BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHSAN
A. Hasil Penelitian
1. Hasil Sintesis Silika Gel dari Bagasse tebu
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah bagasse tebu.
Bagasse tebu diperoleh dari penjual es tebu Sunday Morning. Penelitian ini bertujuan untuk memperoleh silika gel dari bagasse tebu.
Tahap pertama dalam penelitian ini adalah preparasi sampel. Bagasse
tebu dibakar lalu diabukan dalam muffle furnace pada suhu 600oC, diperoleh abu bagasse tebu berwarna putih. Selanjutnya abu direaksikan dengan NaOH menghasilkan natrium silikat. Natrium silikat ini yang digunakan sebagai prekursor dalam pembuatan silika gel. Silika gel yang diperoleh berbentuk serbuk berwarna putih.
Hasil sintesis silika dari bagasse tebu tersebut dikarakterisasi secara difraksi sinar X dan spektoskopi FTIR. Karakterisasi secara difraksi sinar X bertujuan untuk mengetahui struktur kristal dari silika, sedangkan karakterisasi secara spektroskopi FTIR bertujuan untuk mengetahui gugus fungsi pada berbagai silika sehingga dapat diketahui keberhasilan sintesis. 2. Hasil Analisis Secara Difraksi Sinar-X (XRD)
Karakterisasi secara difraksi sinar-X bertujuan untuk mengetahui struktur silika hasil sintesis. Pada penelitian ini diperoleh silika berstruktur amorf. Hasil karakterisasi secara difraksi sinar-X dapat ditunjukkan pada Gambar 7:
Gambar 7. Hasil Karakterisasi Secara Difraksi Sinar-X Silika Gel
3. Hasil Analisis Secara Spektroskopi FTIR
Karakterisasi secara spektroskopi FTIR bertujuan untuk mengetahui gugus fungsi yang terdapat pada silika hasil sintesis sehingga dapat dipastikan keberhasilan proses sintesis.
Munurut Silverstein, hasil analisis gugus fungsi secara FTIR pada silika gel dari bagasse tebu kemudian dibandingkan dengan spektra inframerah silika Kiesel gel tipe 60 Merck sebagai standar (Sriyanti dkk., 2005) ditampilkan pada Gambar 8.
0 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 In te n sity (c p s) 2-tetha (deg) Silika Gel
Gambar 8. Spektra FTIR (a) silika Kiesel gel 60 Merck, (b) silika gel dari
Bagasse Tebu
4. Kesetimbangan Adsorpsi Kation Mg2+ oleh Silika Gel pada Berbagai Konsentrasi Sorbat
Variabel tetap pada eksperimen ini adalah suhu, waktu pengadukan, pH, dan massa adsorben. Pada penelitian ini dilakukan pada suhu 25oC dengan lama pengadukan 30 menit dan pH dibuat tetap yaitu 5. Sebanyak 0,2 gram adsorben dilarutkan ke dalam aqua dimineralisata, kemudian ditambahkan larutan 0,001 M Mg2+. Konsentrasi Mg2+ divariasi dengan menambahkan larutan Mg2+ ke dalam aqua dimineralisata sebanyak 1, 4, 8, 13, 18, dan 23 mL. Grafik hubungan antara daya adsorpsi sorben silika gel terhadap konsentrasi awal Mg2+ dapat dilihat pada Gambar 8. Perhitungan
(a)
Gambar 9. Grafik Hubungan Antara Daya Adsorpsi Silika dari Bagasse
Tebu Terhadap Konsentrasi Awal Mg2+
5. Model Isoterm Adsorpsi Kation Mg2+ oleh Silika Gel
Penentuan model isoterm adsorpsi diperoleh dari eksperimen adsorpsi pada berbagai variasi konsentrasi adsorbat. Model isoterm adsorpsi yang sering digunakan adalah isoterm Langmuir dan isoterm Freundlich. Penentuan isoterm adsorpsi Langmuir dilakukan dengan menganalisis kurva hubungan antara Ce (konsentrasi Mg2+ saat kesetimbangan) terhadap Ce/qe (konsentrasi Mg2+ saat kesetimbangan/daya adsorpsi) sesuai dengan persamaan 12. Penentuan isoterm adsorpsi Freundlich ditentukan dari kurva hubungan antara log Ce terhadap log qe sesuai dengan persamaan 13. Kurva yang menunjukkan harga R yang paling mendekati 1 merupakan isotermal adsorpsi Mg2+ yang paling sesuai.
0.0E+00 5.0E-05 1.0E-04 1.5E-04 2.0E-04 2.5E-04
0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 2.5E-03
Daya ad sorpsi (m ol/ gr am ) Konsentrasi awal Mg2+ (M)
Persamaan Isoterm Langmuir: � = 1 . � + � � � = 1 . � + 1 � �� Y = a + b x
� = Konsentrasi Mg2+ pada saat setimbang (mol/L)
qe = Jumlah adsorbat yang teradsorp oleh adsorben pada saat setimbang (mol/g)
� = Kapasitas adsorpsi maksimum (mol/g)
= Konstanta isoterm Langmuir (L/mol) Persamaan Isoterm Freundlich:
log qe = log � + 1 log �
Y = a + b x
� = Konsentrasi Mg2+ pada saat setimbang (mol/L)
qe = Jumlah adsorbat yang teradsorp oleh adsorben pada saat setimbang (mol/g)
= Kapasitas atau intensitas adsorpsi
� = Konstanta isoterm Freundlich (L/g)
Pola isoterm Langmuir dan isoterm Freundlich oleh silika gel ditunjukkan pada Gambar 10 dan Gambar 11. Perhitungan dapat dilihat pada Lampiran 4 (halaman 79).
(12)
Gambar 10. Pola Isoterm Langmuir Adsorpsi Ion Mg2+
Gambar 11. Pola Isoterm Freundlich Adsorpsi Ion Mg2+
y = 19034x - 1.778 R² = 0.906 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
0.0E+00 1.0E-04 2.0E-04 3.0E-04 4.0E-04 5.0E-04
C e/q e (g/L) Ce (mol/L) y = -0.662x - 6.371 R² = 0.732 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 L og q e ( m ol/ g) Log Ce (mol/L)
B.Pembahasan
1. Hasil Sintesis Silika Gel dari Bagasse tebu a. Silika gel
Tahap pertama dalam penelitian ini adalah preparasi sampel. Preparasi bagasse tebu dilakukan berdasarkan penelitian Miftakhul Huda. (2012). Bagasse tebu dikeringkan dibawah sinar matahari selama sehari untuk mengeliminasi kandungan air dalam bagasse tebu dengan menguapkan air dari permukaan sehingga memudahkan tahap pembakaran. Pengeringan dengan sinar matahari menyebabkan penyebaran panas ke dalam bahan berlangsung secara bertahap dan menyeluruh sehingga penguapan air ke udara lebih merata. Tidak demikian halnya dengan pengeringan dengan oven. Ketika bahan mulai terkena panas dari oven, laju pengeringan berlangsung secara cepat, sehingga saat laju pengeringan mulai menurun, masih tersisa kandungan air pada bahan. Adanya sisa kandungan air dalam abu bagasse tebu dapat menghalangi proses difusi komponen kimia yang terkandung dalam bagasse tebu saat dipanaskan (Harsono, 2002).
Selanjutnya bagasse tebu dibakar, menghasilkan abu bagasse tebu berwarna hitam. Abu tersebut ditumbuk hingga halus untuk memperkecil ukuran abu agar mempermudah tahap pengabuan. Selanjutnya, abu bagasse
tebu diabukan dengan muffle furnace pada suhu 600oC selama 5 jam. Tahap pengabuan bagasse tebu bertujuan untuk menghilangkan fraksi organik
(pengotor) yang ada di dalam bagasse tebu, sehingga yang tersisa hanya fraksi anorganiknya saja. Selain itu aktivasi fisik dengan cara pemanasan bertujuan untuk membuka dan menambah pori-pori silika gel dan meningkatkan luas permukaan silika gel sehingga kapasitas penyerapannya menjadi bertambah besar. Pengabuan dilakukan pada temperatur di bawah 800oC untuk mencegah terjadinya transformasi silika yang berstruktur amorf menjadi kristalin, dan di atas 500oC untuk mempercepat waktu pembakaran. Semakin rendah temperatur pembakaran maka waktu yang diperlukan untuk menghasilkan abu bagasse tebu berwarna putih menjadi lebih lama. Hal ini dikarenakan pembakaran fraksi organik dalam bagasse
tebu pada temperatur yang rendah memiliki kecepatan pembakaran yang rendah (Chakraverty et.al., 1988). Temperatur yang dikontrol dengan baik dan lingkungan yang sesuai saat pembakaran dapat menghasilkan kualitas abu bagasse tebu yang lebih baik karena ukuran partikel dan luas spesifik permukaannya dipengaruhi oleh kondisi pembakaran. Bagasse tebu yang terbakar sempurna akan berwarna abu hingga putih, sementara abu bagasse
tebu yang tidak terbakar sempurna akan berwarna hitam (Chakraverty et. al., 1988).
Abu tersebut diayak menggunakan ayakan 200 mesh agar diperoleh abu dengan ukuran yang sama dan memperluas permukaan dari silika gel. Reaksi pengabuan yang terjadi menurut Nuryono dkk., (2004) adalah sebagai berikut:
Sebanyak 20 gram abu bagasse tebu yang diperoleh dari tahap pengabuan direndam dengan 1 liter HCl 0,1 M. Abu bagasse harus diaktifkan dengan larutan asam untuk menghilangkan oksida logam dan komponen dalam abu bagasse tebu yang tidak diperlukan sekaligus meningkatkan porositas dan aktivitas adsorpsi (Savita, 1997). Zat -zat anorganik dalam bagasse tebu seperti mineral-mineral dalam jumlah yang sedikit dapat dihilangkan melalui perlakuan dengan H2SO4, HCl, atau HNO3. Menurut Chandrasekhar et. al. (2006), asam klorida merupakan bahan kimia yang sangat efektif untuk mengurangi zat-zat anorganik yang terdapat di dalam bagasse tebu.
Abu hasil rendaman HCl disaring dengan penyaring Buchner
kemudian dicuci sampai netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 80oC sampai massa konstan. Hasil yang diperoleh dari 20 gram abu bagasse tebu setelah direndam HCl adalah 12,123 gram. Berat abu bagasse tebu yang hilang merupakan berat komponen pada abu bagasse tebu yang tidak diperlukan.
Selanjutnya, 6 gram abu yang telah direndam HCl direaksikan dengan 200 ml NaOH 1 M. Campuran dipanaskan hingga mendidih sambil diaduk dengan pengaduk magnet (magnetik stirer) pada kecepatan konstan selama 1 jam. Pengadukan dilakukan untuk mempercepat pencampuran antara NaOH dan abu. Natrium hidroksida digunakan pada penelitian ini karena silika larut dalam larutan alkali terutama NaOH. Pada SiO2, elektronegativitas atom O yang tinggi menyebabkan Si lebih elektropositif
dan terbentuk intermediet [SiO2OH]- yang tidak stabil, kemudian terjadi dehidrogenasi dan ion hidroksil yang kedua akan berikatan dengan hidrogen membentuk molekul air. Menurut Nuryono dan Narsito (2006), pada sistem ini terdapat anion silikat sebagai gugus reaktif dengan ion natrium sebagai penyeimbang muatan. Dua ion Na akan menyeimbangkan muatan negatif yang terbentuk dan berinteraksi dengan ion SiO32- sehingga terbentuk natrium silikat (Na2SiO3). Persamaan reaksi pembentukan larutan natrium silikat dapat dilihat pada persamaan 4.
SiO2 (s) + 2 NaOH(aq) Na2SiO3(aq) + H2O (l)
Proses yang terjadi adalah pelarut NaOH menembus kapiler-kapiler dalam abu dan melarutkan silika. Selanjutnya, dengan cara difusi akan terjadi keseimbangan konsentrasi antara larutan silika yang ada dalam abu tersebut dengan larutan NaOH. Adanya gaya adhesi antara silika dengan NaOH menyebabkan terjadi pemisahan larutan yang mengandung silika dalam kuantitas tertentu didalam abu. Larutan silika yang terbentuk ini adalah natrium silikat yang merupakan reaksi antara NaOH dan silika pada abu bagasse tebu (Welveni, 2010).
Larutan natrium silikat yang diperoleh sebanyak 180 mL. Larutan ini berwarna bening kekuningan. Larutan yang diperoleh merupakan prekursor dari pembuatan silika gel. Setelah itu, larutan natrium silikat disaring dengan kertas saring Whatman 42. Filtrat natrium silikat didinginkan pada suhu kamar.
Tahap selanjutnya adalah tahap sol-gel. Proses sol gel dimulai dengan mengasamkan 100 mL larutan natrium silikat sambil diaduk dengan
magnetic stirrer sampai terbentuk gel karena silika mempunyai kelarutan yang tinggi pada pH > 10 ( Scott, 1993). Menurut Ilham Pratomo dkk. (2010), penambahan HCl 1 M pada larutan natrium silikat dengan teknik pengadukan dapat meningkatkan kadar silika yang dihasilkan. Pada kondisi awal, larutan natrium silikat bersifat sangat basa (pH 11-12) dalam bentuk Si-O- sehingga kondensasi tidak dapat berlangsung (Agus Prastiyanto dkk., 2010). Setelah penambahan asam yang berlebih menyebabkan berkurangnya gugus Si-O- dan bertambahnya gugus Si-OH. Penambahan HCl 1 M pada larutan Na2SiO3 dilakukan tetes demi tetes hingga pH 7. Pada penelitian ini, HCl yang diperlukan untuk mendapatkan larutan natrium silikat dengan pH 7 sebanyak 310 ml. Menurut Sriyanti dkk. (2005) penambahan HCl pada larutan natrium silikat menyebabkan pembentukan gel yang sangat cepat, terjadi di sekitar pH 9-7, namun jika HCl ditambahkan terus menerus maka gel akan melarut kembali.
Pada penelitian ini, asam yang digunakan adalah asam klorida 1 M, karena asam klorida merupakan asam yang bersifat non oksidator sehingga, asam ini tidak dapat mengoksidasi bahan-bahan organik, dalam hal ini adalah abu bagasse tebu. Apabila digunakan asam lain yang bersifat oksidator, maka abu bagasse tebu dapat dioksidasi. Abu tersebut akan habis dan menyebabkan tidak dapat dilakukan proses pemurnian menjadi silika. Penambahan HCl hingga pH 7 pada larutan natrium silikat terjadi
pembentukan H2SiO3. Reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut:
Na2SiO3(aq) + 2HCl(aq) ⟶ H2SiO3(aq) + 2NaCl(aq)
Gel yang terbentuk kemudian didiamkan selama 18 jam. Agar gel yang dihasilkan terbentuk secara sempurna. Selanjutnya, gel ditambahkan aqua demineralisata sebanyak 40 ml sehingga menghasilkan reaksi pembentukan sol asam Si(OH)4. Reaksi yang terjadi dapat digambarkan sebagai berikut:
H2SiO3(aq) + H2O(l) ⟶ Si(OH)4(aq)
Reaksi pembentukan silika gel digambarkan pada Gambar 12 (Scott,1993).
Si OH + HO OH OH H+ Si OH2+ HO OH OH Si OH HO OH OH + -H2O Si O HO OH OH Si OH OH OH H -H+ Si O HO OH OH Si OH OH OH +
Gambar 12. Reaksi Pembentukan Silika Gel
Penambahan HCl 1 M pada larutan Na2SiO3 mengakibatkan terjadinya penurunan pH, sehingga konsentrasi H+ dalam Na2SiO3 semakin meningkat. Hal ini menyebabkan silikat berubah menjadi asam silikat (H2SiO3) yang menyebabkan sebagian gugus siloksan (S-O-) membentuk (5)
ikatan silang ≡Si-O-Si≡ hingga terbentuk gel silika melalui proses kondensasi, sesuai persamaan reaksi di bawah ini:
≡Si-O- + H+⟶≡Si-OH
≡Si-OH + ≡Si-O-⟶≡Si-O-Si≡ + OH-
Menurut Sriyanti dkk. (2005), asam silikat bebas akan membentuk suatu dimer, trimer, hingga terbentuk polimer asam silikat. Agregat polimer akan bergabung membentuk bola polimer yang disebut primary silica particle. Primary silica particle pada ukuran tertentu akan mengalami kondensasi membentuk fasa padatan yang disebut alkogel. Alkogel yang didiamkan akan mengalami pelepasan NaCl sehingga dihasilkan gel yang kaku disebut hidrogel.
Gel yang terbentuk disaring dengan penyaring Buchner kemudian dicuci dengan aquades. Pencucian dengan aquades bertujuan agar gel bebas dari ion Cl- yang terbentuk dari penambahan HCl tadi. Jika larutan hasil pencucian direaksikan dengan AgNO3 menghasilkan filtrat yang berwarna keruh maka disimpulkan masih adanya ion Cl- di dalam gel. Pencucian dilakukan sampai larutan hasil pencucian tetap bening jika direaksikan dengan AgNO3.
Setelah bebas dari ion Cl-, residu dikeringkan dalam oven pada suhu 80oC sampai massa konstan. Serbuk yang dihasilkan merupakan silika gel kering atau xerogel yang akan digunakan sebagai adsorben. Selanjutnya, silika gel digerus menggunakan mortar agar memperluas permukaan pori silika sebelum digunakan untuk adsorben.