BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2 Perlakuan sebelum Pencampuran Larutan Induk
4.2.1 Pengukuran pH dan Konduktivitas Larutan Induk
Pada subbab sebelumnya telah diperlihatkan bahwa agitasi mekanik dan pemanasan terbukti mampu mendorong proses presipitasi CaCO3. Fenomena tersebutdiduga karena kedua proses mampu memperlemah lapisan hidrasi yang dibentuk molekul-molekul air di sekeliling ion Ca2+ dan CO32- sehingga keduanya lebih mudah terpresipitasi membentuk CaCO3(s). Namun, hasil tersebut belum
mampu menunjukkan secara eksplisit bahwa kombinasi kedua proses mampu memperlemah lapisan hidrasi di dalam air. Perlemahan lapisan tersebut menunjukkan terjadinya perubahan struktur air dimana untuk larutan elektrolit, erat kaitannya dengan nilai konduktivitas. Oleh sebab itu, diperlukan data konduktivitas yang mampu menguatkan dugaan atas melemahnya lapisan hidrasi tersebut.
Selain konduktivitas, pH larutan NaHCO3 juga diukur untuk melihat apakah perlakuan yang diberikan berpengaruh terhadap pH larutan. Hal ini penting untuk diketahui karena di dalam larutan karbonat terjadi suatu kesetimbangan antara CO2, CO32-, dan HCO3- dimana fraksi ketiganya merupakan fungsi pH. Pada bagian ini, dilakukan pengambilan data sebanyak tiga kali lalu diambil nilai rata-rata dari ketiganya agar hasil yang diperoleh lebih akurat.
Tabel 4. 3 Nilai konduktivitas dan pH Larutan NaHCO3 pada berbagai kondisi
Waktu Pengukuran Konduktivitas
(mS) pH % Fraksi HCO3 -% Fraksi CO3 2-Sebelum perlakuan 851 8,47 99 ± 1 Setelah dipanaskan 1
jam pada suhu 40°C 1229 8,66 99 1
Setelah dipanaskan 1
jam pada suhu 50°C 1426 8,73 96 4
Setelah 1 jam diagitasi 1000 rpm pada suhu ruang
1025 8,83 97,5 2,5
Setelah 1 jam diagitasi 1000 rpm pada suhu ruang 40°C
1262 8,90 96 4
Setelah 1 jam diagitasi 1000 rpm pada suhu ruang 50°C
1533 8,93 95,75 4,25
Tabel 4.3 menunjukkan data hasil pengukuran pH dan konduktivitas larutan NaHCO3. Dari data yang diperoleh, secara umum, terlihat bahwa terjadi peningkatan konduktivitas setelah larutan diberi berbagai perlakuan. Jika dibandingkan antara larutan dengan perlakuan tunggal berupa agitasi mekanik dan pemanasan, peningkatan konduktivitas pada proses pemanasan (pada 40C,
=378) lebih besar dibandingkan dengan agitasi (=174). Ketika kedua proses ini dikombinasikan maka peningkatan konduktivitas larutan yang dihasilkan lebih besar lagi. Peningkatan konduktivitas terbesar ditunjukkan oleh larutan yang diagitasi dengan kecepatan putar 1000 rpm pada suhu 50°C (=683).
Konduktivitas suatu larutan elektrolit dapat menunjukkan mobilitas dari ion-ion hidrat yang ada dalam larutan tersebut (Saksono dkk., 2007). Maka, kenaikan konduktivitas dengan adanya proses agitasi mekanik menunjukkan bahwa terjadi kenaikan mobilitas ion-ion yang ada dalam larutan NaHCO3. Hal ini dapat terjadi jika lapisan hidrasi yang dibentuk molekul-molekul air disekitar ion terlemahkan, mengingat pada kondisi normal ion-ion di dalam air akan dikelilingi lapisan hidrasi yang mengurangi mobilitas ion. Perlemahan interaksi antara molekul air dan ion membuat ion mampu bergerak lebih bebas. Selain itu, agitasi larutan di dalam wadah berpenyekat menimbulkan pergerakan larutan secara merata sehingga meningkatkan kemungkinan terjadinya tumbukan antar ion-ion dalam larutan.
Tabel di atas juga menunjukkan bahwa suhu meningkatkan konduktivitas larutan NaHCO3. Hasil ini sesuai dengan penelitian L.T. Vlaev dan S.D. Geneiva (2004) terkait larutan elektrolit dari larutan Na2SeO3 dimana penelitian itu menunjukkan bahwa kenaikan konduktivitas adalah sebagai fungsi suhu. Ini dikarenakan kebergantungan konduktivitas terhadap suhu erat kaitannya dengan perubahan sifat fundamental air itu sendiri. Pada suhu yang lebih tinggi, viskositas suatu larutan akan menjadi lebih rendah sehingga mobilitas ion-ion di dalamnya meningkat (Vlaev dkk., 2003). Kenaikan mobilitas ion akan berdampak pada naiknya konduktivitas suatu larutan.
Lebih jauh, efek pemanasan larutan diduga lebih berpengaruh terhadap
cluster air dibandingkan hidrat ion. Dugaan ini bedasarkan pada teori model cluster yang menyatakan bahwa cluster air dengan ukuran menengah akan
berkurang ukurannya ketika suhu dinaikkan karena kenaikan suhu dapat melemahkan ikatan hidrogen (Franks, 1980). Disamping itu, suatu studi terkait ikatan hidrogen pada air, yang meninjau 17O NMR, menunjukkan bahwa pergeseran ikatan kimia 17O NMR berkurang seiring dengan meningkatnya suhu
dan hal tersebut merupakan suatu indikasi atas berkurangnya ukuran cluster dalam air (Li dkk., 2006).
Berdasarkan nilai peningkatan konduktivitas () yang ditunjukkan, proses termal seharusnya memberikan kontribusi besar terhadap presipitasi CaCO3
karena peningkatannya lebih signifikan dibandingkan agitasi mekanik. Namun, jika kita lihat kembali persen presipitasi maksimal yang dicapai proses termal pada suhu 50C, nilainya (20%) lebih kecil dibandingkan dengan larutan yang diagitasi mekanik dengan kecepatan putar 1500 rpm (29%).
Fenomena ini dapat terjadi karena adanya efek berlawanan antara interaksi ion-air dan lapisan pertama-lapisan kedua air (Chaplin, 2012). Ketika larutan dinaikkan suhunya, maka hal ini memperlemah interaksi antar molekul air di lapisan pertama-lapisan kedua, tetapi pada saat yang bersamaan interaksi antara ion dan air meningkat sehingga menyebabkan kontraksi jarak diantara keduanya (Seward dkk., 2006). Molekul air tersebut akan menjauh dari ion jika interaksi keduanya diperlemah. Agitasi mekanik yang diberikan pada larutan menimbulkan efek yang kedua yaitu memperlemah interaksi antara ion dan molekul air di lapisan pertama yang menyebabkan ion Ca2+ dan CO32- lebih mudah bertemu. Hal ini menjelaskan mengapa agitasi mekanik memiliki efek yang lebih dominan dalam mendorong presipitasi CaCO3 dibandingkan pemanasan.
Ketika kedua proses dikombinasikan, maka diperoleh efek berlipat yang menguntungkan. Proses termal memperlemah interaksi antar air baik pada lapisan pertama-kedua hidrasi maupun pada bulk water. Di saat yang bersamaan, interaksi ion dan lapisan pertama hidrasi juga diperlemah sehingga memberi ruang yang lebih leluasa untuk bertemunya ion-ion.
Disamping konduktivitas, pada tabel 4.3 juga ditunjukkan perubahan pH larutan NaHCO3. Secara umum, terlihat bahwa pada berbagai perlakuan pH larutan mengalami peningkatan. Berbeda dengan konduktivitas, peningkatan pH oleh larutan yang diagitasi (pH=0,36) lebih besar dibandingkan dengan larutan yang dipanaskan (pada 50C, pH=0,26). Sedangkan peningkatan terbesar ditunjukkan oleh larutan yang diagitasi sembari dijaga pada suhu 50C.
Sebagaimana yang telah dipaparkan sebelumnya, pada suatu sistem larutan karbonat, terjadi kesetimbangan antara CO2, CO32-, dan HCO3- sebagai fungsi dari
pH seperti pada Gambar 2.2. Pada saat larutan belum diberi perlakuan pH bernilai 8,47. Jika mengacu pada gambar di atas, maka pada titik 8,47 terlihat masih terdapat tiga komponen H2CO3, CO32-, dan HCO3-. Pada saat ini ion yang mendominasi larutan adalah ion HCO3- (99%), dimana sisanya merupakan jumlah H2CO3 dan CO32-. Setelah larutan diberi perlakuan, secara keseluruhan menunjukkan nilai pH di atas 8,5 dimana pada titik ini fraksi ion yang dominan adalah HCO3- dan sebagian kecil CO32-, sedangkan komponen H2CO3 atau CO2
gas tidak ada.
Pengukuran pH tersebut menunjukkan bahwa meski setelah diberikan perlakuan, larutan masih didominasi oleh ion HCO3-. Ini menunjukkan bahwa mekanisme presipitasi yang dominan terjadi dalam air sadah sintetis bukan melalui ion CO32- melainkan HCO3-. Berdasarkan Tabel 2.2, pembentukan partikel CaCO3 dari ion CO32- lebih spontan dibanding dari ion HCO3-. Hal ini membuat presipitasi CaCO3 relatif berjalan lambat. Apabila pH larutan dibuat menjadi lebih dari 11, kemungkinan persen presipitasi maksimal dapat dicapai dalam waktu yang lebih singkat. Namun, pengaturan pH tersebut membutuhkan penambahan zat kimia yang membuat metode kombinasi ini kurang aman diterapkan pada industri tertentu. Lambatnya proses presipitasi dalam sistem larutan NaHCO3 ini memperjelas efek agitasi dan termal yang diberikan.
Selain itu, berdasarkan Tabel 2.3, ion HCO3- memiliki energi hidrasi yang relatif rendah sehingga lebih mudah melemahkan interaksi antara molekul air dan ion tersebut. Hal ini membuat ion HCO3- dan Ca2+ lebih mudah bereaksi membentuk partikel CaCO3.