Deskripsi Lokasi Sampling Tuf Volkan
Deskripsi lokasi sampling tuf volkan, meliputi lokasi titik pengambilan sampel, altitude, koordinat geografis dan formasi geologi, disajikan pada
Lampiran 1. Peta lokasi sampling disajikan pada Lampiran 2.
Lampiran 1 menunjukkan bahwa lokasi sampling meliputi area dengan
tanah-tanah yang berkembang dari bahan induk abu volkan. Lokasi sampling meliputi 15 titik yang tersebar dari Tawangmangu, Karanganyar, Jawa Tengah hingga Bogor, Jawa Barat, dari altitude 212 sampai 1116 m dpl. Berdasarkan informasi dari Peta Geologi, bahan induk tanah berasal dari formasi kuarter (Qv, Qa, Ql dan Qm), kecuali pada titik sampling TV-15 di Semin, Wonosari, Jawa Tengah yang berbahan induk dari formasi tersier (Tmo). Secara umum, dari arah Timur ke Barat, batuan induk mengikuti sekuen bersusunan basaltik-andesitik-tuf. Menurut Tan (1964), bahan induk tanah-tanah di lokasi yang disampling dari arah Timur ke Barat berubah dari tipe basa ke masam. Lebih lanjut, Whitford (1975 dalam van Ranst et al., 2004) juga menyatakan bahwa bahan induk tanah di Pulau Jawa berevolusi menjadi bertipe semakin masam dari arah Timur ke Barat. Secara lebih spesifik, hasil penelitian van Ranst et al. (2004) menunjukkan bahwa bahan induk tanah-tanah yang berkembang dari abu volkan di Jawa Timur bersifat basa (calc-alkaline basaltic ash), sedangkan ke arah Barat bersifat lebih masam, yaitu tipe basalt-andesitic ash (Jawa Tengah) dan andesitic-tuffaceous ash (Jawa Barat). Hal ini menunjukkan bahwa kondisi iklim (suhu dan curah hujan) dan lingkungan pencucian yang semakin hebat ke arah Jawa Barat lebih mendukung pembentukan dan perkembangan mineral-mineral aluminosilikat sebagai hasil dari proses pelapukan bahan induk abu volkan. Di antara mineral liat yang terbentuk tersebut adalah Alofan dan Imogolit yang kini telah diketahui bersifat kristalin dan memiliki ukuran pada tingkat nano (<5 nm) (Abidin, 2003 dalam Sugiarti et al., 2010). Dengan demikian, dari sampel tuf volkan yang diambil di Bogor dan Jawa Barat diharapkan diperoleh fraksi nano yang lebih banyak dengan tingkat kristalisasi yang lebih sempurna daripada sampel yang diambil di Jawa Tengah.
Seleksi dan Ekstraksi Fraksi Liat dan Fraksi Nano
Seleksi berdasarkan Uji dispersi
Hasil uji dispersi dalam tabung reaksi dengan mengkondisikan sampel pada pH-4 dan pH-10 sebagai metode untuk menyeleksi sampel yang mengandung fraksi liat dan fraksi nano disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil uji dispersi terhadap sampel tuf volkan pada pH-4 dan pH-10
No Sampel pH-4 pH-10 No. Sampel pH-4 pH-10
1 TV-1 (120-160) √ 11 TV-11 2 TV-1 (160-200) √ 12 TV-12 3 TV-1 (200-240) √ 13 TV-13 √ 4 TV-2 √ 14 TV-14 5 TV-3 √ 15 TV-15 √ 6 TV-4 16 TV-16 7 TV-5 √ 17 TV-17 8 TV-9 18 TV-18a √ √ 9 TV-10a √ 19 TV-18b √ 10 TV-10b
Keterangan : √ terdispersi , tidak terdispersi
Sampel tuf volkan yang terdispersi pada pH-4 adalah 1(120-160), TV-1(160-200), TV-1(200-240), TV-3 dan TV-18b, sedangkan sampel tuf volkan yang terdispersi pada pH-10 adalah TV-2, TV-5, TV-10a, TV-13 dan TV-15. Sampel tuf volkan TV-18a terdispersi baik pada pH-4 maupun pH-10.
Sampel yang terdispersi pada pH-4 atau pH-10 menunjukkan adanya fraksi liat dan fraksi nano yang memiliki muatan variable atau muatan bergantung-pH. Pada pH- 4, larutan dikondisikan mengandung H+ dalam konsentrasi berlebih sehingga terjadi gaya tolak-menolak dengan fraksi liat dan fraksi nano yang bermuatan dominan positif. Sebaliknya, pada pH-10 larutan mengandung OH -berlebih sehingga terjadi gaya tolak-menolak dengan fraksi liat dan fraksi nano yang bermuatan dominan negatif. Terbentuknya muatan positif adalah akibat mekanisme protonisasi (penambahan H+) pada gugus fungsional silanol (–Si-OH0.5- +H+→ –Si-OH20.5+) dan aluminol (–Al-OH0.5- +H+ → –Al-OH20.5+), sedangkan terbentuknya muatan negatif adalah akibat mekanisme deprotonisasi (penambahan OH-) pada gugus fungsional silanol (–Si-OH0.5- +OH- → –Si-O
1.5-21
+H2O) dan aluminol (–Al-OH0.5- +OH- → –Al-O
+H2O → –Al-O
1.5-) pada struktur mineral aluminosilikat fraksi liat dan nano seperti yang terjadi pada Alofan dan Imogolit (Tan, 1991; Elsheikh et al., 2008).
Pada lokasi sampling yang sama di Sukajadi, Bogor diperoleh TV-1 dan TV-2 yang terdispersi pada kondisi yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwa sampel tuf volkan TV-1 telah mengalami pelapukan pada tingkat lebih lanjut sehingga lingkungan pelapukannya bersifat lebih masam dan oleh karenanya terbentuk muatan yang lebih dominan positif. Sebaliknya, sampel tuf volkan TV-2 belum mengalami tingkat pelapukan yang lanjut sehingga lingkungan pelapukannya bersifat lebih basa dan oleh karenanya terbentuk muatan yang lebih dominan negatif. Kondisi sampel tuf volkan TV-2 di lapang lebih segar dan kasar karena masih bercampur dengan batu apung (pomice) dan bahan tras berwarna abu-abu, sedangkan sampel tuf volkan TV-1 lebih halus dan berwarna kuning kemerahan.
Bahan induk tuf volkan TV-3 terlapukkan pada kondisi iklim dengan curah hujan dan lingkungan pencucian yang lebih intensif dibandingkan TV-10a. Akibatnya, lingkungan pelapukan TV-3 lebih masam dan menghasilkan fraksi nano dan liat yang lebih dominan bermuatan positif, sedangkan lingkungan pelapukan TV-10a lebih basa dan menghasilkan fraksi nano dan liat yang lebih dominan bermuatan negatif. Hal ini sesuai dengan formasi geologi bahan induk tuf volkan TV-3 yang bersusunan breksi tufaan dan umumnya telah sangat melapuk, sedangkan bahan induk tuf volkan TV-10a relatif masih kasar, terdiri atas campuran tuf yang halus dan dan breksi yang lebih kasar.
Pada titik sampling tuf volkan TV-18 diperoleh dua lapisan, yaitu TV-18a
dan TV-18b di bawahnya. Bahan induk tuf volkan TV-18a terdispersi pada pH-4 dan pH-10, sedangkan TV-18b hanya terdispersi pada pH-4. Artinya, muatan dominan tuf volkan TV-18a dan TV-18b berbeda. Hal ini mungkin disebabkan tuf volkan TV-18a dan TV-18b berasal dari abu volkan hasil erupsi G. Talagabodas dari erupsi yang tidak bersamaan. Erupsi terdahulu mengakibatkan terbentuknya tuf volkan TV-18b dan erupsi selanjutnya yang lebih muda mengakibatkan terbentuknya tuf volkan TV-18a. Akibatnya, tuf volkan TV-18b telah mengalami tingkat pelapukan yang lebih lanjut, lingkungan pelapukannya lebih masam dan
oleh karenanya membentuk fraksi nano dan liat yang lebih dominan bermuatan positif, sedangkan tuf volkan TV-18a membentuk fraksi nano dan liat yang bermuatan positif dan negatif karena masih relatif lebih segar atau belum mengalami pelapukan lanjut.
Sampel yang terdispersi pada pH-4 [1(120-160), 1(160-200), TV-1(200-240), TV-3, TV-18a, dan TV-18b] dan pada pH-10 [TV-2, TV-5, TV-10a, TV-13, TV-15, dan TV-18a] selanjutnya diseleksi untuk diekstraksi fraksi nanonya.
Ekstraksi berdasarkan Metode Gravimetrik
Tabel 2 menunjukkan bahwa dari sampel tuf volkan yang terseleksi pada
kondisi pH-4 dapat diekstraksi fraksi nano bermuatan positif sejumlah 0.24 - 1.31 mg/g tuf volkan, sedangkan pada kondisi pH-10 diperoleh fraksi nano bermuatan negatif sejumlah 0.98 - 2.48 mg/g tuf volkan. Dari sampel tuf volkan yang terseleksi pada kondisi pH-4 juga terekstraksi fraksi liat bermuatan positif sejumlah 0.52 - 1.63 mg/g tuf volkan, sedangkan pada kondisi pH-10 diperoleh fraksi liat bermuatan negatif sejumlah 1.64 - 15.90 mg/g tuf volkan (Tabel 3).
Berdasarkan hasil ekstraksi fraksi nano yang tertinggi dan pertimbangan kemudahan kondisi pengambilan sampel di lapangan, maka dipilih fraksi nano dari sampel TV-18b dan TV-3 pH-4 untuk percobaan jerapan terhadap P dan fraksi nano dari sampel TV-10a pH-10 untuk percobaan jerapan terhadap NH4. Untuk perbandingan, dilakukan juga percobaan jerapan P terhadap fraksi liat dari sampel tuf volkan TV-18b dan TV-3, serta percobaan jerapan NH4 terhadap fraksi liat dari sampel tuf volkan TV10a.
Karakterisasi Jerapan Amonium dari Fraksi Nano dan Fraksi Liat TV-10a Dari 52.45 g BKM sampel tuf volkan TV-10a dengan kadar air 14.41% dapat diekstraksi 2.5 mg fraksi nano atau 1.19 mg fraksi nano/g bahan tuf volkan dan 4.1 mg fraksi liat atau 1.95 mg fraksi liat/g bahan tuf volkan (Tabel 2 dan 3). Pada Lampiran 3 dan 4 masing-masing disajikan hasil analisis data percobaan jerapan NH4 menurut metode isotermal Langmuir pada fraksi liat dan fraksi nano TV-10a dan keduanya diilustrasikan pada Gambar 6.
23
Bahan induk tuf volkan TV-10a bersusunan utama tufa andesitik. Hal ini menunjukkan sifat masam, sehingga lebih berpotensi mengandung fraksi liat dan nano yang bermuatan negatif. Hasil uji dispersi menunjukkan bahwa ketika dijenuhi oleh H+ (pH-4), sampel TV-10a tidak terdispersi namun terdispersi sempurna pada kondisi pH-10. Artinya, fraksi liat dan nano TV-10a lebih dominan bermuatan negatif sehingga lebih berpotensi menjerap amonium.
Berdasarkan hasil kajian eksperimental, nano-ball allophane memiliki sifat permukaan yang khas yaitu muatan yang bervariasi (variable charge) berdasarkan nilai pH kondisinya. Hal ini dikarenakan pada struktur allophane terdapat gugus silanol dan aluminol (Elsheikh et al., 2008). Pada pH rendah (4-6), nano-ball allophane memiliki muatan positif dari protonasi pada gugus aluminol sehingga anion dan ligand mudah terikat, sedangkan pada pH tinggi (6-10), nano-ball allophane memiliki muatan negatif yang berasal dari deprotonisasi gugus silanol sehingga kation seperti NH4+ dan logam berat mudah terikat.
Tabel 2 Hasil uji gravimetrik penetapan kadar fraksi nano dalam 10 cc larutan
Sampel Berat cawan (g) Berat cawan + fraksi nano (g) Berat cawan + fraksi nano (105 oC) (g) Berat fraksi nano (mg) Kadar air sampel tuf volkan (% ) Berat tuf volkan yang diekstraksi (g) Berat fraksi nano/ sampel tuf volkan (mg/g sampel) pH 4 TV 3 20.2716 30.1534 20.2747 3.1 28.7039 108.7768 0.71 TV 18b 19.0549 29.0073 19.0575 2.6 20.9922 49.5900 1.31 TV 1 (200-240) 19.1908 29.0694 19.1929 2.1 15.5986 121.1088 0.43 TV 1 (120-160) 14.3750 24.2293 14.3770 2.0 23.8406 113.0485 0.44 TV 1 (160-200) 15.8932 25.7619 15.8952 2.0 11.1263 125.9828 0.40 TV 18a 19.4677 29.3118 19.4689 1.2 12.3754 124.5824 0.24 pH 10 TV 18a 21.3147 31.2531 21.3200 5.3 12.3754 53.3925 2.48 TV 15 18.3537 28.4394 18.3570 3.3 35.2565 44.3602 1.86 TV 10a 20.4288 30.3941 20.4313 2.5 14.4061 52.4447 1.19 TV 2 20.8362 30.6613 20.8386 2.4 9.9397 54.5754 1.10 TV 5 21.3054 31.1479 21.3075 2.1 12.5023 53.3322 0.98 TV 13 20.8642 30.7368 20.8662 2.0 20.7452 49.6914 1.01
Tabel 3 Hasil uji gravimetrik penetapan kadar fraksi liat dalam 10 cc larutan Sampel Berat cawan (g) Berat cawan + fraksi liat (g) Berat cawan + fraksi liat (105 oC) (g) Berat fraksi liat (mg) Kadar air sampel tuf volkan (% ) Berat tuf volkan yang diekstraksi (g) Berat fraksi liat/ sampel tuf volkan (mg/g sampel) pH 4 TV 3 20.4260 30.3660 20.4326 6.6 28.7039 108.7768 1.52 TV 18b 19.0507 28.9800 19.0523 1.6 20.9922 49.5900 0.81 TV 1 (200-240) 19.1876 29.1416 19.1942 6.6 15.5986 121.1088 1.36 TV 1 (120-160) 21.3027 31.2019 21.309 6.3 23.8406 113.0485 1.39 TV 1 (160-200) 18.3509 28.3209 18.3591 8.2 11.1263 125.9828 1.63 TV 18a 21.3113 31.2738 21.3139 2.6 12.3754 124.5824 0.52 pH 10 TV 18a 15.8898 25.8658 15.8933 3.5 12.3754 53.3925 1.64 TV 15 14.3718 24.3476 14.3814 9.6 35.2565 44.3602 5.41 TV 10a 19.4623 29.5949 19.5035 4.1 14.4061 52.4447 1.95 TV 2 20.2684 30.2235 20.3031 34.7 9.9397 54.5754 15.90 TV 5 20.8336 30.7876 20.84 6.4 12.5023 53.3322 3.00 TV 13 20.8605 30.7716 20.8717 11.2 20.7452 49.6914 5.63 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 Konsentrasi NH4 dalam kesetimbangan (mg/L)
N H 4 T e re ra p (m g/ g)
Fraksi Nano TV10a Fraksi Liat TV10a
Gambar 6. Jerapan isotermal amonium pada fraksi liat dan fraksi nano dari tuf volkan TV-10a dalam 1 mM CaCl2
25
Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada konsentrasi keseimbangan yang sama (C, sumbu X Gambar 6), jerapan amonium (NH4+) per satuan berat yang sama (x/m, sumbu Y Gambar 6) pada fraksi nano TV-10a lebih tinggi dibandingkan fraksi liat. Perbedaan kapasitas jerapan amonium tersebut meningkat dengan meningkatnya C (konsentrasi NH4+ dalam keseimbangan). Pada konsentrasi C 6.53 mg NH4+/L, fraksi nano menjerap 63.79 mg NH4+/g dan pada konsentrasi C 10.5 mg NH4+/L fraksi liat menjerap 24.32 mg NH4+/g. Hal ini menunjukkan tingkat kristalisasi fraksi nano yang telah sempurna dan ukuran partikel dari fraksi nano yang lebih halus sehingga memiliki kapasitas jerapan terhadap NH4+ yang lebih tinggi daripada fraksi liat. Bola-nano alofan dan tabung-nano imogolit masing-masing memiliki luas permukaan 1000-1200 dan 1100-1300 m2/g. Dibandingkan luas permukaan monmorilonit, nilai-nilai ini lebih besar 3-4 kali lipat.
Prospek Fraksi Nano dan Liat TV-10a sebagai Flokulan Amonium
Pada rasio fraksi nano: larutan dan fraksi liat: larutan sebesar 1g: 6000 cc, hasil analisis data percobaan ini menunjukkan bahwa fraksi nano dan fraksi liat TV-10a dapat menurunkan konsentrasi NH4 rata-rata masing-masing sebesar 41.25% dan 11.93% dari konsentrasi awal dalam larutan dengan rentang hingga 16.67 mg NH4/L. Dengan rentang konsentrasi awal yang sama (hingga 16.67 mg NH4/L), pada rasio fraksi: larutan yang lebih tinggi, yaitu 1g: 3641 cc, fraksi nano dan fraksi liat TV-10a dapat menurunkan konsentrasi NH4 rata-rata masing-masing sebesar 67.98% dan 19.66%.
Hal di atas menunjukkan bahwa: (1) fraksi nano TV-10a lebih efektif daripada fraksi liatnya dalam menjerap NH4 dan (2) efektivitas penjerapan NH4
meningkat dengan meningkatnya rasio fraksi: larutan dari 1g: 6000 cc ke 1g: 3641 cc atau meningkatnya bobot fraksi yang digunakan dari 2.5 mg: hingga 4.1 mg: 15 cc. Hal pertama berkaitan dengan luas permukaan spesifik (luas permukaan per satuan bobot) dari fraksi nano yang lebih tinggi daripada fraksi liat karena ukuran diameter efektif fraksi nano yang lebih kecil (<100 nm) daripada fraksi liat (<2 μm). Hal kedua berkaitan dengan peningkatan efektivitas reaksi penjerapan akibat meningkatnya peluang kontak antara fraksi nano atau liat TV-10a dengan ion
amonium (NH4+). Hasil ini menunjukkan bahwa fraksi nano bermuatan negatif yang diekstraksi dari tuf volkan TV-10a dari G. Lawu prospektif untuk dimanfaatkan di bidang sanitasi lingkungan sebagai flokulan dalam proses pengolahan air (limbah) tercemar amonium. Endapan yang akan terbentuk sebagai hasil proses flokulasi akan dapat dimanfaatkan sebagai pupuk N.
27