A-1
ADSORPSI LOGAM BERAT TIMBAL DAN KADMIUM PADA LIMBAH BATIK
MENGGUNAKAN BIOSORBENT PULPA KOPI TERXANTHASI
Indah Riwayati1, Indah Hartati2, Helmy Purwanto3, Suwardiyono4 1,2,4Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Wahid Hasyim semarang
3Jurusan Teknik mesin, Fakultas Teknik Universitas wahid Hasyim Semarang
e-mail :1riway79@yahoo.com ABSTRACT
Effluent from Batik industries may contain some toxic pollutant. One of those are heavy used optimally. Heavy metal in wastewater can be treated by adsorption process. Modification of coffe pulp can be an alternative to conventional methode for heavy metal contain waste adsorption. The effects of various parameter on adsorption efficiency of Pb (II) dan cadmium particularly pH, temperature, contact time and amount of adsorbent were investigated. The aim of this research was evaluate optimum condition adsorption on those parameter using xanthated coffe pulp for heavy metal contain batik wastewater. The experimental results obtained optimum conditions at pH values of 2, the maximum temperature of 40 0 C, the maximum contact time of 24 hours and a maximum weight of 100 g adsorbent. These conditions result in the adsorption process, respectively for 68.18% and 76.1% of lead and cadmium with successive adsorption capacity of 0,029 and 0.00198 mgr metal ion / g adsorbent. Has successfully reduced the adsorption capacity of heavy metal content in the waste batik originally 0,213 ppm to 0,068 ppm for lead. While the original metal cadmium 0,068 ppm to 0,013 ppm.
Kata kunci : batik, coffe pulp, adsorbent, xanthate
PENDAHULUAN
Batik merupakan salah satu kekayaan budaya bangsa Indonesia yang telah mendapat pengakuan internasional dari UNESCO pada tahun 2009. Pencanangan hari batik nasional telah berperan meningkatkan minat pemakai batik. Data Kementrian Perindustrian menyebutkan bahwa pada tahun 2010 jumlah konsumen batik tercatat 72,86 juta orang (Kompas, 2011). Meningkatnya minta dan konsumsi batik berdampak tumbuh dan berkembangnya sentra-sentra industri batik berbagai daerah di Indonesia.
Proses pembuatan batik berawal dari metode sederhana, yaitu menggambar dengan canting dan mencelupkn dalam pewarna, batik cap dengan cara dicap pada cetakan sampai produksi massal dengan mesin moderen. Dalam pembuatan batik, dari proses awal hingga proses penyempurnaan diindikasikan menggunakan bahan kimia yang mengandung unsur logam berat, sehingga bahan buangannya juga masih mengandung unsur logam berat tersebut. Apabila bahan buangan tersebut tidak diolah dengan baik, maka bahan buangan tersebut dapat mencemari lingkungan (Sasongko dan Tresna, 2010).
Karakteristik limbah batik adalah meliputi: (i) karakteristik fisika yang terdiri atas warna, bau, zat padat tersuspensi, temperatur, dan (ii) karakteristik kimia yang terdiri atas bahan organik, anorganik, fenol, sulfur, pH, logam berat, senyawa racun (nitrit), dan gas (Muljadi, 2009). Adapun contoh karaketeristik limbah industri batik (industri batik cap khas Palembang) disajikan pada Tabel 1 (Agustina dkk., 2011).
A-2
Tabel 1. Karakteristik air limbah pabrik batik cap
Parameter Standar (mg/L) Limbah industri batik (mg/L)
pH 6-9 6 COD 150 4.230 Amoniak total 8 5,47 Fenol total 0,5 0,008 TSS 50 535 Sulfida 0,3 0,040 Crom total 1 0,1385 Besi - 2,0587 Tembaga - 0,2696 Seng - 54,7175 Kadmium - 0,0063 Timbal - 0,2349 Sumber: Agustina dkk., 2011
Timbal adalah sebuah unsur yang biasanya ditemukan di dalam batu-batuan, tanah, tumbuhan dan hewan. Timbal 95% bersifat anorganik dan pada umumnya dalam bentuk garam anorganik yang bersifat kurang larut dalam air. Timbal merupakan suatu logam toksik yang bersifat kumulatif, toksisitasnya dibedakan menurut organ yang dipengaruhi . Pada sistem hemopoietik dapat memperlambat pematangan normal sel darah merah yang menyebabkan anemia, mempengaruhi kelangsungan hidup sel darah merah serta menghambat biosintesa haemoglobin. Risiko dari keracunan timbal dapat menimbulkan kerusakan pada otak. Penyakit-penyakit yang timbul sebagai akibat dari keracunan timbal adalah epilepsi, halusinasi, kerusakan pada otak besar dan delirium. Timbal yang terlarut dalam darah akan berpindah ke sistem urinaria sehingga dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan pada ginjal. Timbal dapat melewati placenta sehingga dapat menyebabkan kelainan pada janin berupa cacat pada bayi dan menimbulkan berat badan lahir rendah serta prematur. Timbal juga dapat menyebabkan kelainan pada fungsi tiroid dengan mencegah masuknya iodine (Sudarwin, 2008).
Kadmium adalah suatu logam putih, mudah dibentuk, lunak dengan warna kebiruan. Titik didih relatif rendah (767ºC) membuatnya mudah terbakar, membentuk asap kadmium oksida. Kadmium dan bentuk garamnya banyak digunakan pada beberapa jenis pabrik untuk proses produksinya. Berbagai organ tubuh dapat terpengaruh setelah paparan jangka panjang terhadap kadmium. Organ yang akan mengalami gangguan fungsional dini adalah ginjal. Keracunan Cd kronis dapat menyebabkan gangguan kardiovaskular dan hipertensi (Sudarwin, 2008).
Pengolahan kopi secara basah akan menghasilkan limbah padat berupa kulit buah/pulpa kopi pada proses pengupasan buah (pulping) dan kulit tanduk pada saat penggerbusan (hulling). Limbah pulpa kopi dapat mencapai 28,7% dari produksi kopi (Parani & Eyini, 2010). Jika produksi kopi pada tahun 2008 mencapai 683 ribu ton (Deptan, 2009) maka limbah pulpa kopi mencapai 196,2 ribu ton.
A-3
Umumnya pulpa kopi hanya ditumpuk di sekitar lokasi pengolahan, sehingga menimbulkan bau busuk dan cairan yang mencemari lingkungan. Sementara ini, pulpa kopi baru dimanfaatkan sebagai pupuk kompos, bahan baku biogas, media tanam jamur, pakan ternak, karbon aktif dan produksi bioetanol (Rathinavelu & Grazioni, 2005; Yesuf, 2010).
Senyawa xanthate dibuat dengan mereaksikan substrat yang mengandung gugus hidroksil dengan karbon bisulfida dalam suasana basa. Reaksi xanthasi disajikan pada Gambar 4 (Bashyal, Homagai, & Ghimire, 2010).
Gambar 1. Reaksi xanthasi
Adsorpsi ion logam berat kedalam permukaan senyawa xanthate dapat dianggap sebagai proses pertukaran ion, pembentukan kompleks dan atau proses pembentukan chelat. Melalui proses pertukaran ion, dua atom sulfur yang bermuatan negatif pada senyawa xanthate akan menangkap ion logam bervalensi dua. Sedangkan pada proses pembentukan kompleks melibatkan empat atom sulfur dan satu ion logam bervalensi dua.
Beberapa penelitian mengenai penggunaan senyawa xanthate yang digunakan dalam pemisahan logam berat antara lain penelitian oleh Kim dkk. (2006) yang menggunakan senyawa xanthat yang berbasis kitin dalam mengadsorpsi ion Pb2+. Homagai dkk. (2009) menggunakan senyawa xanthate dari ampas apel untuk mengadsorpsi ion Pb2+, Cd2+, Zn2+, dan Fe3+. Sementara Sha dkk. (2010) menggunakan senyawa xanthate dari kulit jeruk untuk mengadsorpsi logam ion Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, dan Ni2+.
Proses adsorpsi logam berat dengan menggunakan pulpa kopi terxanthasi dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu: pH, berat adsorben, waktu kontak dan suhu. Penelitian ini bertujuan untuk mencari kondisi optimum variabel proses pH, berat adsorben, waktu kontak dan suhu pada adsorbsi logam berat timbal dan cadmium yang ada di dalam limbah batik dengan menggunakan biosorben pulpa kopi terxanthasi dalam prototype tanki biosorpsi.
METODE PENELITIAN
Sintesa Pulpa Kopi Terxanthasi
Pulpa kopi dicuci dan dikeringkan pada suhu 700C selama 24 jam dan digiling (PK). Sebanyak 50 gram PK direndam dalam 250 ml etanol dan 250 ml larutan NaOH 1% pada suhu ruang selama 24 jam. Campuran disaring, dicuci dengan distilled water dan dikeringkan pada suhu 700C. Selanjutnya produk kering (PKK) sebanyak 15 g ditambahkan dengan 200 ml larutan NaOH 4 M. Larutan diaduk pada suhu ruang selama 3 jam dan 3 jam lagi setelah ditambah 10 ml CS2. Campuran dibiarkan mengendap dan supernatan didekantasi. Alkali berlebih dihilangkan dengan distilled water dan aceton serta dikeringkan.
Prosedur Percobaan
Sebanyak 25 g adsorben pulpa kopi terxanthasi ditambahkan kedalam 1,5 L limbah industri batik. Larutan diaduk menggunakan pengaduk isotermal dengan kecepatan pengadukan dijaga pada 100 rpm. Temperatur larutan diatur pada suhu 250C (atau sesuai variabel). pH awal larutan diatur pada pH sesuai variabel menggunakan larutan 1 N NaOH dan HCl. Pada akhir kesetimbangan, erlenmeyer dipindahkan dari tanki biosorpsi dan adsorben disaring menggunakan kertas saring Whatman no 41. Konsentrasi logam pada filtrat dianalisa menggunakan AAS.Variabel pH pada percobaan sebesar 2,4,6, 8; berat adsorben (gr) 25, 50, 75, 100;
A-4
waktu kontak (jam) : 6, 12, 18, 24 dan suhu (0C): 25, 30, 35, 40. Optimasi dilakukan pada variabel pH, hasilnya digunakan untuk optimasi variabel suhu kemudian berturut –turut waktu dan berat adsorben.
Data yang diperoleh dari setiap run percobaan adalah data konsentrasi akhir ion logam dalam larutan (Ce). Jumlah ion logam yang teradsorpsi pada kesetimbangan ditentukan menggunakan persamaan kesetimbangan massa:
S
C
C
q
e i e
Dimana qe adalah konsentrasi ion logam yang teradsorpsi dalam adsorben pulpa kopi terxantasi pada saat kesetimbangan (mg ion logam /g adsorben), Ci adalah konsentrasi awal ion logam (mg/L) dan adalah konsentrasi kesetimbangan atau konsentrasi akhir ion logam dalam larutan. Sementara S adalah konsentrasi slury, yang dinyatakan sebagai:
v
m
S
Dimana v adalah volume awal larutan logam yang digunakan (L) dan m adalah berat adsorben yang digunakan. Persentase adsorpsi dan rasio distribusi dihitung menggunakan persamaan berikut:
% 100 % x C C C adsorpsi i e i PEMBAHASAN Optimasi pH
Hasil percobaan optimasi variabel pH dapat dilihat seperti pada gambar 2. Dari gambar 2 dapat dilihat bahwa kondisi optimum diperoleh pada nilai pH 2. Prosentase adsorpsi maximum pada pH sebesar 61,4 % untuk timbal dan 63,45 % untuk kadmium atau kapasitas adsorpsi sebesar 0,026 mgr ion logam /gr adsorben dan 0,00165 mgr ion logam/gr adsorben. Dari konsentrasi awal sebesar 0,213 ppm untuk timbal menjadi 0,082 ppm. Sedangkan konsentrasi awal logam kadmium sebesar 0,013 ppm menjadi 0,00475 ppm.
A-5
Kapasitas adsorbsi dan prosentase adsorpsi menurun tajam jika dibandingkan dengan penggunaan adsorben pulpa kopi terxanthasi pada limbah sintetis yang hanya mengandung timbal atau kadmium saja. Pada limbah sintetik diperoleh nilai pH optimal sebesar 8 dengan kapasitas adsorpsi sebesar 10 mg ion/gr adsorben untuk timbal dan 9,64 mg ion/gr adsorben untuk kadmium. Prosentas adsorpsi maksimum berturut-turut sebesar 100 % dan 96,45 % untuk timbal dan kadmium (Riwayati dkk., 2013). Penurunan ini diakibatkan oleh kompleksnya kandungan bahan dalam limbah batik yang sebagian besar terdiri dari zat warna. Zat warna dalam batik dapat melepatkan kation yang akan bersaing dengan ion logam berat untuk menenpel pada adsorbent (Khalir dkk., 2011). Adsorpsi ion logam berat kedalam permukaan senyawa xanthate dapat dianggap sebagai proses pertukaran ion, pembentukan kompleks dan atau proses pembentukan chelat. Melalui proses pertukaran ion, dua atom sulfur yang bermuatan negatif pada senyawa xanthate akan menangkap ion logam bervalensi dua. Sedangkan pada proses pembentukan kompleks melibatkan empat atom sulfur dan satu ion logam bervalensi dua. Pada pH 2 diperoleh prosen adsorpsi optimum. Prosen adsorbsi turun pada pH yang lebih tinggi, hal ini disebabkan oleh semakin kecilnya kelarutan logam sehingga memungkinkan terjadinya pengendapan dalam larutan. Pada adsorbsi bebrapa logam berat menggunakan xanthat kulit apel diperoleh pH optimum sebesar 3 untuk timbal dan 4 untuk kadmium (Homagai dkk., 2009). Pada pH tinggi juga terjadi interaksi antara ion Pb dengan OH- yang diikuti dengan pelarutan dan hidrolisis didalam larutan. Mekanisme yang terjadi adalah sebagai berikut (Bashyal dkk., 2010):
2 n 2 2 2 nH O Pb.(H O) Pb H O) Pb(H O) Pb(H2 2n 2 n-1 mH Pb(OH) O mH nPb2 2 2nm-m Optimasi Suhu
Pada percobaan optimasi suhu, diperoleh hasil seperti yang terlihat pada gambar 3. Kondisi maksimum diperoleh pada suhu 40 0 C untuk timbal dan kadmium dengan prosen adsorbsi masing-masing sebesar 31,57 % dan 26,47 %. Kapasitas adsorbsi untuk timbal dan kadmium berturut turut sebesar 0,016 mgr ion logam/gr adsorben serta 0,00069 mgr ion logam/gr adsorben. Proses adsorpsi logam dapat bersifat eksotermis atau endothermis. Jika kapasitas adsorpsi meningkat seiring peningkatan suhu, maka adsorpsi bersifat endothermis dan jika sebaliknya maka bersifat eksotermis. Untuk logam timbal diperoleh nilai energi bebas Gibbs negatif, entropi dan enthalpi positif, sehingga proses adsorpsi logam timbal bersifat spontan endothermis (Zhao dkk., 2011). Apabila dilihat dari gambar 2, prosen adsorpsi meningkat seiring peningkatan suhu, sehingga proses adsorpsi logam Pb dan Cd bersifat endothermis.
A-6
Gambar 3. Hasil Percobaan optimasi variabel suhu
Optimasi Waktu Kontak
Untuk variabel waktu kontak, dalam penelitian ini diperoleh hasil terbaik pada nilai 24 jam dengan prosentase adsorpsi sebesar 46,15 % untuk timbal dan 35,58 % untuk kadmium (gambar 4.). Besar kapasitas adsorpsi untuk timbal dan kadmium berturut-turut sebesar 0,020; 0,00092 mgr ion logam/gr adsorben. Adsorpsi terjadi melalui dua fase tahapan. Tahap pertama merupakan fase cepat, sedangkan kedua merupakan fase lambat. Fase cepat terjadi sehubungan dengan banyak tersedianya tempat aktif tempat terjadinya ikatan pada permukaan adsorbent. Fase lambat dengan penambahan waktu kontak tidak memberikan prosen adsorpsi yang signifikan, hal ini terjadi karena trjadi proses difusi ion logam ke bagian yang lebih dalam dari biosorbent (Kostic dkk., 2013).
Gambar 4. Hasil percobaan optimasi variabel waktu
Optimasi Berat Adsorben
Percobaan optimasi variabel berat adsorben dilakukan dengan kondisi pH, suhu dan waktu kontak optimum. Hasil maksimum yang diperoleh dalam percobaan ini pada berat adsorben 100 gr dengan prosentase adsorpsi sebesar 68,18% dan 76,1 % untuk timbal dan kadmium dengan kapasitas adsorpsi berturut-turut sebesar 0,029 dan 0,00198 mgr ion logam/gr adsorben. Prosentase tersebut diperoleh dari konsentrasi logam berat awal sebesar 0,213 ppm untuk timbal dan 0,013 ppm untuk logam kadmium menjadi 0,068 ppm dan 0,0031 ppm.
A-7
KESIMPULAN
Dari proses perancangan, implementasi dan pengujian dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Percobaan optimasi memperoleh hasil pH optimum sebesar 2, suhu maksimum pada 40 0C, waktu kontak maksimum 24 jam dan berat adsorbent maksimum 100 gr.
2. Hasil prosen adsorpsi maksimum diperoleh sebesar sebesar 68,18% dan 76,1 % untuk timbal dan kadmium dengan kapasitas adsorpsi berturut-turut sebesar 0,029 dan 0,00198 mgr ion logam/gr adsorben.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih yang sebesar-besarnya pada Direktorat Jenderal Perguruan Tinggi Indonesia (Dikti) yang telah mendanai penelitian ini melalui program Hibah Bersaing tahun 2014.
DAFTAR PUSTAKA
Agustina, T.E., Nurisman, E., Prasetyowati, Haryani, N., 2011,” Pengolahan Air Limbah Pewarna Sintesis dengan Menggunakan Reagen Fenton” Prosiding Seminar Nasional AvoER ke-3, Palembang.
Bashyal, D., Homagai, P.L., Ghimire, K.N., Removal of Lead from Aqueous Medium Using Xanthate Modified Apple Juice Residue. Journal of Nepal Chemical Society. 2010, Vol 26: pp. 53-60
Departemen Pertanian, 2009, “ Outlook Komoditas Pertanian (Perkebunan)”
Homagai, P.L., Bashyal, D., Poudyal, H., Ghimire, K.N., (2009). Studies on Functionalization of Apple Waste for Heavy Metal Treatment. Nepal Journal of Science and Technology. Vol 10: 135-139
Khalir,w., K., A., W., M., Hanafiah, M., A., K., M., So’ad, S., Z., M., Ngah, W., S., W., “Adsorption behavior of Pb (II) onto xanthated rubber (hevea brasiliensis) leaf powder” Polish Journal of Chemical technology , 13, 4, 2011, pp. 82-88
Kim, S.H., Song, H., Nisola, G.M., Ahn, J., Galera, M.M., Chung, W.J., Lee, C.H., 2006,” Adsorption of Lead Ions using Surface Modified Chitin”, Journal of Ind.Eng.Chem, vol 12 (3):469-475
Kompas, 2011,” Batik Punya Nilai Ekonomi Tinggi”
Kostic, M., Mitrovic, J., Radovic, M., Ljupkovic, R., Krstic, N., Bojic, D., Bojic, A., “Biosorption Pb(II) Ions Using Xanthated Lagena vulgaris Shell” Reporting for Sustainability, 2013.
Muljadi, 2009,” Efisiensi Instalasi Pengolahan Limbah Cair Industri Batik Cetah dengan Metode Fisika Kimia dan Biologi Terhadap Penurunan Parameter Pencemar (BOD, COD dan Logam Berat Krom)”, Ekuilibrium, vol 8 (1):7-16
Parani, K., Eyini, M., 2010, “ Effect of Co-fungal Treatment on Biodegration of Coffee Pulp Waste in Solid State Fermentation”, Asian Journal Experiment Biologycal Science, 1(2), 352-359
Rathinavelu, R., Grazioni, G., 2005, “ Potential Alternative Use of Coffee Wastes and By Product”, Coffee Organization:1-4
Riwayati, I., Hartati, I, Purwanto, H., dan Suwardiyono, 2013, Optimization Variables Process of Adsorption lead and Cadmium Using Xanthated Coffe Pulp, Engineering International Conference 2013 Proceeding, ISBN: 97925-2784
Sasongko, D., P., dan Tresna, W., P., 2010, Identifikasi Unsur dan Kadar Logam Berat pada Limbah Pewarna Batik dengan Metode Analisa Pengaktifan Neutron, Journal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi TELAAH, Volume 27,pp. 22-27
Sha, L., XueYi, G., Ning-chuan, F., Qing-hua, T., (2010). Effective Removal of Heavy Metals From Aqueous Solution by Orange Peel Xanthate. Transactions of Nonferous Metals Society of China.Vol 20,pp. 187-191 Sudarwin, 2008, “Analisa Spasial Pencemaran Logam Berat Pb dan Cd Pada Sedimen Aliran Sungai dari TPA
A-8
Jatibarang Semaarng”, Thesis pada Program Magister Kesehatan Lingkungan Universitas Diponegoro Yesuf, Y.K., 2010,” Chemical Composition and In Vitro Digestibility of Coffee Pulp and Coffee Husk Ensiled
with Grass Hay and EM”, A Thesis at Jimma University
Zhao, G., Wu, X., Tan, X., and Wang, X., 2011, Sorption of Heavy Metal ions from Aqueous Solutions: A Review, The Open Colloid Science Journal, 4, 19-31
