Zeolit (Zeolite) – Bahagian 6.1: Pencirian Zeolit – kaedah penyerakan sinar-X

Teknik Penyerakan sinar-X atau lebih dikenali sebagai XRD (X-Ray Diffraction) adalah satu teknik yang paling utama dalam pengenalpastian jenis sesuatu zeolit dalam sesuatu sampel samaada sampel tersebut disintesis atau diperolehi secara semulajadi. XRD ibarat cap jari kepada setiap zeolit kerana setiap bahan kristal mempunyai bacaan yang spesifik kepada bahan tersebut yang akan dihasilkan oleh data XRD. Setiap bahan berkristal akan mempunyai data XRD yang telah ditetapkan kerana ianya bergantung kepada penyerakan sinar-X oleh setiap sudut yang ada dalam bahan yang dikaji.

Salah satu kegunaan utama XRD ialah pengenalpastian fasa yang wujud dalam sesuatu sampel samaada ianya amorfus ataupun berbentuk kristal. Amorfus ialah keadaan satu bahan yang tidak sekata, tiada bentuk yang spesifik dan berlawanan dengan bentuk kristal. Manakala bahan yang berkristal ialah sesuatu bahan yang berkeadaan kristal yang mempunyai bentuk-bentuk tertentu dan saiz kristal tersebut tidak semestinya besar yang boleh nampak dengan menggunakan mata kasar kita. Ada juga bahan yang berbentuk serbuk halus tapi apabila dilihat menggunakan mikroskop berkuasa tinggi, ianya berbentuk kristal. Rajah dibawah menunjukkan perbezaan data XRD yang dihasilkan bagi sampel yang berbentuk amorfus dan juga berbentuk kristal.

Spektrum XRD bagi bahan yang berkeadaan amorfus (a) dan berbentuk kristal (b).

Bagi memahami perbezaan antara bahan amorfus dan kristal, Rajah dibawah memberikan imej bahan (a) dan bahan (b) masing-masing, yang diambil daripada mikroskop berkuasa tinggi.

Contoh imej bahan amorfus – bahan (a)

Contoh imej bahan berkristal – bahan (b)

Sekiranya sesuatu bahan itu berbentuk amorfus, spektrum XRD akan menunjukkan diffraktogram yang berbentuk kebisingan (noise) iaitu tiada puncak-puncak tertentu seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (b) dimana bagi bahan berbentuk kristal seperti zeolit, data XRD akan menunjukkan puncak-puncak yang tertentu berbeza dengan XRD daripada bahan amorfus. Dalam contoh yang diberikan, sampel amorfus dalam rajah diatas (b) merupakan abu sekam padi yang dihasilkan daripada pembakaran sekam padi pada suhu dibawah 600 °C. Abu sekam padi ini mempunyai kandungan silika yang sangat tinggi dan ianya berbentuk amorfus. Sekiranya sekam padi dibakar pada suhu tinggi melebihi 1000 °C, silika didalamnya akan berbentuk kristal. Silika yang dihasilkan ini adalah salah satu sumber silika dalam proses mensintesis sintetik zeolit. Oleh yang demikian, salah satu cara untuk mengenalpasti samaada zeolit yang disintesis daripada abu sekam padi berjaya dihasilkan, XRD dapat membuktikan kejayaan penghasilan zeolit tersebut. Dalam proses mensintesis zeolit, sumber silika pada asalnya berbentuk amorfus bertukar kepada bentuk kristal dan ianya dapat dilihat daripada XRD dimana diffraktogram akan berubah daripada diffraktogram yang tiada puncak spesifik (a) kepada diffraktogram yang mempunyai puncak spesifik (b).

Data yang akan diberikan daripada XRD berupa diffraktogram dimana ia akan memberikan puncak-puncak pada bacaan tertentu. Bagi memahami dengan lebih mendalam cara untuk menginterpretasi atau membaca data yang dikeluarkan oleh XRD, seseorang itu perlu mempunyai ilmu fizik bahan iaitu ilmu berkaitan dengan sifat-sifat sesuatu bahan dan juga kimia keadaan pepejal iaitu ilmu yang berkaitan dengan sifat-sifat kimia sesuatu pepejal. Akan tetapi, penjelasan disini hanya berkisar cara penentuan sesuatu bahan daripada XRD dengan memadankannya dengan data XRD zeolit yang sudah difailkan dan disahkan kewujudannya secara global oleh saintis-saintis diperingkat antarabangsa.

Dalam kebanyakan instrumen XRD, ia telah dilengkapi dengan sistem yang membolehkan kita memadankan data XRD yang terhasil daripada sampel kita dengan data XRD yang sudah pun wujud sebelum ini dan diiktiraf oleh ahli fizik dan kimia seluruh dunia. Padanan ini boleh didapati daripada Fail Penyerakan Serbuk (Powder Diffraction File, PDF). Data yang ada dalam PDF ini sangat membantu dalam pengenalpastian zeolit kerana ianya mudah dan cepat digunakan berbanding padanan yang dilakukan secara manual. Seperti dikatakan pada awal seksyen ini dimana setiap bahan kristal mempunyai data XRD yang spesifik dan tertentu kepada bahan tersebut, jadi padanan dengan data yang sudah wujud berdasarkan fakta atau kajian yang telah dijalankan terhadap sesuatu bahan tersebut juga dapat dibuat bagi pengenalpastian jenis zeolit. Rajah-rajah dibawah menunjukkan contoh diffraktogram bagi zeolit sintetik yang dipadankan dengan puncak-puncak diffraktogram daripada Fail Penyerakan Serbuk (PDF).

Rajah-rajah diatas menunjukkan sampel yang disintesis mempunyai ketulenan zeolit yang sangat tinggi kerana semua puncak-puncak berpadananan dengan diffraktogram daripada PDF. Puncak-puncak ini akan menunjukkan jenis zeolit yang terkandung dalam sampel yang diambil samaada disintesis sendiri atau diperolehi secara semuljadi.

Salah satu kegunaan XRD yang lain ialah mengenalpasti bahan lain yang terdapat dalam sesuatu sampel. Sebagai contoh, XRD dapat mengenalpasti 2 fasa zeolit yang wujud dalam sesuatu sampel yang disintesis. Rajah-rajah dibawah menunjukkan diffraktogram bagi sampel yang mempunyai 2 fasa berbeza.

 

Bagi Rajah yang pertama diatas, sampel zeolit yang dihasilkan mempunyai 2 fasa berbeza iaitu zeolit Y dan zeolit P manakala bagi Rajah kedua, sampel mengandungi fasa zeolit Y dan juga zeolite A. Keadaan ini biasanya berlaku dalam sampel zeolit yang disintesis sendiri dan juga apabila terdapat dua fasa zeolit yang berbeza berada dikawasan perlombongan yang sama. Zeolit berketulenan tinggi sukar disintesis dan diperolehi kerana proses penghasilannya melibatkan proses pertumbuhan hablur kristal. Proses ini biasanya di pengaruhi oleh banyak faktor-faktor yang tidak dijangka. Sebagai contoh, apabila masa proses pertumbuhan hablur yang singkat, zeolit fasa lain akan tumbuh manakala bagi proses pertumbuhan hablur yang agak lam, fasa zeolit yang lain akan terbentuk. Dengan sebab itulah, XRD adalah sesuai digunakan bagi memastikan ketulenan zeolit dalam sesuatu sampel kerana ia akan memberikan maklumat jenis zeolit yang wujud dalam sampel yang ingin dicirikan.

Selain daripada kaedah padanan dengan PDF, pengenalpastian zeolit juga boleh dilakukan dengan memadankan maklumat puncak-puncak XRD daripada sampel dengan maklumat yang wujud dalam PDF. Berikut merupakan contoh bagaimana data XRD daripada zeolit klinoptilolit, mordenit dan kabazit (zeolit semulajadi) dipadankan dengan data yang diambil daripada data lepas yang berkaitan.

Secara ringkasnya, ada beberapa keputusan yang boleh diperolehi daripada pencirian menggunakan XRD iaitu:

i) Pengenalpastian jenis zeolit

ii) Pengenalpastian fasa atau bahan asing didalam sampel zeolit

iii) Mengetahui ketulenan sampel zeolit

iv) Mengetahui tahap kekristalan zeolit

Penerangan yang diberikan mengenai XRD disini adalah sebahagian daripada penggunaan XRD dalam pengenalpastian struktur zeolit atau kehadiran bahan dan fasa lain dalam sampel yang ingin dicirikan. Terdapat berbagai-bagai lagi kaedah yang boleh diaplikasi melalui penggunaan XRD ini yang boleh memberikan maklumat yang lebih terperinci mengenai zeolit. Akan tetapi, aplikasi kaedah tersebut memerlukan pemahaman secara saintifik yang mendalam kerana ianya melibatkan kaedah kimia dan juga kaedah fizik. Terdapat juga kaedah lain untuk pengenalpastian struktur zeolit iaitu dengan menggunakan kaedah spektroskopi inframerah (FTIR).