STUDI OPTIMALISASI ADSORBEN KAOLIN YANG DIMODIFIKASI
DENGAN SURFAKTAN DALAM PENYISIHAN LOGAM BESI (II)
DALAM AIR
Alfian Putra1, Helmi2 dan Rudi Syahputra3
1) Prodi Teknologi Kimia Industri Politeknik Negeri Lhokseumawe 2) Prodi Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe 3) Prodi Teknik Listrik Politeknik Negeri Lhokseumawe
Email : putraalf@yahoomail.com
ABSTRAK
Pada Studi ini akan dilakukan optimalisasi daya serap kaolin, dengan cara modifikasi kaolin dengan surfaktan. Adsorben sebagai media penyerap dibuat dengan memanfaatkan kaolin yang dimodifikasi dengan surfaktan. Sedangkan logam yang digunakan adalah Fe yang terdapat dalam air dengan konsentrasi awal 10 mg/L. Tujuan dari penelitian ini adalah mencari optimalisasi penyerapan logam yang lebih sepesifik dalam menyerap logam Fe menggunakan kaolin yang telah di modifikasi dengan surfaktan. Kaolin dihaluskan sampai dengan 100 mesh. Surfaktan yang digunakan sebanyak 45%, 60% dan 75% dari berat total adsorben yaitu sebanyak 300 gram. Pengontakan dilakukan antara adsorben dengan logam divariasikan waktu pengambilan sample yaitu 30, 60 dan 90 menit, dengan kecepatan pengadukan 90 rpm. Studi menunjukkan kemampuan adsorben kaolin dalm menigkatkan kinerjanya hampir mencapai 2 kali dari sebelum dilakukan modifikasi dengan surfaktan. Hasil yang paling signifikan terjadi pada penambahan 75% surfaktan yaitu efesiensi penurunan mencapai 94,4% , penambahan surfaktan 60% efesiensinya 86,% dan penambahan surfaktan 45% efesiensi penurunan mencapai 80,1%.
Kata Kunci: Adsorben, Besi, Kaolin,Optimalisai, Surfaktan
ABSTRACT
In this study will be done to optimize the absorption of kaolin, kaolin modified by surfactant. Adsorbent as iron adsorbs were used modification kaolin and surfactant. The metal ion is iron in water with an initial concentration of 10 mg / L. The purpose of this riset is to study of optimize the absorption of more specific metals that absorb metals Fe using kaolin which has been modified with a surfactant. Kaolin size arange pulverized to 100 mesh. Surfactants concentrations were used as much as 45%, 60% and 75% from total weight of the adsorbent is 300 grams. Variation of contact time the adsorbent with a metal are 30, 60 and 90 minutes repectevely, and the stirring speed of 90 rpm. The study result show that ability of adsorbent kaolin preformance increase nearly 2 times than before the modification with surfactant. The most significant result occurred in 75% addition of surfactants ie a decrease of efficiency was 94.4%, 60% surfactant resvetively. The concentration of surfactant 60% to removal efficiency is 86 % and 45% surfactant concentration to removal efficiency 80,1%.
PENDAHULUAN
Air merupakan kebtuhan vial bagi kehidupan manusia dan mahkluk hidup lainya, namun keberadaan air sering terkontaminasi dengan senyawa lain seperti terdapatnya ion logam seperti besi dala air. Besi sendiri terdapat pada lapisan litosfer dengan presentase 5% dan juga terdapat pada buangan limbah industri dan limbah domestik. Pada konsentrasi rendah sekitar 1,8 mg/L keberadaan besi dapat menimbulkan gangguan kesehatan pada manusia seperti anorexia, aligura, diarhoea, hypothermia, diphasic shock, asam lambung dan bahkan kematian. Pada konsentrasi yang lebih besar dapat menyebakan kerusakan pada organ tubuh seperti penyumbatan pada sistem peredaran darah, hati, ginjal, jantung, otak, limpa,
adrenals dan thymus (Karthikeyan, dkk, 2005).
Salah satu kendala adalah keberadaan logam terutama Fe dalam air atau tingkat kesadahan air yang tinggi, sehingga berpengaruh terhadap penggunaan deterjen. Besi termasuk kedalam golongan logam berat, dimana logam berat memiliki massa atom relative antara 64,5-200,6, dimana logam ini biasanya tidak dapat diuraikan secara biologis dan memiliki tingkat kadar toxic yang tinggi. Meskipun logam ini sebagian bermanfaat bagi tubuh manusia dalam kadar tertentu, namun banyak juga menimbulkan permasalahan kesehatan seperti tembaga dan seng meskipun dibutuhkan dalam proses metabolisme pada tubuh manusia, jika kadarnya terlalu tinggi atau diluar batas yang di bolehkan akan menyebabkan iritasi, muntah, mual kram perut dan anemia.
Ion besi yang bervalensi dua pada umumnya terdapat pada air tanah dan sering berda bersamaan dengan ion logam Mngan (Mn). Keberdaan besi menyebabkan warna kekuningan pada air, menyebabkan korosi dan penyeba kesadahan. Penyisihan logam dalam air pada umumnya dilakukan dengan menggunakan teknologi memberan, adsorbsi, ion exchange dan presipitasi. Teknologi lain yang digunakan adalah dengan ekstraksi fluida pada kondisi superkriikal, bioremediasi dan oksidasi. Namun kesemua teknologi tersebut pada umumnya sangat mahal, dan membutuhkan peralatn penunjang dengan teknologi tinggi, sehingga tidak efektif dilakukan dalampengolahan air. Metode umum yang sering digunakan adalah dengan mengguakan proses adsorpsi. Metode ini mudah dilakukan, efektivitasnya tinggi dan murah. Banyak adsorben yang digunakan sepeti alumina, karbon aktif, silika gel dan zeolit (Sriyanti dan Taslimah, 2003).
Salah satu adsorben yang digunakan dalam penyisihan logam besi adalah kaolin. Kaolin merupakan bagian dari mineral alami dari kelompok silika yang berbentuk kristal dengan struktur berlapis. Kaolin sendiri dikelompokkan dalam penukar ion anorganik yang secara alami dapat melakukan proses pertukaran ion yang berasal dari luar dengan adanya pengaruh air. Menurut Crini (2006), kaolin merupakan salah satu jenis silikat yang memiliki kemampuan sebagai adsorben dan kapasitasnya mencapai 20 kali kemampuan alumina (jenis silikat lain). Beberapa pengaktifan kaolin telah dilakukan seperti proses pertukaran ion yang berasal dari luar dengan bantuan air pada proses penjernihan (Murdarina dan Linggarwati, 2003). Penyerapan logam Pb2+ dalam limbah cair dengan memodifikasinya dengan surfaktan dan poliposfat. Adsorbsi timbal, seng dan kadmium dengan memodifikasi kaolin dan
polyphospate (Mohammad W Amer, dkk 2010), Pemodifikasian permukaan mineral dengan
surfaktan (Li and Bowman, 1997; Sullivan et al., 1997) dan zeolit-A (Kumaret al., 2007), Kemampuan surfaktan kationik dalam melakukan adsorpsi yang tinggi terutama dalam
kapasitas penukar ion kromat (Bajda dan Klapyta, 2006), sulfat dan fosfat (Vujakovic et al.,2003), dan arsenik (Kumar et al.,2007). Kaolin masih sejenis dengan zeolit dan bentonit, namun zeolit dan bentonit daya serapnya lebih bagus atau lebih tinggi dibandingkan dengan kaolin apalagi jika dibandingkan dengan karbon aktif oleh sebab itu dibutuhkan upaya untuk meningkatkan daya serap kaolin.
Salah satu upaya peningkatan daya serap kaolin sebagai adsorben dapat dilakukan dengan memodifikasikanya menggunakan surfaktan. Surfaktan memiliki beberapa jenis yaitu surfaktan anionik dan kationik.Surfaktan kation merupakan senyawa organik rantai panjang yang terdiri dari dua bagian yaitu kepala dan ekor. Bagian kepala bermuatan positif dan bersifat hidrofilik sedangkan bagian ekor tidak bermuatan dan bersifat hidrofobik. Surfaktan dapat membentuk misel, monolayer atau bilayer pada permukaan kaolin modifikasi tergantung dari konsentrasi surfaktan yang digunakan. Pada Studi ini mencoba mempelajari dan mengkaji penggunaan surfaktan yang dimodifikasi dengan kaolin (organokaolin), sehingga diharapkan peningkatan daya serap dalam hal ini ion Fe dalam air. Diharapkan hasil dari penelitian ini diketahui komposisi perbandingan yang tepat dan paling optimal antara kaolin dan surfaktan.
METODE PENELITIAN
Experimen dilakukan dengan menggunakan kaolin yang telah dihaluskan dengan ukuran 100 mesh sebelum dilakukan proses aktivasi awal. Pengambilan ukuran 100 mesh didasarkan pada penelitian sebelumnya dimana kondisi terbaik pada ukuran tersebut (Nelly,2010). Aktivasi dilakukan dengan menggunakan ukuran kaolin 100 mesh. Kaolin dilakukan aktivasi fisik selama 2 jam dengan temp. 105OC, aktivasi kimia menggunakan H2SO4 dan KOH selama 2-3 jam, dinetralkan sampai pH 7, dikeringkan dan disimpan dalam desikator. Kaolin aktivasi dimodifikasi dengan surfaktan konsentrasi 200 mg/L dengan rasio penggunaan surfaktan 45%, 60%, 75% dari berat total 300 gr. Campuran kaolin-surfaktan diaduk menggunakan Shaker Incubator selama 2 jam dengan kecepatan pengadukan 150 rpm. Endapan kaolin disaring dan dicuci sampai pH 7, lalu dikeringkan dan disimpan dalam desikator.
Pada proses adsorpsi, 2 gr organokaolin dan 200 ml air Limbah artifisial dengan konsetrasi 10 mg/L dimasukkan dalam erlenmeyer 250 mL, dikontakkan selama 90 menit dengan kecepatan pengadukan 50,70 dan 90 rpm menggunakan Shaker Incubator. Sampel dianalisa menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (AAS) dan Total Organic Carbon (TOC) Shimadzu sebelum dan sesudah perlakuan. Sample ditutup dengan alumunium foil menghindarai terjadinya kontak dengan udara luar.
HASIL DAN PEMBAHASAN Aktivasi adosorben
Sebelum dilakukan modifikasi dengan surfakatan, dilakukan uji peformance adsoben kaolin yaitu pada kondisi sebelum dan setelah dilakukan proses aktifasi. Data dari pengukuran efesiensi penurunan kadar logam Fe dalam air dapat dilihat pada gambar 1.
20 40 60 80 100 30 40 50 60 70 80 E fe s ie n s i (% )
Lama Pengadukan (Menit)
Sebelum aktivasi Setelah aktivasi
Gambar 1: Perbandingan efesiesni penurunan kadar Fe pada adsorben sebelum dan setelah
aktivasi
Dari gambar 1 terlihat peningkatan laju efesiensi penurunan logam Fe sebelum dilakukan proses aktifasi dan setelah dilakukan aktifasi. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan daya serap akibat terbukanya pori-pori kaolin setelah dilakukan aktifasi dengan menggunakan H2SO4 dan KOH selama 2-3 jam. Kondidi adsorben yang masih baru dan pori-porinya masih banyak terdapat rongga-rongga yang mampu menangkap ion logam Fevdalam air, sehingga menigatkan kinerja dari adsorben kaolin dalam mereduksi ion logam Fe dalam air. Proses aktivasi kaolin menggunakan asam akan menghasilkan kaolin yang memiliki situs aktif lebih besar dan keasaman permukaan yang lebih besar, sehingga akan dihasilkan adsorben dengan kemampuan adsorpsi yang lebih tinggi dibandingkan sebelum diaktivasi sedangkan aktivasi dengan pemanasan (kalsinasi) yang dilakukan pada lempung akan menyebabkan bertambah besarnya ukuran pori dengan bentuk kristal yang lebih baik. Pemanasan dengan suhu tinggi dan waktu yang lama, lempung cenderung mengalami rekristalisasi sehingga menghasilkan kristal-kristal yang lebih baik dengan pori-pori yang lebih besar (Notodarmojo, 2005)
Perbedaan waktu kontak memberikan hasil yang berbeda, semakin lama waktu pengadukan semakin tinggi efesiensi penyisihan logam Fe dalam air. Dari gambar juga terlihat bahwa kecepatan pengadukan berpengaruh terhadap efesiensi penurunan konsentrasi logam Fe, dimana semakin besar kecepatan pengadukan, semakin besar efisiensi penyisihan logam Fe. Hal ini terjadi karena kecepatan pengadukan mempercepat terjadinya kontak antara kaolin dengan air gambut mengandung logam Fe, sehingga efisiensi penyerapan logam Fe dalam air gambut lebih maksimal. Berdasarkan sifatnya surfaktan amfolitik mempunyai dua ikatan ion positif dan negatif ditambah dengan adanya pengadukan maka partikel-partikel dalam bentuk ion akan terserap pada adsorben.
Modifikasi Adsorben Kaolin-Surfaktan 50 60 70 80 90 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 Efisi ensi penyis iha n Fe ( %) Kecepatan pengadukan (rpm) 45% Surfaktan 60% Surfaktan 75% Surfaktan
Gambar 2: Efesiensi penyerapan logam Fe dengan variasi konsentrasi surfaktan
Dari gambar 2 terlihat terjadi peningkatan efisiensi yang signifikan pada kecepatan pengadukan 90 rpm sebesar 97,3%. Hal ini disebabkan karena logam Fe yang terkandung didalam limbah telah terserap secara keseluruhan di pori pori organokaolin akibat peningkatan gerakan moleku yang terdapat pada air limbah, sehingga interaksi antara organokaolin dan ion logam Fe lebih sering terjadi. Dari grafik tersebut juga terlihat bahwa pada konsentrasi 60% efesiensinya lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan surfaktan pada konsentrasi yang lain. Hal ini disebakan oleh organokaolin pada konsentrasi 60% memiliki kemampuan untuk mempercepat pergerakan antar molekul didalam air (gaya dispersi), sehingga logam Fe didalam air diserap lebih maksimal oleh organokaolin. Selain itu pada konsentrasi ini diperkirakan adanya keseimbangan antara jumlah surfaktan yang terdapat pada adsorben dan pori-pori adsorben yang terbuka, diamana sebagian besar organokaloin masih terdapat banyak pori-pori yang masih terdapat rongga- rongga yang mampu menangkap ion logam Fe dalam air, sehingga penyerapan logam lebih maksimal akibat kombinasi penyerapan pada pori dan terbentuknya bilayer-bilayer pada permukaan adsorben yang efektif menyerap logam Fe. Selain itu, organokaolin yang mengandung surfaktan juga memiliki gugus negatif yang berfungsi mengikat logam Fe dalam sampel artifisial.
Keberadaan muatan positif, sifat hidrofobik dan keluewasan dan melakukan pergerakan dalam air yang hasil modifikasi kaolin dan surfaktan (organokaolin) dapat memberdayakan dan meningkatkan efesiensi daya serap kaolin yang semula hanya sebagai adsorben kation menjadi adsorben anion dan adsorben non polar. Untuk itu salah satu aplikasi yang digunakan adalah pada air yang mengandung ion logam seperti Fe dan penanganan air limbah yang banyak mengandung anion dan molekul non polar. Oleh sebab itu modifikasi kaolin dan surfaktan yang diikatkan pada permukaan kaolin yang bersifat hidrofobik dan mengandung kation Na yang aktif pada strukturnya. Surfaktan berperan untuk membentuk agregat bilayer yang akan menyerap ion yang lebih banyak (Kumar, et al.,2007).
Uji FTIR
Analisa FTIR pada penelitian ini bertujuan untuk melihat karakteristik adsorben, perubahan tersebut dapat diamati pada gambar 3 dibawah ini.
(a) (b)
Gambar 4: Perubahan Strutur Adsorben pada saat aktivasi (a) dan setelah dilakukan
modifikasi dan penyerapan logam Fe (b)
Perubahan pada struktur Si-O-Al ulur kaolin non aktivasi dibuktikan pada hilang puncak di daerah vibrasi O-H dan Si-O deformasi yaitu di bilangan gelombang 754,2 cm-1 dan 884,4 cm-1 dan meningkatnya luasan puncak spektrum pada bilangan gelombang 913,33 cm-1. Pada kaolin aktivasi puncak pada bilangan 912,37 cm-1 mengindikasikan munculnya vibrasi O-H deformasi. Hal ini didukung dengan hilangnya puncak pada bilangan gelombang 1007,85 cm-1 dan 1042,57 cm-1 yang merupakan daerah vibrasi Si-O regangan dan meningkatnya luasan puncak spektrum pada bilangan gelombang 1112,97 cm-1. Perbedaan vibrasi pada kedua spektrum tersebut, dikarenakan kaolin dilakukan aktivasi dengan H2SO4 dan NaOH sehingga vibrasi berubah. Namun puncak terakhir dari kedua spektrum menunjukkan vibrasi yang sama, yaitu O-H oktahedral dengan panjang gelombang 3694,81 cm-1.
Berdasarkan hasil spektra IR (Gambar 4) terlihat bahwa kaolin aktivasi (sebelum adsorpsi) puncak pada bilangan 797,6 cm-1 mengindikasikan munculnya vibrasi O-H deformasi. Hal ini didukung dengan hilangnya puncak pada bilangan gelombang 942,27 cm-1 yang merupakan daerah vibrasi Si-O regangan dan meningkatnya luasan puncak spektrum pada bilangan gelombang 1111,05 cm-1. Sedangkan pada kaolin aktivasi sesudah adsorpsi, perubahan struktur vibrasi Si-O deformasi dengan panjang gelombang 706,94 cm-1 menjadi vibrasi Si-O regangan pada panjang gelombang 1111,05 cm-1. Perubahan ini terjadi karena ada proses adsorpsi logam Fe didalam kaolin, sehingga menyebabkan perubahan struktur vibrasi pada kaolin. Namun puncak terakhir dari kedua spektrum menunjukkan vibrasi yang sama, yaitu O-H oktahedral dengan panjang gelombang yang berbeda 3621,51 cm-1 dan 3694,81 cm-1. Perubahan vibrasi organokaolin juga terjadi pada organokaolin modifikasi 60% surfaktan. Hal ini dilihat dari perubahan spektrum IR pada daerah vibrasi Si-O deformasi yaitu panjang gelombang 797,6 cm-1 menjadi daerah vibrasi Si-O regangan dan meningkatnya luasan puncak spektrum pada bilangan gelombang 1114,9 cm-1.
SIMPULAN
Dari Hasil penelitian dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Modifikasi adsorben kaolin dan surfaktan mampu meningkatkan daya serap penyisihan logam Fe dalam air dari 54,2% menjadi 97,3%.
2. Perubahan konsentrasi surfaktan memberikan kinerja penyisihan logam Fe yang berbeda, dimana kondisi yang baik pada konsentrasi 60% surfaktan.
3. Waktu kontak berpengaruh terhadap penyisihan logam Fe, efisiensi penyisihan logam Fe pada kondisi optimum terjadi pada waktu kontak 90 menit.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah mendukung dan terlibat pada penelitian ini, Terima kasih banyak khusus pada team riset ahasiswa, Silvia, Eva, Siti Utami dan Rita.
DAFTAR PUSTAKA
Amer, W, Mohammad. 2010. Adsorption nof Lead, Zink and Cadmium ions on
Polyphosphate-Modified Kaolinite Clay. Journal of Environment Chemistry and
Acotoxicoligy, (2): 1-8.
Anonim, Cooper. 2008. www. Lentech.com, diakses tanggal 31 Januari 2015.
Besprina, Fani. 2004. Pemanfaatan Limbah Padat Pulp Gratis dan Dregs dengan
Penambahan Kaolin Sebagai Bahan Pembuatan Keramik Konstruksi. Skripsi (USU) :
Prodi Fisika, Dep. Fisika, Fak. MIPA.
Crini, Gregorio. 2006. Potensi Kaolin Sebagai Adsorben dalam Proses Bleaching Minyak
Goreng. Jurnal UGM.
Dee Rosadalima. 2012. Modifikasi Bentonit terpilar Al dengan Kitosan untuk Adsorpsi Ion
Logam Berat. Jurnal FMIPA UI, (6): 1-10.
Jalaluddin, Toni. 2005. Pemanfaatan Kaolin sebagai Bahan Baku Pembuatan Aluminium
Sulfat dengan Metode Adsorpsi. Jurnal Sistem Teknik Industri, 6(5) : 71-74.
Kumar, Li and Brown, H., Faghigian. 2007. Modification of Clinoptilolite by Surfactants for
Molibate Adsorption from Aqous Sollution. Journal of Science, 3(14): 239-245.
Lawrance H. Van Vlanck. 1992. Element of Materials Science and Engineering. University of Michigan : 4th Edition.
Lestari, Novia. 2014. Modifikasi Kaolin dengan Surfaktan dan Polifosfat sebagai Adsorben
Logam Pb2+ dalam Limbah Cair. Tugas Akhir Teknik Kimia. Politeknik Negeri
Lhokseumawe
McCabe, dkk. 1999. Operasi Teknik Kimia Terjemahan. Jilid 2 Edisi Keempat.
Montgomery. 2002. Water-Treatment Principles and Design. Wiley : The University of Michigan.
Myer, R.H., dan Montgomery, D.C,2002. Response Surface Methodology,Process and
Production Optimazation Using Design Experiment. John Wiley andSons, Canada
Notodarmojo. 2005. Pencemaran Tanah dan Air. Bandung : ITB Bandung.
Oramahi, 2008. Teori dan Aplikasi Response Surface Methodology (RSM) dan Analisis Data
dengan SPSS dan SAS (Studi Kasus dalam Bidang Pertanian, Kehutanan dan Peternakan. Sleman Yogyakarta : Ardana Media Yogyakarta.
Ö. Yavuz, A. H. Aydin (2006), Removal of Direct Dyes from Aqueous Solution Using Various Adsorbents Polish Journal of Environmental Studies Vol. 15, No. 1 : 155-161
Radiansono. 2008. Interkalasi Oligomer Hidroksi-Kromium pada Kaolin Alam Tatak. Jurnal Kimia Indonesia, 1(8):31-36.
Roocyta, H., 2006. Pemanfaatan Zeolit Perlit untuk Bahan Katalis. Pusat Penelitian Geoteknologi LIPI : Bandung.
Wahyuni, N,(2010), Modifikasi Kaolin dengan Surfaktan Benzalkonium Klorida dan Karakteristiknya menggunakan Spektrofotometer Infrared. Jurnal Sains dan Terapan
