MEMBRAN KOMPOSIT SELULOSA ASETAT-MAGNETIT
UNTUK PEMISAHAN LOGAM TIMBAL(II)
LILY TRISNAWATI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Komposit Selulosa Asetat-Magnetit untuk Pemisahan Logam Timbal(II) adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, September 2016
Lily Trisnawati
ABSTRAK
LILY TRISNAWATI. Membran Komposit Selulosa Asetat-Magnetit untuk Pemisahan Logam Timbal(II). Dibimbing oleh DEDEN SAPRUDIN dan SRI MULIJANI.
Pencemaran oleh logam (Pb) di beberapa perairan sudah melebihi ambang batas yang dianjurkan WHO, yaitu kandungan Pb kurang dari 0.01 ppm. Material magnetit yang bersifat absorben dan selulosa asetat merupakan bahan utama membran yang bersifat ramah lingkungan guna memisahkan partikel dan ion. Membran dibuat dalam 2 ragam, yaitu selulosa asetat dan komposit selulosa asetat-magnetit dengan metode pencetakan. Kinerja membran dievaluasi dengan mengukur nilai fluks air dan indeks rejeksi pada berbagai pH larutan terhadap ion Pb2+. Kemudian, konsentrasi permeatnya diukur dengan spektrofotometri serapan
atom. Nilai fluks air meningkat pada membran tanpa komposit magnetit dan nilai indeks rejeksi membran selulosa asetat-magnetit terbesar pada larutan pH 6 mendekati 80%. Membran komposit dicirikan dengan analisis morfologi penampang lintang membran dan hasilnya menunjukkan ukuran pori sebesar 350-800 nm. Membran komposit menunjukkan komposisi unsur besi (Fe) dan oksigen (O) dari magnetit.
Kata kunci: logam timbal(II), magnetit, membran, selulosa asetat
ABSTRACT
LILY TRISNAWATI. Cellulose Acetate-Magnetite Membrane Composite for Separating Lead(II) Metal. Supervised by DEDEN SAPRUDIN and SRI MULIJANI.
Lead pollution in some waters exceeds the WHO’s recommendation, which should be less than 0.01 ppm of Pb metal. Magnetite material, which works as absorbent material and cellulose acetate, is the main ingredient membrane that is environmentally friendly to separate particles and ions. Membranes were made in 2 types, i.e. cellulose acetate and cellulose acetate-magnetite composite by using printing method. The performance was evaluated by measuring water flux and rejection index on various pH solution for Pb2+ ions. The permeate concentration
was measured using atomic absorption spectrophotometer. Water flux values increases in the membrane without magnetite composite and the highest index rejection value of the cellulose acetate-magnetite membrane in pH 6 solution was close to 80%. The composite membrane was characterized by morphological analysis on the latitude of the membrane and the result shows the pore size of 350-800 nm. The composite membrane shows the existence of iron (Fe) and oxygen (O) in the magnetite.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
MEMBRAN KOMPOSIT SELULOSA ASETAT-MAGNETIT
UNTUK PEMISAHAN LOGAM TIMBAL(II)
LILY TRISNAWATI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 ini ialah Membran Komposit Sesulosa Asetat-Magnetit untuk Pemisahan Logam Timbal(II).
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr Deden Saprudin, MSi dan Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing yang telah memberikan ilmu, arahan, dan masukan selama penelitian dan penulisan karya ilmiah. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada para staf Laboratorium Kimia Analitik, Bapak Eman Suherman, Bapak Edi Suhendar, Ibu Nunung Nuryanti, dan Bapak Kosasih, staf Laboratorium Kimia Fisik Bapak Ismail atas segala bantuannya selama melaksanakan penelitian, serta staf Laboratorium Bersama Bapak Wawan yang telah membantu selama pengujian Spektrofotometri Serapan Atom.
Ungkapan terima kasih yang sangat mendalam disampaikan kepada orang tua tercinta, yaitu Alm. Amir Hamzah dan Siti Umayah dan Kakak-kakak tercinta yaitu, Wulan, Ani, Sahid, Sinta, dan Adam atas segala doa, bantuan, dan dukungannya. Ucapan terima kasih juga diberikan kepada Kakak Dewi atas saran yang telah diberikan selama penelitian, serta kepada Aisyah, Zainab, Muthiah, Firna, M. Arif, Afi KSR IPB, Ulfah KSR IPB, Rosidah, M. Ali, M. Ridwan, Maria, Rachma, Nisa MM, dan Ema sebagai teman seperjuangan yang telah memberikan semangat selama kuliah dan penelitian. Selain itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada Bidikmisi yang telah membantu secara finansial. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2016
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR viii
DAFTAR LAMPIRAN viii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
Tujuan Penelitian 2
METODE 2
Bahan dan Alat 2
Lingkup Penelitian 3
HASIL DAN PEMBAHASAN 4
Magnetit 4
Kinerja Membran Komposit Selulosa Asetat-Magnetit 6
SIMPULAN DAN SARAN 12
Simpulan 12
Saran 12
DAFTAR PUSTAKA 12
LAMPIRAN 15
DAFTAR GAMBAR
1 Struktur magnetit 1
2 Skema pemisahan pada membran (Mulder dan Mulder 1996) 2
3 Interaksi magnetit dengan medan magnet 5
4 Proses pembentukan magnetit (Cheng et al. 2010) 5
5 Pengaruh komposit terhadap nilai fluks air membran 6 6 Pengaruh komposit dan nilai pH terhadap indeks rejeksi 7 7 Reaksi pertukaran ion dan adsorpsi pada membran 8 8 Morfologi penampang lintang membran pembesaran 5000 kali 9 9 Komposisi unsur dominan pada membran selulosa asetat-magnetit (a)
titik kesatu (b) titik kedua dan (c) titik ketiga 11
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian 15
2 Rangkaian alat pengukur fluks sistem cross flow 15
3 Reaksi stokiometri pembentukan magnetit 16
4 Data pengukuran fluks air pada membran 17
5 Reaksi magnetit dalam larutan asam 18
6 Nilai indeks rejeksi pada satu membran 18
7 Perbedaan warna membran selulosa asetat (B) dan terkomposit
magnetit (A) 18
8 Morfologi permukaan membran selulosa asetat-zeolit pembesaran
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat timbal (Pb) merupakan salah satu jenis logam berat yang diketahui beracun bagi makhluk hidup termasuk manusia. Timbal(II) atau Pb2+
dapat masuk ke dalam tubuh manusia melalui pernapasan, makanan dan air yang terkontaminasi oleh logam Pb, serta absorpsi melalui kulit (Supriharyono 2000). Sumber pencemaran timbal dapat berasal dari kegiatan industri yang berhubungan dengan pembuatan baterai, cat, minyak, elektronik, pembakaran bahan bakar motor, dan emisi mobil. Meningkatnya pemanfaatan logam Pb dalam pembakaran bahan bakar motor berbanding lurus dengan produksi kendaraan bermotor saat ini. Hal itu menyebabkan limbah dari kegiatan industri tersebut menjadi beban pencemaran di lingkungan terutama perairan sebagai tempat pembuangan (Yang
et al. 2010).
Pencemaran timbal di perairan dapat membahayakan kehidupan perairan dan lingkungan sekitarnya karena sifat logam timbal racun atau toksik. Logam Pb dapat terakumulasi pada organ dalam makhluk hidup dan mengakibatkan keracunan kronis. Keracunan Pb dapat mengakibatkan anemia, kerusakan otak dan fungsi ginjal, serta hematologi yang serius. Kadar maksimum logam Pb dalam perairan yang dianjurkan World Health Organisation (WHO) kurang dari 0.01
tetrahedral membentuk kristal spinel kubus berpusat muka (Gambar 1). Ion-ion oksigen menempati sudut dari tetrahedral dan oktahedral tersebut (Roonasii 2007). Magnetit telah dimanfaatkan dalam penjerapan ion logam berat dalam pengolahan air (Liu et al. 2008; Kumari et al. 2014). Efisiensi magnetit dipengaruhi oleh luas
permukaan dan kristalinitasnya dalam penjerap logam berat (Hermanek et al.
2007). Selain itu, upaya lain seperti teknologi membran dapat digunakan sebagai pemisahan logam Pb pada perairan. Sifat membran yang memiliki pori berfungsi melewatkan satu spesi kimia tertentu dan spesi kimia lainnya akan tertahan. Spesi yang dapat melewati membran adalah spesi yang memiliki ukuran lebih kecil dari ukuran pori membran (Cheryan 1998). Skema pemisahan partikel oleh membran ditunjukkan pada Gambar 2.
2
Membran dapat dibuat dari bahan selulosa asetat, polisulfon, dan polivinildiflorida. Membran selulosa asetat merupakan membran organik bersifat produk yang ramah lingkungan dari sumber yang dapat diperbaharui, harga terjangkau, cocok untuk menahan klorin, dan sifat hidrofilik yang tinggi (Cailing
et al. 2007; Wagner 2001). Penelitian sebelumnya tentang pemanfaatan membran
dan zeolit dalam pemisahan logam Pb telah dilakukan oleh Iqbal (2015) menunjukkan komposit membran selulosa asetat-zeolit dapat merejeksi logam Pb dengan ukuran pori membran asimetris sebesar 1.13-1.92 μm, yang tergolong membran mikrofiltrasi. Magnetit dan membran selulosa asetat diharapkan dapat bersinergi dalam pemisahan logam Pb dengan nilai indeks rejeksi lebih besar dan ukuran pori lebih kecil.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan menentukan kineja membran komposit selulosa asetat dengan magnetit dan optimasinya dalam pemisahan logam timbal (Pb2+)
pada variasi larutan pH.
METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah garam FeCl3·6H2O (Merk), trinatrium sitrat (Merk), urea (Merk), selulosa asetat
(Sinopharm Chemical Reagent), etanol teknis 96%, poli(etilena glikol) 6000, aseton (Merk), dan larutan standar Pb(NO3)2 (Merk). Alat-alat yang digunakan
selama proses penelitian antara lain peralatan gelas, oven, pengaduk magnet, pelat kaca/mika, reaktor hidrotermal, pH meter HANNA, Spektrofotometer Serapan Atom (SSA) AA700 Shimadzu, Scanning Electron Microscopy (SEM) Carl
Zeiss-Bruker tipe EVO MA10, dan modul penyaring cross flow.
3
Lingkup Penelitian
Metode penelitian yang telah dilakukan dapat dilihat pada diagram alir Lampiran 1 yang meliputi sintesis magnetit metode hidrotermal, membran komposit magnetit 0.1 g dengan tiga variasi pH, pencirian membran komposit dengan pengukuran fluks air, indeks rejeksi, analisis menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), dan Energy Dispersive X-ray (EDX).
Sintesis Magnetit (Cheng et al. 2010 dan Saprudin et al. 2013)
Magnetit disintesis menggunakan metode hidrotermal. Sebanyak 0.5406 g garam FeCl3·6H2O (2 mmol/0.05 M), 1.1764 g natrium sitrat (4 mmol/0.10 M)
dan 0.3604 g urea (6 mmol/0.15 M) dilarutkan dalam 40 mL akuades. Larutan diaduk selama 30 menit, kemudian dipanaskan dalam reaktor hidrotermal selama 12 jam pada suhu 200 °C. Hasil sintesis (endapan hitam) yang terbentuk dipisahkan, lalu dicuci dengan etanol dan dikeringkan pada oven 40 °C semalam. Magnetit dicirikan secara kualitatif melalui medan magnet.
Pembuatan membran komposit (Gholami et al. 2014 dengan Modifikasi) Pembuatan membran komposit dilakukan dengan metode pencetakan. Membran komposit dibuat dengan rasio selulosa asetat 4.5% (b/v) : PEG 6000 4.5% (b/v) : magnetit sejumlah 0.1 g menghasilkan larutan membran. Campuran ditambahkan aseton sebanyak 45 mL dan diaduk selama 20 jam hingga larutan membran homogen. Larutan membran dicetak pada pelat kaca dan didiamkan selama 10-15 menit. Kemudian, membran dicelupkan ke dalam air destilata selama 1 jam dan melepaskannya dari pelat kaca. Membran yang telah terbentuk dilakukan uji selanjutnya seperti pengukuran fluks air, indeks rejeksi, dan analisis morfologi. Selanjutnya, pembuatan membran dilakukan tanpa komposit magnetit.
Pengukuran fluks air (Mulijani et al. 2010)
Sampel membran dipotong persegi panjang dengan ukuran ± 18.0 x 4.5 cm, sehingga sesuai dengan dimensi kompartemen pemisah pada alat pengukur fluks air (Lampiran 2). Modul tersebut dihubungan dengan selang pengalir umpan. Umpan yang digunakan adalah air destilata dan dialirkan melewati membran. Nilai fluks setiap membran diukur dengan fungsi waktu setiap 6 menit sekali hingga menit ke-60. Nilai fluks dihitung menggunakan Persamaan 1.
4
Pengukuran indeks rejeksi (Mulijani et al. 2010 dengan Modifikasi)
Pengukuran indeks rejeksi membran dilakukan menggunakan alat yang sama dengan alat pengukur fluks air. Parameter yang perlu dicatat adalah jumlah konsentrasi permeat dan umpan. Umpan yang digunakan pada pengukuran rejeksi ialah larutan Pb(NO3)2 dengan variasi pH 4, pH 6, pH 8 dan konsentrasi 25 mg/L
yang sebelumnya telah dibuat kurva standarnya. Konsentrasi ion logam dalam permeat diukur menggunakan spektrofotometer serapan atom (SSA). Nilai persen rejeksi dihitung menggunakan Persamaan 2.
% Rejeksi = (1 - Cp
Cf ) x 100 % . . . (2)
(Baker 2004) Keterangan :
CP = konsentrasi permeat (mg/L)
Cf = konsentrasi umpan (mg/L)
Analisis morfologi membran (Mulijani et al. 2010)
Sampel diletakkan pada plat alumunium kemudian dilapisi dengan pelapis emas setebal 48 nm. Sampel kemudian diamati menggunakan SEM dengan tegangan 15 kV. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui morfologi dan ukuran pori dari membran.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Magnetit
Sintesis magnetit dilakukan dengan metode hidrotermal. Magnetit yang terbentuk berupa endapan warna hitam dan secara kualitatif dicirikan melalui interaksinya dengan medan magnet (Gambar 3). Endapan hitam yang didekatkan medan magnet menunjukkan sifat magnet berupa tertariknya endapan tersebut ke arah medan magnet. Magnetit terbentuk dari reaksi pada larutan FeCl3.6H2O,
natrium sitrat, dan urea secara hidrotermal. Sitrat berperan penting sebagai pereduksi Fe3+ menjadi Fe2+ dengan melepaskan gugus hidroksil saat kenaikan
temperatur (Lampiran 3). Tanpa penambahan sitrat, hanya akan terbentuk α-Fe2O3.
Pada waktu yang sama, urea mengalami hidrolisis menjadi NH3 dan CO2
menyebabkan suasana basa pada sistem (Cheng et al. 2010). Reaksi hidrolisis urea
adalah sebagai berikut (Lv et al. 2009).
5
Kondisi basa tersebut mendukung untuk terbentuknya Fe(OH)3 dan Fe(OH)2 yang
akan menjadi Fe3O4 setelah dehidrasi. Reaksi yang terjadi sebagai berikut (Lv et
al. 2009). Reaksi stokiometri lengkap disajikan Lampiran 3.
Fe2+
(aq) + 2NH3.H2O (aq) Fe(OH)2(s) + 2NH4+(aq)
Fe3+
(aq) + 3NH3.H2O (aq) Fe(OH)3(s) + 3NH4+(aq)
Fe(OH)2(s) +2 Fe(OH)3(s) Fe3O4(s) + 4H2O(aq)
Urea yang ditambahkan berfungsi sebagai pembentuk lapisan endapan yang sangat diperlukan pada proses hidrotermal, tanpa urea, magnetit tidak akan terbentuk. Nilai pH pada proses relatif konstan karena kesetimbangan hidrolitik dari tahap-tahap hidrolisis urea yang terjadi menyebabkan laju nukleasi dari magnetit relatif lambat. Morfologi magnetit yang dibentuk dari hidrolisis urea berangsur-angsur lebih seragam (Lv et al. 2009).
Pembentukan magnetit digambarkan menjadi dua tahap proses (Gambar 4). Tahap pertama, partikel amorf mengalami nukleasi dari larutan jenuh, sehingga terbentuk agregat partikel amorf berbentuk bola yang didorong oleh energi permukaan total paling minimal. Untuk sitrat, disamping sebagai reduktor juga berperan pada proses pembentukan morfologi kristal dan pencegahan agregasi pada tahap ini. Sitrat dapat membentuk kompleks yang stabil dan kekuatan koordinasi tinggi dengan Fe3+ dan Fe2+ (Cheng et al. 2010). Kompleks bidentat
dibentuk dengan Fe3+, sedangkan ion Fe2+ membentuk kompleks tridentat (Francis
dan Dodje 1993) Pembentukan kompleks yang stabil dapat mereduksi dengan tajam keberadaan ion besi bebas dalam larutan, sehingga dihasilkan reaksi lambat yang sangat penting dalam pembentukan kristal. Tahap kedua, padatan amorf dari agregat tersebut tumbuh terus-menerus dan mulai membentuk kristal (Cheng et al.
2010). Rendemen yang diperoleh sebesar 81.35%.
Gambar 3 Interaksi magnetit dengan medan magnet
6
Kinerja Membran Komposit Selulosa Asetat-Magnetit
Fluks air
Nilai fluks air dilakukan pengukuran volume per satuan waktu dan luas membran (Lampiran 4). Gambar 5 menunjukkan membran terkomposit magnetit memengaruhi nilai fluks menjadi lebih kecil. Hal ini ditunjukkan dengan nilai fluks terbesar membran terkomposit lebih kecil dibandingkan fluks terkecil membran selulosa asetat. Membran selulosa asetat-magnetit memiliki komposisi berupa selulosa asetat 4.5%(b/v), poli(etilena glikol) 6000 4.5% (b/v), 0.05% (b/b). magnetit. Komposisi tersebut berdasarkan optimasi penelitian yang dilakukan oleh Gholami et al. (2014) dengan modifikasi dua kali lebih besar untuk
komposisi selulosa asetat dan setengah lebih kecil untuk komposisi magnetit. Modifikasi dilakukan untuk meningkatkan sifat hidrofilik dan adsorpsi dari kedua bahan tersebut.
Nilai fluks air membran selulosa asetat selulosa asetat mempunyai sifat hidrofilik yang besar dibandingkan membran terkomposit magnetit. Membran terkomposit magnetit menunjukkan sifat hidrofilik yang lebih rendah. Sifat hidrofilik yang tinggi menunjukkan banyak air teradsorspi oleh membran dan lebih banyak air yang dapat melewati membran. Komposit magnetit pada membran selulosa asetat menyebabkan meningkatnya konsentrasi permukaan membran terkomposit, sehingga menurunkan porositas membran (Abedini et al.
2011; Hosseini et al. 2012). Porositas membran selulosa asetat lebih besar
daripada membran terkomposit magnetit karena nilai fluks air yang lebih besar (Gambar 6).
Porositas yang terbentuk dipengaruhi oleh penambahan poli(etilena glikol) 6000 (PEG 6000). PEG 6000 berfungsi sebagai porogen dengan membentuk pori lebih seragam yang berukuran 32-45.8 Å selain sebagai zat aditif penguat
Gambar 5 Pengaruh komposit terhadap nilai fluks air membran
7 membran. Konsentrasi PEG 6000 dibuat tetap terhadap membran selulosa asetat dan terkomposit magnetit agar pembentukan porogen seragam diantara keduanya (Kajrewska & Olech 1995). Proses pembuatan membran dengan waktu pengadukan lebih lama menunjukkan nilai fluks air menurun yang dapat disebabkan karena pori-pori lebih seragam dan mengecil. Penelitian oleh Iqbal (2015) melaporkan nilai fluks membran selulosa asetat-zeolit sebesar 589,69 L/m2jam, dengan waktu pengadukan ±2 jam, sedangkan waktu pengadukan ±20
jam pada membran terkomposit magnetit penelitian ini menunjukkan nilai fluks sebesar 168.88 L/m2jam. Nilai fluks air pada masing-masing membran dilakukan
pengukuran hingga kondisi tunak tercapai. Sebelum mencapai kondisi tersebut, nilai fluks mengalami penurunan disebabkan adanya partikel dalam larutan akuades yang digunakan berukuran sama dengan pori-pori atau lebih besar, sehingga menyumbat membran. Secara alami hal ini disebabkan oleh deposisi atau akumulasi dari partikel-partikel submikron pada permukaan membran (Zhang
et al. 2012).
Indeks rejeksi membran
Membran komposit selulosa asetat-magnetit untuk pemisahan ion Pb2+
dilakukan dengan pengaruh nilai pH. Nilai pH yang digunakan adalah 4. 6 dan 8 dalam pengukuran indeks rejeksi penelitian ini. Indeks rejeksi membran selulosa asetat dan membran terkomposit magnetit menunjukkan nilai terbesar indeks rejeksi pada pH 6. Nilai indeks rejeksi meningkat dari pH 4 dan menurun kembali saat pH 8 (Gambar 6). Hal ini menunjukkan ion Pb2+ pada pH asam tidak
teradsorspi dengan baik oleh magnetit pada larutan asam. Larutan asam tersebut menyebabkan magnetit pada membran terkomposit mengalami perubahan ion, sehingga cenderung bermuatan ion negatif. Ion negatif akan sulit mengadsopsi ion positif atau tidak ada yang akan teradsopsi (Lampiran 5). Nilai indeks rejeksi yang diperoleh dari membran selulosa asetat dan membran selulosa magnetit penelitian ini lebih besar 50% dan lebih baik dari penelitian membran terkomposit zeolit yang memiliki indeks rejeksi sebesar 62.10% maupun membran terkomposit magnetit dalam pH larutan netral sebesar 45% (Gholami et al. 2014; Harvey
2000).
8
Kestabilan magnetit pada larutan pH 6 menunjukkan ion Pb2+ dapat terjerap
lebih baik daripada pH netral disebabkan magnetit cenderung bermuatan negatif dan sifat alami magnetit sebagai adsorben menjadi aktif pada permukaan membran (Gholami et al. 2014). Pengaruh lamanya waktu pengadukan pada
membran terkomposit zeolit dibandingkan penelitian ini menyebabkan dispersi komposit pada membran lebih merata, sehingga pori-pori yang terbentuk lebih kecil dan ion Pb2+ tidak mudah melewati membran (Wagner 2001). Ion Pb2+
mengalami mekanisme penukar ion dan adsorpsi pada proses rejeksi yang berlangsung (Gambar 7). Mekanisme penukar ion yang dapat terjadi adalah ion Pb2+ menempel sendiri untuk berdekatan gugus fungsi yang dapat mendonorkan
dua pasang elektron untk ion Pb2+. Deprotonasi gugus fungsi menjadi anion reaktif
terjadi sebelum penempelan kation logam lalu reaksi kompleks terjadi (Adelwahab et al. 2015; Baker 2004).
Ukuran kation Pb2+ sebesar 5.2 Å lebih kecil dari pori-pori membran yang
cenderung terbentuk <0.002 nm menyebabkan pertukaran ion pada permukaan membran terjadi sebelum ion dengan mudah melewati selulosa asetat (Marcus 1991). Penambahan magnetit pada membran menyebabkan pori-pori berukuran lebih kecil, sehingga indeks rejeksi menurun, tetapi sifat alami adsorpsi magnetit dapat meningkatkan pemisahan ion Pb2+. Penelitian yang telah dilakukan oleh
Gholami et al. (2014) menunjukkan penambahan nanopartikel magnetit
meningkatkan indeks rejeksi membran selulosa-magnetit dibandingkan tanpa magnetit. Indeks rejeksi membran selulosa-magnetit pada Gambar 7 menunjukkan nilai lebih kecil daripada membran selulosa tanpa magnetit. Akan tetapi, indeks rejeksi tersebut lebih besar nilainya dibandingkan penelitian yang telah dilakukan Gholami et al. (2014) sebesar 20-30% perbedaannya disebabkan modifikasi nilai
pH larutan yang dilakukan.
Kesalahan yang dapat terjadi adalah dispersi magnetit yang masih belum homogen, sehingga efektif adsorpsi belum maksimal pada permukaan membran. Magnetit yang mudah mengalami aglomerasi dapat menyulitkan dispersi dalam berlangsungnya pengadukan. Penambahan polimer atau senyawa yang dapat melapisi magnetit dari aglomerasi tersebut diharapkan dapat meningkatkan indeks
Pb2+ NO 3
9 rejeksi. Kestabilan membran terhadap indeks rejeksi dengan pemakaian berulang tidak baik pada kondisi semua pH. Hal ini ditunjukkan pada nilai indeks rejeksi yang menurun daripada indeks rejeksi dengan satu kali penggunaan dan kondisi satu pH setiap membrannya (Lampiran 6). Menurunnya nilai indeks rejeksi disebabkan ukuran pori-pori membran sudah bertambah akibat penyimpanan dengan waktu yang lama dan larutan dengan beberapa kondisi pH dapat melarutkan ion Pb2+ pada permukaan membran serta mudahnya dalam melewati
pori-pori membran (Madaeni et al.2011).
Analisis morfologi membran
Membran selulosa asetat dan terkomposit magnetit menunjukkan perbedaan warna (Lampiran 7). Dispersi magnetit menyebabkan warna berbeda pada membran terkomposit dari membran selulosa asetat. Membran dicirikan dengan penampakan hasil analisis SEM menunjukkan membran selulosa asetat dan membran terkomposit magnetit mempunyai pori-pori yang asimetris (Gambar 8). Analisis SEM tersebut bertujuan mendapatkan gambar permukaan membran. Dispersi magnetit dalam membran selulosa asetat selulosa asetat menyebabkan perubahan struktur membran dan meningkatkan porositas membran. Ukuran pori pada membran terkomposit mendukung hal tersebut. Pori-pori yang terbentuk asimetris pada membran terkomposit memiliki ukuran pori-pori dari 350-800 nm (Gambar 8), dibandingkan dengan membran selulosa-zeolit yang berukuran pori 1.13-1.92 μm (Lampiran 8). Membran komposit memiliki ketebalan 17-18.30 μm yang sangat tipis, sehingga aplikasi membran dalam filtrasi membutuhkan lebih dari satu membran. Pembesaran 5000 kali penampang lintang membran menunjukkan pori-pori membran terdapat beberapa partikel berukuran 2-8 μm. Setiap komposit yang ditambahkan pada membran selulosa asetat akan menyebabkan pada fluks membran akibat perubahan konsentrasi pada permukaan membran dan porositasnya (Gholami et al. 2014).
Membran selulosa asetat-magnetit dianalisis lebih lanjut menggunakan
energy disperse x-ray (EDX) untuk mendapatkan spektra dari magnetit (Fe3O4)
dan logam timbal (Pb) pada sampel. Gambar 9 menunjukkan spektra EDX dari membran selulosa asetat-magnetit. Gambar tersebut menunjukkan persentase dan posisi puncak dari karbon, oksigen, dan besi pada membran terkomposit. Puncak
10
dari Pb2+ tidak tampak disebabkan komposisi dan ukuran yang cenderung sangat
kecil, sehingga butuh energi elektron yang lebih besar. Selain itu, morfologi dari masing-masing titik yang ditembak energi elektron terdapat dalam Gambar 9. Puncak-puncak digambarkan adanya karbon pada energi <0.5 keV, oksigen pada energi ≤ 0.5 keV, dan besi pada energi antara 0.5-7.5 keV. Komposisi pada masing-masing titik untuk setiap atom berbeda. Titik kesatu (Gambar 9.a) menunjukkan komposisi karbon dan oksigen memiliki komposisi terbesar dibandingkan Titik kedua dan Titik ketiga. Komposisi yang mengalami ketidakstabilan adalah oksigen dan besi karena pada titik selanjutnya mengalami penurunan dan peningkatan. Komposisi besi pada membran dapat disebabkan komposit magnetit yang digunakan terikat dan terdispersi. Ketidakstabilan komposisi menunjukkan magnetit dapat menggantikan gugus asetat pada selulosa asetat, sehingga berkurangnya komposisi oksigen pada beberapa titik lainnya (Abdelwahab et al. 2015).
Magnetit yang terdispersi pada permukaan membran menunjukkan komposisi yang tidak stabil pada titik permukaan membran karena mengalami komposisi tinggi di satu titik (Gambar 9.b) dan komposisi rendah di titik lainnya. Hasil analisis EDX penelitian ini tidak berbeda dengan penelitian Abdelwahab et al. 2015 terhadap membran selulosa asetat untuk penghilangan ion Pb2+ telah
melaporkan energi elektron yang telah digunakan dalam menentukan komposisi karbon dan oksigen. Energi elektron untuk menenentukan Pb2+ dilaporkan juga
pada 1.7 dan 3.4 keV. Irradiasi dihasilkan dari elektron orbital M pada kisaran energi 1.7-3.4 keV untuk Pb2+, sedangkan energi 10.2-12 keV untuk orbital L.
11
Energi (keV) (a)
Energi (keV) (b)
Energi (keV) (c)
12
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Pembuatan membran komposit selulosa asetat-magnetit telah berhasil dilakukan dan memengaruhi kinerja membran. Magnetit yang ditambahkan meningkatkan konsentrasi pada permukaan membran, sehingga porositas dan nilai fluks air menurun. Pori-pori yang terbentuk pada membran komposit selulosa asetat-magnetit berukuran asimetris antara 600-800 nm. Nilai indeks rejeksi pengaruh pH larutan terbesar pada pH 6 dengan nilai 81.26%. Dispersi magnetit menunjukkan perubahan fisik berupa warna yang menjadi gelap. Adanya dispersi magnetit berdasarkan analisis komposisi besi dan oksigen pada membran di ketiga titik berbeda.
Saran
Penelitian variasi waktu adsoprsi perlu dilakukan lebih lanjut untuk mengetahui kinerja adsorpsi magnetit dalam memisahkan Pb2+. Penambahan senyawa atau zat anti aglomerasi pada sintesis magnetit untuk memaksimalkan dispersi magnetit pada permukaan membran.
DAFTAR PUSTAKA
[SNI] Standar Nasional Indonesia. 2006. SNI 01-3553-2006. Air Minum Dalam Kemasan. Jakarta (ID): Badan Standardisasi Nasional.
Abdelwahab NA, Ammar NS, Ibrahim HS. 2015. Graft copolymerization of cellulose acetate for removal and recovery of lead ions from wastewater.
International Journal of Biological Macromolecules. 79: 913-922.
Abedini R, Mousavi SM, Aminzadeh R. 2011. A novel cellulose acetate membrane using TiO2 nanoparticles: preparation characterization and
permeation studies. Desalination. 277: 40-45.
Baker RW. 2004. Membrane Technology and Applications. Edisi ke-2. California
(US): John Wiley & Sons Ltd.
Cailing L, Yanlei S, Yanqiang W, Xiaole M, Qiang S, Zhongyi J. 2007. Enhanced permeation performance of cellulose acetate ultrafiltration membrane by incorporation of Pluronic F127. Journal of Membrane Science. 294: 68–74.
Cheng W, Tang K, Qi Y, Sheng J, Liu S. 2010. One-step synthesis of superparamagnetic monodisperse porous Fe3O4 hollow and core-shell
spheres. Journal of Materials Chemistry. 20: 1799-1805. doi:
10.1039/B919164J.
Cheryan M. 1998. Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. Edisi ke-2.
13 Ensafi AA, Shiraz AZ. 2008. On-line separation and preconcentration of lead (II) by solid phase extraction using activated carbon loaded with xylanol orange and its determination by flame atomic absorption spectrofotometry. Journal Hazard Mater. 150: 554−559.
Francis AJ, Dodje CJ. 1993. Influence of complex structure on the biodegradation of iron-citrate complex. Applied Environmental Microbiology.
59(1):109-113.
Gholami A, Moghadassi AR, Hosseini SM, Shabani S, Gholami F. 2014. Preparation and characterization of polyvinyl chloride based nanocomposite nanofiltration-membrane modified by iron oxide nanoparticles for lead removal from water. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 20:
1517-1522.
Harvey D. 2000. Modern Analytical Chemistry. United States of America (US):
McGraw-Hill.
Hermanek M, Zboril R, Medrik I, Gregor C. 2007. Catalytic efficiency of iron(III) oxides in decomposition of hydrogen peroxide: Competition between the surface area and crystallinity of nanoparticles. Journal of American Chemistry Society. 129:10929-10936.
Hosseini SM, Gholami A, Maedani SS, Moghadassi, Hamidi AR. 2012. Fabrication of (polyvinyl chloride/cellulose acetate) electrodialysis heterogeneous cation exchange membrane: characterization and performance in desalination process. Desalination. 306: 51-59.
Ika, Tahril, Said I. 2012. Analisis logam timbal (pb) dan besi (fe) dalam air laut di wilayah pesisir pelabuhan ferry taipa kecamatan Palu Utara. Jurnal Akad Kimia. 1(4): 181-186.
Iqbal M. 2015. Aplikasi membran komposit selulosa asetat-zeolit alam untuk pemisahan logam timbal (Pb2+) [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian
Bogor.
Kajrewska B, Olech A. 1995. Pore structure of gel chitosan membranes solute diffusion measurements. Journal Polymer Gels. 4(3):33-34.
Kumari M, Pittman CU, Jr, Mohan D. 2014. Heavy metals [chromium (VI) and lead (II)] removal from water using mesoporous magnetic (Fe3O4)
nanospheres. Journal of Colloid and Interface Science. Doi:
10.1016/j.jcis.2014.09.012.
Liu JF, Zhao ZS, Jiang GB. 2008. Coating Fe3O4 magnetic nanoparticles with humic acid for high efficient removal of heavy metals in water.
Environmental Science Technology. 42 (18): 6949-6954. Doi:
10.1021/es800924c.
Lv Y, Wang H, Wang X, Bai J. 2009. Synthesis, characterization and growing mechanism of monodisperse Fe3O4 microspheres. Journal Crystal Growth.
311(13):3445-3450.
Madaeni SS, Heidary F. 2011. Improving separation capability of regenerated cellulose ultrafiltration membrane by surface modification. Applied Surface Science. 257(1): 4870-4876.
Marcus Y. 1991. Thermodynamics of solvation of ions. Journal of Chemistry Society. 87(18):2995-2999.
14
Mulijani S, Budianto E, Hikam M. 2010. Formation and characterization of asymetric nano filtration membrane effect of temperature and surfactant as a template. Asian Journal for Science and Technology Development. 1(27):
21-29.
Roonasii P. 2007.Adsorption and surface reaction properties of synthesized Magnetike nanoparticles [tesis]. Luleå (SE): Luleå University of Technology. Saprudin D, Noviandri I, Buchari, Abdullah M. 2013. Nanomagnetik sebagai
pemodifikasi elektroda pasta karbon untuk analisis iodida. Prosiding Seminar Nasional Kimia. ISBN : 978-602-19421-0-9. Kalimantan Timur (ID): Universitas Mulawarman.
Supriharyono MS. 2000. Pelestarian dan Pengelolaan Sumber Daya Alam di Wilayah Pesisir Tropis. Jakarta: PT Gramedia.
Wagner J. 2001. Membrane Practical Handbooks Practical Tips dan Hints. Edisi
ke-2. Minnetonka (US): Osmonics Inc.
Yanagishita H, Kitamoto D, Haraya K, Nakane T, Tsuchiya T, Koura N. 1997. Preparation and pervaporation performance of polyimide composite membrane by vapor deposition and polymerization (VDP). Journal of Membrane Science. 136: 121–126.
Yang Z, Dai P, You Y. 2012. Iodide-induced adsorption of lead(II) ion on a glassy carbon electrode modified with ferroferric oxide nanoparticles. Microchim Acta. Doi: 10.1007/s00604-012-0793-6.
15
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Lampiran 2 Rangkaian alat pengukur fluks sistem cross flow Magnetit
Membran
Sintesis Hidrotermal
Pembuatan Membran Komposit Selulosa Asetat-Magnetit-PEG
Uji Kinerja Membran Fluks dan Indeks Rejeksi
16
Keterangan: A = penampung cairan umpan B = pompa
C = pengatur tekanan D = kompartemen pemisah
E = penampung permeat
Lampiran 3 Reaksi stokiometri pembentukan magnetit
I. Perbandingan nisbah Fe3+ dan Fe2+ pada magnetit adalah 2:1
Reaksi reduksi Fe3+ menjadi Fe2+ oleh sitrat tidak boleh tereduksi
Jika A = 2 mmol, maka X = 0.66 mmol, dibutuhkan 0.33 mmol sitrat untuk mereduksi sepertiga molekul FeCl3 menjadi FeCl2
II. Reaksi reduksi Fe3+ menjadi Fe2+ oleh sitrat
17 Lampiran 4 Data pengukuran fluks air pada membran
I. Membran selulosa asetat menit
Contoh perhitungan: (menit ke-6 membran selulosa asetat-magnetit) Fluks = {V/(A x t)}
Fluks
= {0.014L/(0.003211 m
2x 0.0292 jam)}
18
Lampiran 5 Reaksi magnetit dalam larutan asam
Larutan asam Larutan basa
Lampiran 6 Nilai indeks rejeksi pada satu membran
Sampel
Contoh perhitungan: (Membran tipe MK pH 6 ulangan 1) Indeks Rejeksi (%) = [1-(Cp/Cf)] x 100%
Keterangan: Cp = Konsentrasi Permeat
Cf = Konsentrasi Umpan
Indeks Rejeksi (%) = [1-(12.841/1.8811] x 100%
= 23.93%
Lampiran 7 Perbedaan warna membran selulosa asetat (B) dan terkomposit magnetit (A)
19 Lampiran 8 Morfologi permukaan membran selulosa asetat-zeolit pembesaran
20
