1 1.1 Latar Belakang
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi semakin meningkat seiring dengan perkembangan kehidupan manusia. Perkembangan tersebut diikuti dengan meningkatnya aktivitas manusia seperti aktivitas industri, pembangunan, pertambangan, maupun pertanian. Setiap kali aktivitas tersebut dilakukan, akan menghasilkan sisa buangan berupa limbah salah satunya yaitu limbah cair yang mengandung logam berat. Apabila limbah tersebut langsung dibuang ke lingkungan sekitarnya tanpa adanya penanganan (treatment) yang baik akan sangat berbahaya bagi kehidupan ekosistem.
Penanganan limbah cair yang mengandung logam berat dapat dilakukan dengan proses pemurnian (purification) dimana salah satu tahapan dalam proses tersebut adalah penghilangan ion dan zat terlarut. Kandungan ion dan zat terlarut yang dimaksud berupa ion logam berat antara lain ion Cu2+, Fe2+, dan Ni2+. Ion logam Cu2+, Fe2+, dan Ni2+ termasuk logam trace essensial yang ditemukan mencemari lingkungan khususnya air akibat penggunaan peptisida atau limbah industri besi dan baja. Logam trace essensial merupakan jenis logam yang pada jumlah tertentu dibutuhkan oleh tubuh namun pada konsentrasi tinggi akan menyebabkan efek buruk bagi lingkungan dan kehidupan manusia (Shen dkk, 2009) karena bersifat sangat toksik.
Proses penghilangan ion logam berat dalam air dapat dilakukan dengan berbagai metode antara lain ion exchange, adsorpsi, presipitasi, evaporasi, solvent
extraction, membrane flitration, reverse osmosi (Jha dkk, 2004) dan lain
sebagainya. Pemilihan metode yang digunakan untuk penghilangan logam berat perlu mempertimbangkan beberapa hal antara lain jenis limbah, konsentrasi limbah logam, pembiayaan, kemudahan proses, hasil keluaran, keterbaruan, dan dampaknya terhadap lingkungan, mengingat proses penghilangan logam berat dilakukan dalam skala industri. Oleh karena itu terus dikembangkan masing-masing metode agar dapat memenuhi kriteria tersebut. Metode penghilangan
logam berat yang diharapkan mampu memenuhi kriteria tersebut dengan sangat baik adalah metode adsorpsi. Metode adsorpsi merupakan metode yang banyak digunakan dalam penghilangan logam berat karena efisiensi, kelebihan, dan operasinya yang mudah. Metode ini menurunkan kadar logam yang terlarut dalam limbah cair dengan cara menjerap logam-logam tersebut ke dalam permukaan adsorbennya, sehingga metode ini bergantung pada kemampuan permukaan adsorben untuk menarik molekul-molekul gas, uap, atau cairan. Secara prinsip metode adsorpsi dapat digunakan untuk mengatasi pencemaran air oleh logam berat (Moreno dkk, 2010). Metode adsorpsi umumnya menggunakan adsorben berbasis nanopartikel karena jika dibandingkan dengan adsorben berukuran bulk pada volume yang sama, maka adsorben nanopartikel memiliki luas permukaan partikel yang besar sehingga memiliki kapasitas besar untuk mengadsorpsi logam. Berbagai jenis adsorben nanopartikel nonmagnetik telah berhasil dikembangkan dan terbukti mampu mengadsorpsi ion logam berat antara lain kitosan, zeolite, dan karbon aktif. Salah satu contoh penelitian yang dilakukan oleh Erdem dkk pada tahun 2004 menggunakan adsorben zeolite untuk mengadsorpsi ion logam Co2+, Cu2+, Zn2+, dan Mn2+ dalam air limbah dan diperoleh hasil bahwa penjerapan ion logam mengikuti urutan Co2+ > Cu2+ > Zn2+ > Mn2+. Hal tersebut mengindikasikan bahwa zeolite memiliki potensi besar untuk mengilangkan ion logam dalam air limbah. Namun pada kenyataanya bahan nonmagnetik ini (zeolite dan karbon aktif) tergolong mahal dan sulit untuk diproduksi (Dhermendra dan Tiwari, 2008). Oleh karena itu, diteliti adsorben nanopartikel magnetik untuk menyelesaikan permasalahan tersebut.
Adsorpsi logam berat dengan menggunakan adsorben nanopartikel magnetik selain lebih murah jika dibandingkan dengan adsorben nonmagnetik juga menjanjikan kemudahan dalam pemisahan antara logam berat (sedimen) dengan air hasil penjernihan dengan menggunakan medan magnet luar. Adsorben berbasis nanopartikel magnetik juga dapat difungsionalisasi permukaannya sehingga mampu mengikat, menyerap, dan membawa senyawa tertentu seperti zat warna, obat, dan protein. Walaupun penelitian tentang nanopartikel magnetik sebagai adsorben telah banyak diteliti akan tetapi seiring dengan perkembangan penelitian
nanopartikel magnetik maka penelitian tentang kegunaannya sebagai adsorben menjanjikan untuk lebih dikembangkan.
Pada saat proses adsorpsi dan pemisahan sedimen dengan air hasil penjernihan, sangat penting untuk memperhitungkan sifat permukaan dan sifat magnetik dari bahan nanopartikel magnetik yang digunakan. Sehingga dalam hal ini nanopartikel magnetik berbasis ferit menarik untuk diteliti karena sifat magnetik dan permukaan yang dimiliki nanopartikel ferit bervariasi sesuai dengan ukuran dan logam penyusunnya. Sifat dan karakteristik adsorben nanopartikel ferit menjanjikan untuk digunakan berulang kali melalui proses desorpsi. Beberapa penelitian seperti Hu, dkk (2007) telah melakukan pembuktian proses desorpsi nanopartikel ferit dengan memvariasikan pH. Selain pH terdapat beberapa faktor penting yang dapat mempengaruhi tingkat adsorpsi oleh adsorben nanopartikel magnetik. Faktor penting tersebut antara lain seperti karakteristik adsorben, waktu pengadukan, temperatur serta ukuran adsorben (Andreas, 2004). Oleh karena itu, perlu diteliti lebih lanjut mengenai hasil keluaran dari proses adsorbsi serta efisiensi adsorpsi yang dimiliki oleh adsorben.
Laboratorium fisika material dan instrumentasi telah meneliti pembuatan nanopartikel magnetik ferit dengan menggunakan metode kopresipitasi beberapa tahun belakangan ini. Nanopartikel ferit yang telah dihasilkan beragam antara lain Fe3O4, CoFe2O4, MgFe2O4, NiFe2O4, dan ZnFe2O4. Nanopartikel ferit tersebut berpotensi digunakan sebagai absorben untuk menghilangkan ion logam berat dalam limbah cair.
Adsorben nanopartikel magnetik Magnesium Ferrite (MgFe2O4) dipilih karena MgFe2O4 memiliki struktur kubik dengan tipe spinel inverse dan merupakan soft magnetik yang memiliki koersivitas rendah dan magnetisasi remanen rendah. Sehingga sifat magnetiknya bagus sebagai adsorben ion logam. Sifat superparamagnetik MgFe2O4 tersebut menjadikannya lebih responsif terhadap medan magnet eksternal, sehingga proses pemisahan sedimen hasil adsorpsi lebih mudah dilakukan. Selain itu dalam penelitian Hu dkk (2007) menyatakan bahwa adsorben MgFe2O4 memiliki daya jerap yang lebih besar jika dibandingkan dengan adsorben yang lainnya. Hal ini menjadi salah satu
keunggulan nanopartikel MgFe2O4 karena memiliki kapasitas besar untuk mengadsorpsi ion logam berat. Selain itu MgFe2O4 dapat diregenerasi dan digunakan lagi untuk adsorbsi (Tang dkk, 2013). Diantara beberapa kelebihan yang dimiliki oleh MgFe2O4, terdapat juga beberapa kelemahan, diantaranya sangat mudah teroksidasi dengan adanya oksigen bebas, mudah beragregasi, dan ukuran serta bentuk tidak terkontrol dengan baik. Sehingga perlu dilakukan modifikasi permukaan, tujuannya untuk menambah stabilitas kimia, dispersibilitas, biokompatibilitas, menyeragamkan bentuk dan ukuran sampel. Dalam memodifikasi permukaan dapat menggunakan bahan polimer dan bahan nonmagnetik.
Polyethylene Glycol (PEG) adalah polimer sintetik yang memiliki sifat
stabil, higroskopik (mudah menguap), dan dapat mengikat material seperti pigmen dan lainnya. Oleh sebab itu, PEG dapat digunakan untuk membungkus melapisi material tertentu yang kemudian dikenal dengan istilah enkapsulasi (Lu dkk, 2007). Nanopartikel magnetik yang dilapisi PEG akan memiliki kestabilan dan solubilitas yang baik dalam dispersi cairan, serta aglomerasi dapat dicegah.
Berdasarkan pemaparan tersebut, dalam penelitian ini akan diteliti mengenai efisiensi adsorpsi dari adsorben nanopartikel magnetik MgFe2O4. Efisiensi tersebut diteliti dengan cara melakukan variasi beberapa parameter pemurnian yaitu, waktu pengadukan untuk mengetahui pengaruh nanopartikel magnetik yang mungkin menggumpal terhadap efisiensi adsorpsi. Kemudian variasi suhu untuk mengetahui pengaruhnya terhadap efisiensi adsorpsi. Variasi konsentrasi dari adsorben juga dilakukan untuk mengetahui hubungan antara jumlah adsorben terhadap efisiensi adsorpsi. Selain itu akan dilakukan juga variasi readsorpsi (pengulangan) untuk mengetahui kenaikan dari efisiensi adsorpsi dan enkapsulasi (pelapisan) adsorben dengan PEG-4000 untuk mengetahui pengaruh enkapsulasi terhadap efisiensi adsorpsi dari adsorben.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan pada latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
a. Bagaimana pengaruh penggunaan adsorben nanopartikel magnetik MgFe2O4 terhadap efektivitas adsorpsi dan penurunan kadar ion logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ dalam limbah cair buatan?
b. Bagaimana pengaruh parameter purifikasi (suhu, konsentrasi, lama pengadukan, readsorpsi, dan pelapisan adsorben dengan PEG-4000) terhadap efektivitas adsorpsi dan penurunan kadar ion logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ dalam limbah cair buatan ?
1.3 Batasan Masalah
Pembahasan dalam penelitian ini dibatasi hanya pada :
a. pengkajian penurunan kadar ion logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ dalam limbah cair buatan di bawah pengaruh parameter purifikasi seperti suhu, konsentrasi adsorben, lama pengadukan, readsorpsi, dan pelapisan adsorben dengan PEG (konsentrasi 1:1).
b. Sampel limbah yang digunakan adalah limbah cair buatan dengan kandungan logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+.
c. Adsorben yang digunakan adalah nanopartikel MgFe2O4 yang disintesis menggunakan metode kopresipitasi dengan parameter sintesis yang merujuk pada penelitian sebelumnya.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Menghitung efektivitas dan penurunan kadar logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ dalam limbah cair buatan yang diadsorpsi menggunakan adsorben nanopartikel magnetik MgFe2O4.
b. Menganalisa pengaruh parameter purifikasi (suhu, lama pengadukan, konsentrasi adsorben, readsorpsi, dan pelapisan adsorben dengan PEG-4000)
terhadap efektivitas adsorpsi dan penurunan kadar kadar ion logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ dalam limbah cair buatan.
1.5 Manfaat Penelitian
a) Dapat memberikan informasi terkait kemampuan nanopartikel MgFe2O4 sebagai adsorben dalam menjerap dan menurunkan kadar logam Fe2+, Ni2+, dan Cu2+ yang terlarut dalam limbah cair buatan.
b) Dapat digunakan sebagai salah satu solusi alternatif untuk menanggulangi pencemaran limbah cair oleh logam berat.
c) Dapat dijadikan acuan bagi penelitian selanjutnya dalam mengembangkan nanopartikel magnetik MgFe2O4 sebagai adsorben magnetik untuk mengadsorpsi jenis ion logam berat lainnya yang belum pernah diteliti sebelumnya.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tesis ini dibagi menjadi 4 bab yaitu: pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, metode penelitian.
Bab I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai purifikasi limbah cair dengan menggunakan adsorben nanopartikel magnetik MgFe2O4 untuk menyerap logam Cu2+, Fe2+, dan Ni2+, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat, dan sistematika penulisan tesis.
Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian terdahulu mengenai metode adsorpsi, MgFe2O4, dan aplikasinya sebagai adsorben dalam mengatasi permasalahan pencemaran air oleh limbah logam berat.
Bab III menjelaskan teori dasar mengenai terminologi magnetik, ferromagnetik, superparamagnetik, metode kopresipitasi, nanopartikel magnetik MgFe2O4, teknik karakterisasi nanopartikel magnetik MgFe2O4 dengan XRD dan FTIR, adsorben nanopartikel magnetik, enkapsulasi MgFe2O4 dengan PEG, metode adsorpsi, logam berat serta perhitungan prosentase penurunan kadar logam dalam limbah cair.
Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang akan digunakan dalam penelitian, prosedur penelitian, dan teknik pengolahan data.
Bab V menjelaskan tentang hasil dan pembahasan dari hasil penelitian. Bab VI berisi tentang kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan, serta saran untuk penelitian berikutnya.
Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian, dokumentasi, dan publikasi yang disajikan dalam jurnal nasional maupun jurnal internasional.
