehadiran molekul-molekul air yang banyak atau bahan-bahan yang lain yang tidak diperlukan oleh tumbuhan.

Selain daripada ketiga-tiga sifat utama zeolit yang dibincangkan iaitu sebagai pemangkin, penukar kation dan bahan penjerap, ada juga sifat–sifat lain yang memberikan kelebihan kepada zeolit dan menjadikan ianya unik berbanding bahan-bahan tak organik yang lain. Komposisi elemen yang terkandung dalam zeolit sama dengan tanah liat tetapi berbeza daripada sifat fizikal dan kimianya. Struktur tanah liat berlapis-lapis manakala bagi zeolit, strukturnya berbentuk kristal. Disebabkan struktur inilah tanah liat biasanya akan mengembang apabila ia dipenuhi dengan molekul air. Apabila tanah liat ini dipenui dengan air, ia tidak dapat membenarkan molekul air untuk menembusinya. Dengan sebab itulah, tanah liat tidak digunakan dalam bekas penapis air dalam proses pembersihan air dan juga sebagai penjerap. Tidak seperti tanah liat, zeolit sesuai digunakan sebagai bahan penjerap dan sesuai digunakan sebagai bahan penapis air kerana bentuknya yang kristal dan ia tidak mengembang apabila dipenuhi dengan air. Apabila air dilalukan dalam serbuk zeolit, air tersebut akan lalu diantara serbuk tersebut dalam dapat menembusi serbuk zeolit tersebut.

Kelebihan lain zeolit yang ditemui pada masa kini ialah kegunaan yang sesuai dalam bidang bioteknologi. Zeolit sesuai dijadikan sebagai bahan penyokong atau bahan pembawa bagi bahan biologi seperti protin, karbohidrat, mikroorganisma dan lain lain berbanding bahan organik seperti selulosa, agarosa dan lain-lain. Zeolit juga dianggap murah berbanding bahan-bahan organik ini.

Tambahan lagi, zeolit adalah bahan yang lengai dan stabil yang tidak berubah apabila dikenakan air (tidak larut dalam air), dikenakan suhu yang berbeza (tinggi dan rendah), dikenakan larutan berasid atau beralkali (Tidak terlalu berasid dan beralkali), didedahkan dibawah matahari, dikenakan tekanan yang tinggi, diletakkan dalam pelarut organik, tidak bertindakbalas dengan bahan-bahan biologi seperti tidak berlaku biodegradasi, tiada respon terhadap bakteria dan berbagai-bagai lagi keadaan lain. Keadaan zeolit yang lengai dan stabil inilah yang memberikan kelebihan kepada zeolit dalam berbagai-bagai kegunaan. Tambahan lagi, dengan adanya sifat ini, zeolit dapat digunakan berulangkali selepas digunakan.