TINJAUAN PUSTAKA
A. Kerangka Teori 1. Bagasse Tebu 1.Bagasse Tebu
3. Proses Sol-Gel
Silika dapat disintesis dengan metode sol-gel karena metode ini relatif mudah dilakukan, tidak memerlukan waktu yang lama, dan memiliki homogenitas yang tinggi (Taslimah & Narsito, 2005). Metode sol-gel juga lebih unggul dibanding dengan metode yang lain karena untuk memperoleh komposit padat yang homogen dengan cara pembentukan suspensi koloid yang berbentuk gel dapat melalui proses gelasi sol pada suhu ruang (Ni, Chou, & Chang, 2007).
Proses sol-gel diawali dengan mengasamkan larutan natrium silikat hingga terbentuk gel karena silika memiliki kelarutan yang tinggi, yaitu pada pH lebih dari 10 (Scott & Wiley, 1995). Penambahan asam bertujuan untuk mendapatkan silika hidrosol (H2SiO3) diikuti reaksi pembentukan sol asam Si(OH)4 selanjutnya dikeringkan maka akan terbentuk silika gel. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:
Na2SiO3 + 2HCl H2SiO3 + 2NaCl (1) H2SiO3 + H2O Si(OH)4 (2)
Penambahan HCl pada larutan Na2SiO3 mengakibatkan terjadinya penurunan pH, sehingga konsentrasi H+ dalam Na2SiO3 semakin meningkat. Hal ini menyebabkan silikat berubah menjadi asam silikat (H2SiO3). Pada kondisi ini sebagian gugus siloksan (S-O-) membentuk gugus silanol (Si-(OH)4). Gugus ini terpolimerasi
10
membentuk ikatan silang Si-O-Si hingga terbentuk gel silika melalui proses kondensasi.
Pada penelitian ini, pengasaman natrium silikat yang dilakukan menggunakan asam klorida. Menurut (Taslimah & Narsito, 2005), pengasaman natrium silikat dengan HCl menyebabkan pembentukan gel yang sangat cepat, hal ini terjadi di sekitar pH 7-9. Penambahan HCl terus menerus akan menyebabkan gel melarut kembali.
4. Nitrat (NO3-)
Unsur nitrogen (N) dengan unsur fosfor (P) dan kalium (K), merupakan unsur hara yang dibutuhkan oleh tanaman. Bahan tanaman yang kering memiliki kandungan sekitar 2-4% N, jauh lebih rendah dari kandungan C yang berkisar 40%. Namun unsur hara N ini merupakan komponen protein (asam amino) dan klorofil. Bentuk ion yang diserap oleh tanaman umumnya dalam bentuk NO3- dan NH4+ bagi tanaman padi (Fauzi, 2003).
Nitrat (NO3-) merupakan anion yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa dan memiliki bentuk triangular. Nitrat sangat aktif bergerak dalam perairan dan merupakan bentuk utama spesies nitrogen di perairan alami. Nitrat termasuk zat hara dan merupakan bentuk nitrogen anorganik siap pakai. Nitrat bertanggung jawab terhadap pertumbuhan tanaman, proses repsoduksi dan fiksasi nitrogen (Jagessar & Sooknundun, 2011). Resonansi ion nitrat ditunjukkan dalam Gambar 2.
11
Gambar 2. Resonansi ion nitrat
Nitrat ditemukan di alam dalam bentuk garam sebagai hasil siklus nitrogen. Nitrat terbentuk dari proses nitrifikasi, yaitu oksidasi ammonia dengan bantuan bakteri dalam tanah. Nitrat banyak digunakan dalam produksi pembuatan pupuk, industri logam, industri farmasi, dan industri makanan sebagai pengawet. Nitrat dihasilkan dari proses oksidasi sempurna senyawa nitrogen dan ammonia di perairan (Effendi & Phil, 2000).
Sumber nitrat dalam perairan secara alami dihasilkan dari proses dekomposisi aerobik bahan organik nitrogen oleh mikroorganisme (Jagessar & Sooknundun, 2011). Perairan akan mengalami pengayaan nitrat karena adanya pembuangan ke perairan yang berasal dari penggunaan pupuk kimia secara intensif yang berasal dari tanah pertanian, peternakan, limbah domestik dan industri.
Nitrat yang berlebihan menyebabkan pertumbuhan tanaman dalam perairan meningkat pesat. Proses ini dikenal sebagai eutrofikasi. Peningkatan populasi tumbuhan air dalam perairan akan menimbulkan kompetisi biota dalam mendapatkan oksigen, memicu kematian organisme, penambahan material organik dalam jumlah besar dan
12
akhirnya oksigen terlarut di perairan menjadi berkurang sehingga perairan akan cenderung bersifat anoksik (Jagessar & Sooknundun, 2011).
5. Adsorpsi
Adsorpsi merupakan suatu fenomena fisik yang terjadi antara molekul-molekul fluida (gas atau cair) yang dikontakkan dengan permukaan padatan (A, Husin Muhammad, 2012). Adsorpsi adalah proses interaksi antara zat penjerap dengan suatu permukaan penjerap sedangkan desorpsi merupakan proses melepaskan molekul dari suatu permukaan. Pada peristiwa adsorpsi terjadi proses pengeluaran kalor (eksoterm) dan sebaliknya ketika desorpsi terjadi proses pengambilan kalor dari lingkungannya (desorpsi) (Keller dalam A, Husin Muhammad, 2012).
Daya adsorpsi adalah kemampuan suatu adsorben untuk menarik sejumlah adsorbat. Adsorpsi tergantung dari beberapaa faktor, diantaranya pada luas spesifik padatan atau luas permukaan adsorben, konsentrasi keseimbangan zat terlarut atau tekanan adsorpsi gas, temperatur pada saat proses berjalan, dan sifat adsorbat dan adsorben, sehingga daya adsorpsinya semakin kuat (Laksono, 2002).
Faktor yang mempengaruhi adsorpsi di antaranya adalah konsentrasi adsorben, jenis bahan dasar adsorben, luas permukaan adsorben, jenis adsorbat, pH sistem, dan waktu interaksi adsorpsi. Terdapat dua jenis adsorpsi, yaitu adsorpsi secara kimia (kemisorpsi) dan adsorpsi secara fisika (fisisorpsi).
13 a. Fisisorpsi
Fisisorpsi merupakan adsorpsi fisika dimana dalam proses adsorpsi tersebut terdapat antaraksi Van Der Waals antara adsorbat dan adsorben. Antaraksi Van Der Waals mempunyai jarak jauh, tetapi lemah, dan energi yang dilepaskan jika partikel terfisisorpsi mempunyai orde besaran yang sama dengan entalpi kondensasi.
b. Kemisorpsi
Pada kemisorpsi atau adsorpsi kimia, partikel melekat pada permukaan dengan membentuk ikatan kimia (ikatan kovalen), dan cenderung akan mencari tempat yang dapat memaksimalkan bilangan koordinasi dengan adsorbennya. Molekul yang terkemisorpsi dapat terpisah karena valensi atom permukaan yang tak terpenuhi. Adanya fragmen molekul pada permukaan, sebagai hasil kemisorpsi adalah salah satu penyebab permukaan mengkatalis reaksi (Atkins, 1997). 6. Sorpsi dan Faktor yang Mempengaruhi Pengikatan
Sorpsi terdiri dari adsorpsi dan desorpsi. Adsorpsi adalah proses dimana molekul dari gas atau larutan terikat pada sebuah lapisan permukaan padatan atau cairan. Proses ketika terikat disebut adsorpsi sedangkan proses pemindahan molekul dari permukaan disebut desorpsi. Molekul yang terikat pada permukaan disebut adsorbat dan zat yang mengikat adsorbat disebut adsorben (Masel, 1996).
Molekul dan atom dapat menempel pada permukaan dengan dua cara. Dalam fisisorpsi (adsorpsi fisika) terdapat antar aksi van der Waals
14
(contohnya, disperse atau antaraksi dipolar) antara adsorbat dan substrat. Entalpi kemisorpsi jauh lebih besar daripada entalpi fisisorpsi (Atkins, 1999).
Perbedaan fisisorpsi dan kemisorpsi ditunjukkan dalam Tabel 1. Tabel 1. Perbedaan Antara Fisisorpsi dan Kemisorpsi
(S. A. Iqbal dan Y. Mido, 1996).
Karakteristik sorpsi bersifat spesifik untuk suatu sistem. Faktor- faktor yang mempengaruhi proses adsorpsi, antara lain:
a. Luas permukaan adsorben
Semakin luas permukaan adsorben maka semakin banyak adsroben yang teradsorpsi sebab semakin banyak pula situs-situs aktif yang tersedia pada adsorben untuk kontak dengan adsorbat. Luas permukaan sebanding dengan jumlah situs aktif adsorben.
b. Ukuran molekul adsorbat
Adsorpsi fisika Adsorpsi kimia Disebabkan oleh gaya antar
molekul van der Waals
Disebabkan oleh pembentukan ikatan kimia
Tergantung pada gas alam, gas mudah mencair dan teradsorpsi mudah
Jauh lebih spesifik daripada adsorpsi fisika
Panas adsorpsi kecil (sekitar 5 kkal/mo l)
Panas adsorpsi besar (20-100 kkal/mo l)
Reversible Irreversible
Terjadi dengan cepat pada temperatur rendah, menurun dengan meningkatnya suhu
Meningkat dengan kenaikan Temperature
Peningkatan tekanan menyebabkan adsorpsi juga meningkat, penurunan tekanan menyebabkan desorpsi
Perubahan tekanan tidak memiliki efek
Bentuk mult i molekuler lapisan dipermukaan adsorben
15
Molekul yang besar akan lebih mudah teradsorpsi daripada molekul yang kecil. Tetapi, pada difusi pori molekul-molekul yang besar akan mengalami kesulitan untuk teradsorpsi akibat konfigurasi yang tidak mendukung. Sehingga adanya batas ukuran molekul adsorpsi tertentu pada setiap adsorpsi.
c. Konsentrasi adsorbat
Konsentrasi adsorbat yang tinggi akan menghasilkan daya dorong (driving force) yang tinggi bagi molekul adsorbat untuk msuk ke dalam situs aktif adsorben.
d. Suhu
Adsorpsi merupakan proses kinetika maka pengaturan suhu akan mempengaruhi kecepatan proses adsorpsi.
e. pH
pH mempengaruhi terjadinya ionisasi ion hydrogen dan ion ini sangat kuat teradsorpsi. Asam organic lebih mudah teradsorpsi pada pH rendah sedangkan basa organic terjadi pada pH tinggi.
f. Waktu pengadukan
Waktu pengadukan yang relative lama akan memberikan waktu kontak yang lebih lama terhadap adsorben untuk berinteraksi dengan adsorbat (Asep, 2009).
16 7. Model Isotherm Sorpsi
Isoterm adsorpsi merupakan hubungan konsentrasi zat terlarut yang teradsorpsi pada padatan dengan konsentrasi larutan, pada suhu tetap. Persamaan isoterm adsorpsi yang lazim digunakan ialah yang dikaji dan dikembangkan oleh Freundlich, Langmuir, dan Dubinin-Radushkevich.
a. Isoterm Freundlich
Salah satu pendekatan dengan isoterm adsorpsi berdasarkan yang dijelaskan oleh Freundlich. Menurut Freundlich, jika � / m adalah berat zat terlarut per gram adsorben dan C adalah konsentrasi zat terlarut dalam larutan. Dari konsep tersebut dapat diperoleh persamaan sebagai berikut.
� / m = Kf. �� / (1)
log qe = log Kf + 1/n. log Ce (2) dimana:
� = berat zat yang diadsorpsi m = berat adsorben
qe = jumlah adsorbat teradsorpsi per gram adsorben (mol/g)
�� = konsentrasi pada saat setimbang Kf = konstanta isoterm Freundlich n = kapasitas atau intensitas adsorpsi
Kemudian k dan n adalah konstanta adsorpsi yang nilainya bergantung pada jenis adsorben dan suhu adsorpsi. Bila dibuat kurva
17
log qe terhadap log Ce akan diperoleh persamaan linier dengan intersep log Kf dan kemiringan 1/n, sehingga nilai k dan n dapat diketahui (Handayani & Sulistyono, 2009). Grafik isoterm Freundlich ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3. Grafik Isoterm Freundlich (Atkins, 1997: 443-444) b. Isoterm Langmuir
Model isoterm Langmuir mengasumsikan bahwa permukaan adsorben terdiri atas situs adsorpsi di mana semua adsorbat hanya teradsorpsi pada situs aktif dan tidak terjadi interaksi antar adsorbat, sehingga yang terbentuk adalah lapisan adsorpsi mono molekuler di mana jumlah molekul yang teradsorpsi tidak akan melebihi jumlah situs aktif (Taslimah & Narsito, 2005).
Persamaan Langmuir dapat ditulis sebagai berikut. �� ��
=
� ���� .+
�� ���� Keterangan: ��= Konsentrasi adsorbat 2.3 2.8 3.3 3.8 4.5 5 5.5 6 6.5 log q e (m ol /g) log Ce (mol/L)18
�� = jumlah adsorbat yang teradsorp oleh adsorben pada saat setimbang
� �� = kapasitas adsorpsi maksimum
�� = konstanta isoterm Langmuir Dengan membuat kurva ��
�� terhadap
�
� akan diperoleh persamaan linear, dari besar kecilnya nilai�
��� dan (Handayani & Sulistyono, 2009). Gambar ilustrasi adsorpsi dengan isoterm Langmuir ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4. Ilustrasi Adsorpsi pada Isoterm Langmuir Persamaan isoterm Langmuir dapat ditulis sebagai berikut:
�� ��
=
� ����.+
�� ���� (3) Keterangan:Ce = konsentrasi pada saat setimbang (mol/L) qe = jumlah adsorbat per gram adsorben (mol/g) qmax = kapasitas adsorpsi maksimum (mol/g) KL = konstanta isoterm Langmuir (L/mol)
19 Berdasarkan kurva ��
�� terhadap �� akan diperoleh persamaan linier, dan diketahui nilai � �� dan ��. Gambar grafik isoterm Langmuir ditunjukkan dalam Gambar 5.
Gambar 5. Kurva Isoterm Adsorpsi Langmuir
(Murni Handayani & Eko Sulistiyono, 2009; Maria Angela dkk., 2015).
Besar kecilnya nilai qmax dan KL dapat diketahui dengan cara mensubtitusiikan persamaan linear yang diperoleh dari kurva hubungan Ce/N terhadap Ce (Gambar 5) ke dalam persamaan 3 (Murni Handayani & Eko Sulistiyono, 2009; Maria Angela dkk., 2015).
c. Isoterm Dubinin-Radushkevich
Isoterm Dubinin-Radushkevich digunakan untuk mengetahui mekanisme adsorpsi. Teori ini dapat membedakan antara adsorpsi secara fisika dan kimia berdasarkan nilai energi adsorpsi yang didapat (Chen & Chen, 2009). Isoterm adsorpsi juga dapat digunakan untuk memperkirakan karakterisasi porositas adsorben dan energi adsorpsi seperti pada penerapan isoterm adsorpsi Dubinin-Radushkevich.
20
Dubinin-Raduskevich mengasumsikan bahwa kurva adsorpsi berhubungan dengan porositas adsorben (Abdelwahab, 2007). Bentuk linier persamaan isoterm Dubinin-Radushkevich adalah sebagai berikut:
ln qe = ln QD - BD
ε
2(4)
QD adalah kapasitas maksimum (mmol/g), BD adalah konstanta Dubinin-Radushkevich (mol2. K /J2) dan
ε
adalah potensial Polanyi yang diperoleh dari persamaan berikut:ε
= RTln( 1 +�� ) (5)
Energi adsorpsi rata-rata (ED) (kJ/ mol) dapat dihitung dari persamaan berikut:
ED = +
√ � (6)