Sintesis Material Silika Mcm-41 Serta Aplikasinya Sebagai Penjerap Logam Pb(II)

SINTESIS MATERIAL SILIKA MCM-41 SERTA

APLIKASINYA SEBAGAI PENJERAP LOGAM Pb(II)

ERWA SYAHBANI

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 Sintesis Material Silika MCM-41 serta Aplikasinya sebagai Penjerap Logam Pb(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.

ABSTRAK

ERWA SYAHBANI. Sintesis Material Silika MCM-41 serta Aplikasinya sebagai Penjerap Logam Pb(II)

.

Dibimbing oleh NOVIYAN DARMAWAN dan IRMA HERAWATI SUPARTO.

Timbal (Pb) merupakan salah satu logam berat yang berbahaya bagi lingkungan. Metode yang paling sering digunakan untuk mengurangi polutan Pb adalah penjerapan menggunakan adsorben. Tujuan penelitian ini adalah menyintesis adsorben berbasis material silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 serta menguji aplikasinya sebagai penjerap Pb(II). Sintesis MCM-41 dilakukan dengan metode Stöber dan difungsionalisasi dengan gugus amina menggunakan metode ko-kondensasi. Hasil analisis difraktogram sinar-X mengindikasikan material MCM-41 telah berhasil disintesis. Hasil mikroskop elektron pemayaran menunjukkan distribusi ukuran partikel yang masih cukup lebar dengan rentang skala mikrometer. Spektrum inframerah menunjukkan bahwa proses modifikasi dengan gugus amina pada dinding silika MCM-41 belum berhasil dilakukan. Kondisi terbaik untuk menjerap ion logam Pb(II) adalah dengan menggunakan bobot penjerap 0.05 g dan waktu kontak selama 120 menit. Pola penjerapan Pb(II) menggunakan MCM-41 mengikuti model isoterm Langmuir.

Kata kunci: adsorpsi, MCM-41, NH2-MCM-41, Pb(II)

ABSTRACT

ERWA SYAHBANI. Synthesis of MCM-41 Silica Material and Its Application as Pb(II) Adsorbent

.

Supervised by NOVIYAN DARMAWAN and IRMA HERAWATI SUPARTO.

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains

pada

Departemen Kimia

SINTESIS MATERIAL SILIKA MCM-41 SERTA

APLIKASINYA SEBAGAI PENJERAP LOGAM Pb(II)

ERWA SYAHBANI

DEPARTEMEN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah yang berjudul Sintesis Material Silika MCM-41 serta Aplikasinya sebagai Penjerap Logam Pb(II) berhasil diselesaikan. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilakukan penulis di Laboratorium Kimia Anorganik Institut Pertanian Bogor yang dilaksanakan sejak bulan April 2015 sampai Oktober 2015.

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Dr rer nat Noviyan Darmawan, MSc dan Ibu Dr dr Irma Herawati Suparto, MS selaku pembimbing yang telah banyak memberikan saran dan masukannya selama proses penelitian. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, kedua kakak (Erna dan Uut) serta seluruh keluarga yang senantiasa memberikan doa dan kasih sayangnya. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Beasiswa Bidik Misi, Laboratorium Terpadu IPB, para staf Laboratorium Kimia Anorganik (Bapak Sawal, Bapak Mulyadi, Bapak Sunarsa, dan Kakak Rohmat), Aldi, Mastika, Ines, Laili, Hasan, dan teman-teman kimia 48 yang telah memberikan dukungan dan masukannya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.

Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Januari 2016 Erwa Syahbani

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

PENDAHULUAN 1

BAHAN DAN METODE 2

Alat dan Bahan 2

Waktu dan Tempat 2

Prosedur 2

HASIL DAN PEMBAHASAN 4

Hasil Sintesis Silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 4

Analisis XRD silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 5

Analisis Morfologi silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 6 Analisis Gugus Fungsi silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 7

Hasil Uji Adsorpsi Logam Pb(II) 8

SIMPULAN DAN SARAN 11

Simpulan 11

Saran 11

DAFTAR PUSTAKA 11

DAFTAR GAMBAR

1 Difraktogram MCM-41 dan NH2-MCM-41 5

2 SEM silika pada perbesaran 1000× 6

3 Skema pori dari silika 6

4 Spektrum FTIR MCM-41 dan NH2-MCM-41 7

5 Pengaruh bobot adsorben terhadap adsorpsi Pb(II) oleh material

silika A dan B 8

6 Pengaruh waktu kontak terhadap adsorpsi Pb(II) oleh material

silika A dan B 9

DAFTAR LAMPIRAN

1 Diagram alir penelitian 13

2 Hasil sintesis MCM-41 dan NH2-MCM-41 14

3 Bobot hasil sintesis silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 14

4 Preparasi larutan stok Pb(II) 100 ppm 14

5 Tabel absorbans larutan standar Pb(II) 15

6 Pengaruh bobot adsorben terhadap penjerapan Pb(II) oleh material

silika A dan B 16

7 Pengaruh waktu kontak terhadap penjerapan Pb(II) oleh material

silika A dan B 17

8 Data analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Pb(II)

dengan MCM-41 (Material A) 18

1

PENDAHULUAN

Pencemaran logam berat dari industri telah menjadi masalah lingkungan yang serius di seluruh dunia dalam beberapa tahun terakhir. Logam berat adalah salah satu polutan yang merupakan ancaman potensial untuk kualitas air, tanah, tanaman, hewan dan kesehatan manusia. Logam berat seperti kadmium, timah, nikel, timbal, merkuri, dan kromium biasanya terdeteksi pada limbah industri (Subariyah 2011). Logam Pb merupakan salah satu logam berat yang dapat terakumulasi pada organ dalam manusia, bersifat toksik, serta dapat menyebabkan berbagai penyakit serius. Kadar maksimum Pb dalam perairan yang diizinkan World Health Organization (WHO) kurang dari 0.01 ppm (Enshafi dan Shiraz 2008), sedangkan menurut SNI 01-3553-2006, kadar maksimum Pb yang diperbolehkan dalam air minum kemasan adalah 5 ppb. Oleh karena itu, usaha untuk mengurangi polusi logam berat yang ada di lingkungan merupakan hal yang penting dilakukan saat ini.

Berbagai metode telah dikembangkan untuk mengurangi keberadaan polutan logam berat, seperti pertukaran ion, pengendapan, adsorpsi, osmosis balik, dan sedimentasi. Teknik adsorpsi merupakan salah satu teknik yang sering digunakan karena merupakan teknik yang sederhana dan efektif dalam mengurangi polutan logam berat (Wang et al. 2008). Material berbasis mesopori merupakan salah satu adsorben yang sering digunakan. Bahan silika merupakan salah satu material yang sering digunakan sebagai building block dari material mesopori karena harganya yang murah, memiliki stabilitas termal yang tinggi, inert, tidak berbahaya, dan ketersediaannya yang tinggi (Nandiyanto et al. 2009). Silika mesopori telah menerima banyak perhatian karena memiliki luas permukaan yang besar dan volume pori yang besar. Selain itu, proses fabrikasi dari silika mesopori sederhana, terukur, hemat biaya, dan terkendali (Tang et al. 2012). Permukaan dinding silika mesopori dapat dimodifikasi dengan kelompok organik untuk menyesuaikan sifat dan mencapai tujuan tertentu. Secara umum, fungsionalisasi bahan ini dapat dilakukan dengan 2 metode, yaitu cangkok dan ko-kondensasi. Penelitian yang dilakukan Heidari et al. (2009) menunjukkan salah satu aplikasi dari silika mesopori yang terfungsionalisasi gugus amina dapat digunakan sebagai penjerap berbagai logam berat. Fungsionalisasi dinding permukaan silika dengan gugus amina dipilih karena kemampuannya untuk berinteraksi dengan ion logam berat melalui reaksi kompleks (Walcarius dan Mercerier 2010).

2

BAHAN DAN METODE

Alat dan Bahan

Bahan-bahan yang digunakan adalah tetraetilortosilikat (TEOS) dan (3-aminopropil)-trietoksisilan (APTES) dari Tokyo Chemical Company, setiltrimetilamonium bromida (CTAB) dan NaOH dari Merck, air milipore, metanol, HCl (37,4%), dan Pb(NO3)2 dari JT Baker.

Alat-alat yang digunakan adalah peralatan kaca, neraca analitik, pengaduk magnet, hot plate, sentrifusa, indikator universal, seperangkat alat refluks, alat pengocok, spektrofometer serapan atom (AAS) Shimadzu AA-6800, X-Ray Difraktometer (XRD) Bruker d4, spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR) Shimadzu IR Prestige, dan mikroskop elektron pemayaran (SEM) Carl-Zeiss Bruker EVO MA10.

Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan April sampai Oktober 2015 di Laboratorium Kimia Anorganik Departemen Kimia IPB. Tempat analisis instrumen FTIR di Laboratorium Terpadu IPB, XRD di PT Indocement, SEM di Pusat Labolatorium Forensik (Puslabfor) Mabes Polri, dan AAS di QLab Fakultas Farmasi Universitas Pancasila.

Prosedur

Penelitian ini terdiri atas 3 tahap (Lampiran 1). Pertama-tama, sintesis silika MCM-41 dan NH2-MCM-41. Selanjutnya hasil sintesis dilakukan pencirian dengan berbagai alat dan diuji aplikasinya sebagai penjerap logam berat Pb(II).

Preparasi Silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 (modifikasi Lai et al. 2003)

Sebanyak 1 g surfaktan CTAB dilarutkan dalam 480 mL air milipore. Kemudian sebanyak 3.50 mL NaOH 2 M ditambahkan ke dalam larutan surfaktan CTAB yang sudah homogen. NaOH ditambahkan dengan pemanasan larutan hingga mencapai suhu 80 °C. Tahap selanjutnya adalah penambahan TEOS ke dalam larutan surfaktan secara perlahan sebanyak 5 mL. Pada sintesis NH2 -MCM-41, setelah penambahan TEOS dilakukan penambahan sebanyak 1.2 mL APTES ke dalam larutan. Setelah itu, larutan tersebut diaduk menggunakan pengaduk magnet selama 2 jam hingga menghasilkan presipitat berwarna putih. Padatan yang dihasilkan kemudian disaring dan dicuci menggunakan air milipore dan metanol. Setelah proses tersebut selesai padatan kemudian dikeringkan di udara.

3

Analisis XRD

Silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 yang telah disintesis kemudian dianalisis keadaan fasenya menggunakan XRD dengan sumber radiasi CuKα(λ = 0.154056 nm) dan rentang sudut scan 2θ sebesar 10o-60o serta kecepatan pemayaran 0.02°/detik. Sampel serbuk dipersiapkan dengan memasukkannya ke dalam cekungan dari penahan (holder) sampel.

Analisis Morfologi

Morfologi silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 dianalisis menggunakan SEM. Preparasi sampel dilakukan sebelum pengukuran, yaitu dengan mendispersikan sebanyak 1 mg sampel dalam 1 mL etanol. Kemudian sampel diletakkan pada penahan (holder) sampel yang terbuat dari plat aluminuim dalam kondisi vakum. Pengamatan menggunakan SEM dilakukan dengan perbesaran 1000×.

Analisis FTIR

Analisis gugus fungsi yang dimiliki silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 dianalisis menggunakan spektrofotometer FTIR. Preparasi sampel dilakukan sebelum tahap pengukuran, yaitu sebanyak 0.002 g silika ditumbuk di dalam 0.1 g KBr sampai sampel berbentuk pelet, kemudian sampel tersebut disimpan di dalam oven selama 10 jam, setelah itu dilakukan pengukuran sampel menggunakan FTIR.

Preparasi Deret Standar Pb(II)

Larutan stok 100 ppm dibuat dengan cara menimbang sebanyak 0.08 g Pb(NO3)2 dan dilarutkan ke dalam labu ukur 500 mL. Kemudian sampel ditera dengan akuades, lalu dikocok. Selanjutnya dari larutan stok tersebut dibuat deret standar dengan konsentrasi 0.5, 1, 2, 4, 10, 20, 30, dan 40 ppm. Deret standar kemudian diukur menggunakan AAS.

Pengujian Efek Bobot Adsorben

Sampel silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 dengan bobot 0.01, 0.025, 0.05 g masing-masing ditambah sebanyak 10 mL larutan Pb(II) dengan konsentrasi 50 ppm. Kemudian pH larutan diatur hingga 5 dengan menambahkan 0.1 M NaOH atau 0.1 M HCl. Selanjutnya campuran dikocok menggunakan alat pengocok selama 120 menit. Sampel kemudian dipisahkan dengan sentrifusa selama 25 menit dan adsorben dipisahkan menggunakan kertas saring. Filtrat kemudian diambil dan diukur konsentrasi logam yang tersisa menggunakan AAS.

Pengujian Efek Waktu Kontak

4

Penetapan Isoterm Adsorpsi

Sampel silika MCM-41 dengan bobot optimum kemudian ditambah sebanyak 10 mL larutan Pb(II) dengan konsentrasi 10, 30, 50, dan 70 ppm. Kemudian pH larutan diatur hingga 5 dengan menambahkan 0.1 M NaOH atau 0.1 HCl 0.1 M. Selanjutnya campuran dikocok menggunakan alat pengocok selama 120 menit. Sampel kemudian dipisahkan dengan sentrifusa selama 25 menit dan adsorben dipisahkan menggunakan kertas saring. Filtrat kemudian diambil dan diukur konsentrasi logam yang tersisa menggunakan AAS.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Sintesis Silika MCM-41 dan NH2-MCM-41

Silika MCM-41 disintesis dengan metode sol-gel pada suhu rendah. Metode ini paling banyak dilakukan karena memiliki beberapa keunggulan, seperti suhu rendah, proses yang mudah, dan menghasilkan produk dengan kemurnian dan kehomogenan yang tinggi (Zawrah et al. 2009). Sintesis material MCM-41 pada penelitian ini menggunakan modifikasi metode Stöber yang memiliki dua tahapan utama, yaitu hidrolisis sumber silika dan diikuti dengan proses kondensasi. Umumnya, reaksi yang terjadi mengikuti persamaan di bawah ini (Beganskiene et al. 2004)

Si(OR)4 + 2H2O  SiO2 + 4ROH … (1) Si(OR)4 + xH2O + NH3 (OH)xSi(OR)4-x + xROH + NH4+ … (2) Si(OR)4 + (OH)Si(OR)3  (OR)3Si-O-Si(OR)3 + ROH … (3) (OR)3Si(OH) + (OH)Si(OR)3  (OR)3Si-O-Si(OR)3 + H2O … (4)

Proses hidrolisis akan menggantikan ligan alkoksi (-OR) dengan gugus hidroksil (-OH). Selama hidrolisis berlangsung, gugus etoksi (-OC2H5) dari TEOS akan beraksi dengan molekul air, sehingga membentuk intermediet [Si(OC2H5)4-x (OH)x]. Pada tahapan kondensasi, gugus hidroksil dari produk intermediet

[(OH)xSi(OR)4-x] akan bereaksi dengan gugus etoksi dari TEOS yang lain (kondensasi alkohol) atau dengan gugus hidroksi dari produk intermediet lainnya (kondensasi air) untuk membentuk jembatan Si-O-Si.

5

cara eksraksi menggunakan campuran HCl dan metanol. Tahapan selanjutnya adalah tahap penetralan untuk menghilangkan sifat asam pada silika MCM-41. Endapan putih yang dihasilkan kemudian dikeringkan di udara. Setelah tahap tersebut selesai, didapatkan hasil yang berwarna putih (Lampiran 2).

Fungsionalisasi dinding permukaan silika oleh gugus amina dilakukan untuk meningkatkan daya adsorpsi dari silika MCM-41 dengan cara menambahkan APTES sebagai sumber gugus amina. Metode yang digunakan untuk fungsionalisasi dinding permukaan silika adalah ko-kondensasi. Metode ini dipilih karena memiliki beberapa kelebihan seperti gugus organik akan lebih terdistribusi secara homogen serta proses yang lebih singkat karena pembentukan struktur dan fungsionalisasi terjadi dalam satu tahap (one-pot synthesis) (Gu dan Jarienec 2011).

Analisis XRD silika MCM-41 dan NH2-MCM-41

Pencirian fase struktur dari silika yang dihasilkan dilakukan menggunakan instrumen XRD. Gambar 1 menunjukkan pola difraksi silika MCM-41 dan NH2 -MCM-41.

Gambar 1 Difraktogram MCM-41 dan NH2-MCM-41

6

Analisis Morfologi silika MCM-41 dan NH2-MCM-41

Morfologi dari silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 dianalisis menggunakan SEM. Pada Gambar 2a terlihat hasil SEM dari silika MCM-41. Partikel yang dihasilkan mengalami aglomerasi dengan distribusi ukuran partikel yang berbeda-beda dan memiliki bentuk yang kurang seragam. Aglomerasi yang terjadi mungkin disebabkan oleh proses pengadukan yang kurang merata dan kontrol suhu yang kurang baik pada saat sintesis. Terlihat pula pada foto hasil SEM masih terdapat partikel yang diduga adalah pengotor. Hal tersebut mungkin disebabkan proses purifikasi yang kurang baik.

Pada Gambar 2b terlihat hasil SEM dari silika NH2-MCM-41 memiliki distribusi partikel yang lebih menyebar jika dibandingkan dengan silika MCM-41. Hasil analisis SEM juga memperlihatkan bahwa kedua hasil sintesis masih memiliki ukuran partikel pada rentang skala mikrometer.

Material silika MCM-41 merupakan material padat yang memiliki pori atau rongga yang susunan porinya berbentuk heksagonal (Gambar 3a). Setelah dilakukan fungsionalisasi oleh gugus amina, gugus amina tersebut akan menempel pada permukaan dinding silika yang dihasilkan (Gambar 3b). Akan tetapi, modifikasi permukaan silika oleh gugus amina tidak merubah bentuk pori heksagonal yang ada pada MCM-41 (Hoffman et al. 2006). Pada analisis SEM, pori yang dihasilkan tidak dapat terlihat dengan baik. Oleh karena itu, perlu adanya karakterisasi lebih lanjut untuk mengetahui bentuk dari pori yang dihasilkan.

Gambar 3 Skema pori dari silika (a) MCM-41 dan (b) NH2-MCM-41 (Hoffman et al. 2006)

Gambar 2 SEM silika (a) MCM-41 dan (b) NH2-MCM-41 pada perbesaran 1000×

a b

7

Analisis Gugus Fungsi silika MCM-41 dan NH2-MCM-41

Metode spektrofotometri inframerah digunakan untuk mengetahui gugus fungsional struktur kimia yang dimiliki suatu senyawa. Analisis dengan spektroskopi inframerah didasarkan pada vibrasi internal gugus-gugus atau atom penyusun yang memiliki frekuensi spesifik sehingga diharapkan dapat memberikan informasi yang spesifik. Spektroskopi inframerah sangat berguna untuk analisis kualitatif (identifikasi) dari senyawa organik karena gugus fungsional hanya menyerap sinar inframerah pada frekuensi yang unik (Silverstein 2002).

Gambar 4 Spektrum FTIR MCM-41 dan NH2-MCM-41

Pada Gambar 4 menunjukkan spektrum inframerah dari silika MCM-41 dan NH2-MCM-41. Pada silika MCM-41 ada serapan luas pada bilangan gelombang sekitar 3655 cm-1 dan 3055 cm-1 yang berhubungan dengan vibrasi regang gugus Si-OH yang diduga masih mengikat sedikit molekul air. Serapan lain yang muncul, yaitu vibrasi Si-O-Si yang dapat dilihat pada 1030 cm-1 _{(regang asimetri), 802 cm} -1 _{(regang simetri), dan 425 cm}-1 _{(vibrasi tekuk). Hal tersebut membuktikan gugus} yang banyak terdapat pada permukaan silika MCM-41 yang dihasilkan adalah Si-OH (Liu et al. 2013). Munculnya serapan kuat pada silika MCM-41 di 1610 cm-1 diduga disebabkan oleh vibrasi tekuk air yang terserap pada sampel (Liu et al. 2010). Selain itu, terdapat pula serapan pada 2947 cm-1 yang menunjukkan vibrasi regang C-H yang mungkin disebabkan oleh adanya surfaktan CTAB yang masih terdapat pada silika MCM-41 akibat proses penghilangan surfaktan yang kurang sempurna.

8

reaksi yang sulit dikontrol secara konstan. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa silika MCM-41 berhasil terbentuk sedangkan material silika NH2-MCM-41 yang diinginkan masih belum terbentuk.

Hasil Uji Adsorpsi Logam Pb(II)

Terlihat dari hasil karakterisasi sebelumnya, hanya silika MCM-41 yang berhasil disintesis. Hasil modifikasi permukaan dinding silika oleh gugus amina masih belum berhasil dilakukan. Akan tetapi, hasil kedua sintesis tersebut tetap diuji aplikasinya sebagai adsorben logam berat. Silika MCM-41 disebut sebagai

“material A” dan silika NH2-MCM-41 disebut sebagai “material B”.

Pada penelitian ini, logam berat yang akan digunakan sebagai adsorbat adalah timbal (Pb). Pencapaian kesetimbangan dalam proses adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa faktor termasuk sifat adsorben dan adsorbat, serta interaksi antara keduanya (Subariyah 2011). Penentuan kondisi terbaik perlu dilakukan pada penelitian karena setiap adsorben memiliki sifat yang berbeda pada proses adsorpsi, sehingga kondisi yang dibutuhkan juga berbeda. Penelitian ini menggunakan larutan stok Pb(II) dengan konsentrasi 100 ppm yang dibuat dari larutan Pb(NO3)2 (Lampiran 4). Kurva larutan standar Pb(II) menghasilkan persamaan garis y = 0.0197x + 0.0042 dengan nilai R2= 0.9949 (Lampiran 5). Penentuan kondisi terbaik adsorpsi dari material silika A dan B dilakukan dengan mengukur dua parameter, yaitu bobot adsorben yang digunakan dan waktu kontak adsorpsi.

Pengujian Efek Bobot Adsorben

Pengaruh bobot adsorben untuk adsorpsi logam Pb(II) dilakukan menggunakan bobot adsorben 0.01, 0.025, dan 0.05 g. Pada Gambar 5 terlihat jumlah ion logam Pb(II) yang terjerap meningkat dengan meningkatnya bobot adsorben yang digunakan. Hal tersebut disebabkan semakin banyak jumlah adsorben yang digunakan akan meningkatkan jumlah tapak aktif yang tersedia untuk mengadsorpsi logam Pb(II) (Heidari et al. 2009).

9

Pada Gambar 5 terlihat bahwa nilai dari jumlah Pb yang dapat terjerap pada material silika B memiliki nilai yang lebih rendah dibanding dengan material A. Hal tersebut dapat disebabkan oleh proses fungsionalisasi oleh gugus amina yang belum berhasil sehingga mengakibatkan adsorpsi logam Pb oleh material B kurang maksimal. Sutardi et al. (2014) menjelaskan bahwa MCM-41 dan NH2-MCM-41 dapat menjerap logam berat karena adanya gugus aktif silanol dan –NH2 yang dapat berikatan Pb(II) membentuk kompleks.

Berdasarkan data yang diperoleh (Lampiran 6), dapat dilihat bahwa nilai kapasitas adsorpsi (Q) tidak selalu berbanding lurus dengan nilai dari persen adsorpsi (%E). Saat kondisi waktu adsorpsi dan konsentrasi adsorbat sama, kenaikan bobot adsorben akan menyebabkan penurunan dari nilai kapasitas adsorpsi tetapi meningkatkan nilai persen adsorpsi. Hal tersebut disebabkan kapasitas adsorpsi menunjukkan banyaknya adsorbat yang diadsorpsi per bobot adsorben sehingga nilainya dipengaruhi oleh bobot adsorben yang digunakan. Sedangkan persen adsorpsi menyatakan banyaknya konsentasi ion logam yang teradsorpsi oleh adsorben sehingga nilainya hanya dipengaruhi oleh perubahan konsentrasi ion logam sebelum dan setelah diadsorpsi. Semakin banyak jumlah adsorben yang digunakan, maka akan semakin banyak ion logam yang dapat diadsorpsi. Hasil penelitian menunjukkan bobot adsorben yang terbaik, yaitu 0.05 g untuk material silika A dan B.

Pengujian Efek Waktu Kontak

Pengamatan terhadap pengaruh waktu kontak bertujuan untuk mengetahui waktu terbaik yang dibutuhkan adsorben untuk menjerap Pb(II). Pengaruh waktu kontak terhadap adsorpsi Pb(II) dengan kedua adsorben silika A dan B dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6 Pengaruh waktu kontak terhadap adsorpsi Pb(II) oleh material silika A dan B

Terlihat pada material silika A, semakin lama waktu kontak adsorben akan memberikan nilai koefisien adsorpsi (Qe) yang semakin meningkat. Hasil ini menunjukkan bahwa pada waktu pengocokan 120 menit, kontak antara MCM-41 sebagai adsorben dan larutan Pb(II) sebagai adsorbat telah mengalami kesetimbangan. Hal tersebut didukung oleh nilai koefiesien adsorpsi dari sampel yang cenderung konstan. Berdasarkan data yang diperoleh, nilai koefisien adsorpsi material silika B fluktuatif seiring dengan lamanya waktu kontak. Nilai koefisien

10

yang fluktuatif tersebut dimungkinkan karena kondisi adsorpsi yang kurang stabil. Selain itu, pengaruh dari intensitas cahaya dan suhu pada saat proses adsorpsi sangat berpengaruh terhadap penjerapan Pb(II) oleh kedua hasil sintesis. Akan tetapi, nilai koefisien adsorpsi terbesar untuk material silika B didapatkan pada saat waktu kontak selama 120 menit (Lampiran 7). Oleh karena itu, waktu kontak terbaik pada adsorpsi Pb(II) oleh material silika A dan B adalah 120 menit.

Isoterm Adsorpsi

Isoterm adsorpsi menunjukkan hubungan kesetimbangan antara konsentrasi zat terlarut yang teradsorpsi pada padatan dengan konsentrasi adsorbat suatu larutan. Terdapat beberapa tipe isoterm yang dikembangkan untuk mengetahui interaksi antara adsorben dan adsorbat. Tipe isoterm yang biasa digunakan untuk menggambarkan fenomena adsorpsi padat-cair adalah tipe isoterm Langmuir dan Freundlich (Agustiningtyas 2012). Pola adsorpsi ditentukan dengan cara membandingkan linearitas kurva yang ditunjukkan oleh harga R. Jika model suatu isoterm yang memiliki linearitas mendekati 1, maka isoterm adsorpsinya mengikuti model tersebut. Pada penelitian ini, penentuan isoterm adsorpsi hanya dilakukan pada material silika A (MCM-41) karena kemampuan adsorpsinya yang lebih baik pada percobaan sebelumnya jika dibandingkan dengan material silika B.

Tabel 1 Parameter isoterm Langmuir dan Freundlich material silika A

Adsorben Langmuir Freundlich

Qm (mg/g) b RL R2 1/n Kf R2

Material A 2.7949 -2.6270

11

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Sintesis material silika MCM-41 berhasil dilakukan dengan modifikasi metode Stöber. Berdasarkan hasil XRD, terlihat bahwa senyawa hasil sintesis memiliki fase amorf silika. Pencirian menggunakan SEM membuktikan bahwa senyawa hasil sintesis memiliki distribusi bentuk yang kurang seragam dengan rentang ukuran partikel dalam mikrometer. Pencirian menggunakan FTIR memperlihatkan spektrum yang tidak jauh berbeda pada MCM-41 dan NH2 -MCM-41. Hasil tersebut membuktikan fungsionalisasi dinding permukaan silika oleh gugus amina masih belum berhasil dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan kondisi terbaik untuk adsorpsi ion logam Pb(II) oleh hasil sintesis dengan menggunakan bobot adsorben 0.05 g dengan waktu kontak selama 120 menit. Pola isoterm adsorpsi dari MCM-41 mengikuti model isoterm Langmuir.

Saran

Perlu adanya karakterisasi lebih lanjut dengan menggunakan mikroskop transmisi elektron (TEM) untuk mengetahui lebih baik bentuk dan ukuran dari silika yang dihasilkan. Selain itu, perlu adanya uji adsorpsi gas nitrogen menggunakan BET untuk mengetahui luas permukaan pori yang dihasilkan. Perlu adanya optimasi sintesis material silika dengan fungsionalisasi gugus amina. Pada uji adsorpsi, perlu adanya pengujian beberapa parameter lain seperti pH dan suhu dalam menentukan kondisi terbaik adsorpsi logam berat Pb.

DAFTAR PUSTAKA

Agustiningtyas Z. 2012. Optimisasi Adsorpsi Ion Pb(II) Menggunakan Zeolit Alam Termodifikasi Ditizon. [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Beganskiene A, Sirutkaitis V, Kurtinaitiene M, Juskenas R, Kareiva A. 2004. FTIR.

TEM, and NMR investigations of Stober silica nanoparticles. J Mater Sci. 10:1320-1392.

Benhamou A, Baudu M, Derriche Z, Basly JP. 2009. Aqueous heavy metals removal on amine-fuctionalized Si-MCM-41 and Si-MCM-48. J Hazard Mater. 162:1019-1024. doi: 10.1016/j.jhazmat.2009.06.106.

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. J Hazard Mater. 150:554-559. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.05.001

Gu S, Jaroniec M. 2011. A new approach to synthesis of periodic mesoporous organosilicas: taking advantage of self-assembly and reactivity of organic precursors. J Mater Chem. 21:6389-6394. doi: 10.1039/c1jm10322a.

12

Hoffmann F, Cornelius M, Morell J, Froba M. 2006. Silica-based mesoporous organic-inorganic hybrid materials. Angew Chem Int Ed. 45:3216–3251. doi: 10.1002/anie.200503075.

Lai CY, Brian GT, Dusan MJ, Ksenija J, Shu X, Srdija J, Victor SYL. 2003. A mesoporous silica nanosphere-based carrier system with chemically removable CdS nanoparticle caps for stimuli-responsive controlled release of neurotransmitter and drug molecules. J Am Chem Soc. 125:4451-4459. doi: 10.1021/ja028650l.

Liu J, Du X. 2010. pH- and competitor-driven nanovalves of curcubit[7]uril pseudorotaxanbase on mesoporous silica supports for controlled release. J Mater Chem. 20:3642-3649. doi: 10.1039/b915510d.

Liu W, Liu J, Yang X, Wang K, Wang Q, Yang M, Li L, Xu J. 2013. pH and ion strength modulated ionic species loading in mesoporous silica nanoparticles. Nanotechnology. 24:1-9. doi: 10.1088/0957-4484/24/41/415501.

Nandiyanto ABD, Kim SG, Iskandar F, Okuyama K. 2009. Synthesis of spherical mesoporous silica nanoparticles with nanometer-size controllable pores and outer diameters. Microporous Mesoporous Mater. 120:447-453. doi: 10.1016/j.micromeso.2008.12.019.

Silverstein. 2002. Identification of Organic Compound, 3rd Edition. New York (US): John Wiley & Sons Ltd.

Subariyah I. 2011. Adsorpsi Pb(II) menggunakan zeolit alam termodifikasi asam fosfat. [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.

Sutardi, Santosa SJ, Suyanta. 2014. Adsorpsi Hg(II) dengan adsorben zeolit MCM-41 termodifikasi. Kaunia. 10:1-10.

Tang F, Li L, Chen D. 2012. Mesoporous silica nanoparticles: synthesis, biocompatibility and drug delivery. Adv Mater. 24: 1504–1534. doi: 10.1002/adma.201104763.

Walcarius A, Mercier L. 2010. Mesoporous organosilica adsorbents: nano engineered materials for removal of organic and inorganic pollutants. J Mater Chem. 20: 4478–4511. doi: 10.1039/b924316j.

Wan Y, Zhao D. 2007. On the controllable soft-templating approach to mesoporous silicates. Chem Rev. 107:2821-2860. doi: 10.1021/cr068020s.

Wang S, Terdkiatburana T, Tade MO. 2008. Adsorption of Cu(II), Pb(II) and humic acid on natural zeolite tuff in single and binary systems. Sep Purif Technol. 62:64-70.

Yang H, Deng Y, Du C. 2009. Synthesis and optical properties of mesoporous MCM-41 containing doped TiO2 nanoparticles. Colloids Surf. 339:111-117. doi: 10.1016/j.colsurfa.2009.02.005.

13

LAMPIRAN

Lampiran 1 Diagram alir penelitian

Uji Adsorpsi ion logam Pb

Efek waktu kontak Karakterisasi

dengan XRD, SEM, dan FTIR Silika

MCM-41

Silika NH2 -MCM-41

Efek bobot adsorben

Penambahan dengan APTES Larutan surfaktan

CTAB

Direaksikan dengan NaOH dan TEOS

14

Lampiran 2 Hasil sintesis MCM-41 dan NH2-MCM-41

Lampiran 3 Bobot hasil sintesis silika MCM-41 dan NH2-MCM-41 Sampel Ulangan Bobot akhir sampel (g) MCM-41 (Material A)

1 0.6254

2 0.9212

3 0.8908

NH2-MCM-41 (Material B)

1 0.6052

2 0.7421

3 0.8407

Lampiran 4 Preparasi larutan stok Pb(II) 100 ppm

Larutan stok μg/mL = _{mL ×} μg _L mL× g_{μg ×} mol_{. g = .} × − M

Mol Pb(II) ≈ mol Pb(NO3)2

Konsentrasi Pb II M = _{volume mL ×1000}mol Pb II

. × − _{M =} bobot Pb NO3 2

BM Pb NO3 2 × mL

. × − _{M =} bobot Pb NO

. g/ o

Bobot Pb NO = . gram

15

Lampiran 5 Tabel absorbans larutan standar Pb(II) Larutan Konsentrasi

(ppm) Absorbans

Blanko 0.5 0.0072

Standar 1 1 0.0131

Standar 2 2 0.0236

Standar 3 10 0.226

Standar 4 20 0.4335

Standar 5 30 0.5947

Standar 6 40 0.7694

y= 0.0197x+ 0.0042 R²= 0.9949

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 10 20 30 40 50

Absor

ba

ns

16

Lampiran 6 Pengaruh bobot adsorben terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika A dan B Pengaruh bobot adsorben terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika A

Bobot

Pengaruh bobot adsorben terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika B Bobot

Konsentrasi terjerap= konsentrasi awal terukur – konsentrasi akhir

= . – .

= .

Pb II yang terjerap mg = V×Konsentrasi terjerap ppm ×

17

Lampiran 7 Pengaruh waktu kontak terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika A dan B Pengaruh waktu kontak terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika A

Waktu

Pengaruh waktu kontak terhadap penjerapan Pb(II) oleh material silika B Waktu

Waktu 120 menit silika NH2-MCM-41; A = 0.2594

= . + .

. = . + .

= . ppm

% Adsorpsi %E = Konsentrasi Pb II terjerap_{Konsentrasi Pb II awal ×100%}

=31.5482 ppm_{44.5012 ppm ×100%} =70.89 %

Kapasitas adsorpsi (Q) :

Q (mg⁄ )g = V ×(konsentrasi awal-konsentrasi akhir)_{massa adsorben}

= 10 mL 44.5012 ppm-12_{0.0500 g} .9530 ppm ×

Konsentrasi terjerap= konsentrasi awal terukur – konsentrasi akhir = 44.5012 ppm – 12.9530 ppm

= 31.5482 ppm

18

Lampiran 8 Data analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Pb(II) dengan MCM-41 (Material A)

Ce (ppm) Qe (mg/g) Ce/Qe (g/L) log Ce log Qe

Persamaan regresi linear dan parameter isotermal

Langmuir RL Freundlich

0.4962 1.0558 0.4699 -0.3044 _{0.0236 Ce/Qe = 0.3578Ce} ‒ _0.1362 R2 = 0.9967

Qm = 2.7949 b = -2.6270

0.0706 Log Qe = 0.1839 Log Ce + 0.2474 R2 = 0.3617

Kf = 1.7677 1/n = 0.1839

3.6281 4.6234 0.7847 0.5597 0.6650 0.0144

28.2170 2.9157 9.6775 1.4505 0.4647 0.0090

39.4302 2.7756 14.2058 1.5958 0.4434 0.0072

Ce: konsentrasi Pb pada kesetimbangan dalam larutan; Qe: kapasitas adsorpsi; Qm: kapasitas adsorpsi maksimum; b: konstanta yang behubungan dengan energi ikatan

adsorpsi; Kf: kapasitas adsorpsi relatif; n: intensitas adsorpsi; RL: dimensi adsorpsi

Contoh perhitungan:

Persamaan Langmuir: ��

�� =�� +� �

y = 0.3578x ‒ 0.1362 = _� = . =

. = . /

� =_�� = − .

� =

− . × . = − . /

Persamaan Freundlich:

= + �

y = 0.1839x + 0.2474 = = .

= . = . /

� = = .

= . _{= . /}

� = + � |�|

= + . | − . |

= .

19

Lampiran 9 Kurva Isoterm Adsorpsi dari MCM-41

20

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 19 Januari 1994 dari pasangan Wagiman dan Eri Mastu. Penulis merupakan anak ke-3 dari 3 bersaudara. Tahun 2011 penulis lulus dari SMA Negeri 77 Jakarta Pusat dan melanjutkan studi di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor, melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi (SNMPTN) tertulis.