PENURUNAN KADAR TEMBAGA DALAM AIR LIMBAH
DENGAN PROSES EKSTRAKSI MEMBRAN CAIR
Prayitno dan M.E Budiyono
Puslitbang Teknologi Maju BATAN
ABSTRAK
PENURUNAN KADAR TEMBAGA DALAM AIR LIMBAH DENGAN PROSES EKSTRAKSI MEMBRAN CAIR. Fasa membran cair yang berupa emulsi terdiri dari kerosen sebagai pelarut, sorbitan monooleat (span-80) sebagai surfaktan, di-2 etilheksil fosfat (D2EHPA), sebagai pembawa serta asam sulfat sebagai fasa internal. Kondisi terbaik yang diperoleh untuk pembuatan membran, fasa membran terdiri dari fasa organik (O), fasa air internal (W), dengan perbandingan O/W = 1, konsentrasi sorbitan monooleat dalam fasa membran 5 %(v/v), waktu pembuatan emulsifikasi 3 menit dengan kecepatan emulsifikasi 10.000 rpm. Perbandingan volume fasa membran dan volu me fasa umpan 1 : 5. Diteliti pengaruh konsentrasi umpan dan waktu ekstraksi terhadap proses penurunan konsentrasi tembaga pada proses ekstraksi. Kondisi terbaik untuk menurunkan konsentrasi tembaga dicapai pada konsentrasi umpan 200 ppm dan waktu ekstraksi 10 menit
ABSTRACT
RECOVERY OF COPPER IN THE AQUEOUS WASTE BY USING EXTRACTION PROCESS WITH LIQUID MEMBRANE. The liquid membrane phase as emulsion consists of kerosene as the solvent, sorbitan monoleat (span-80) as surfactant, diethylhexyl phosphoric acid as the carrier, sulfuric acid as the internal phase. The optimum conditions obtained for membrane emulsion, the liquid membrane phase was consists of organic phase (O), the internal liquid phase (W) with ratio of O/W = 1, the concentration sorbitan monoo leat in the membrane phase was 5 %(v/v), the time to achieve emulsion was 3 minutes the rate of strirring for membrane 10.000 rpm. The volume ratio of emulsion and feed phase was 1 : 5. The influence of feed concentration and the extraction time on the separation extraction. The best on the separation extraction condition obtained was external phase concentration was 200 ppm and the extraction time was 10 minuts.
PENDAHULUAN
enggunaan tembaga (copper) sebagai bahan baku atau bahan campuran dalam beberapa industri seperti industri galangan kapal, cat, insektisida dan fungisida, petroleum, alat -alat listrik dan sebagainya akan menimbulkan dampak negatif yaitu adanya unsur-unsur tembaga yang ikut terbuang dalam limbah industri tersebut. Hal ini sangat potensial sekali mencemari lingkungan, baik melalui air buangan maupun melalui ventilasi udara. Tembaga yang terbuang ke sungai, pantai atau badan air disekitar industri-industri tersebut dapat mengkontaminasi mahkluk hidup di dalamnya misalnya ganggang, ikan-ikan dan tanaman air lainnya. Di perairan pantai Norwegia ditemukan 2.000 sampai 3.000 ppm Cu terakumulasi dalam tubuh kerang-kerang yang hidup di sana. Ikan-ikan dan mahkluk hidup air lainnya kemudian dimakan oleh manusia sehingga tubuh manusia teraku mulasi oleh tembaga.
Sejumlah kasus keracunan akut yang mengejutkan datang dari New Delhi, India.
Sebanyak 200-300 orang dilaporkan telah terserang keracunan akut oleh garam CuSO4, yang tersebar di
10.000 rumah sakit di seluruh India. Kemudian pengujian dilakukan terhadap 48 orang penderita dan 5 otopsi dengan menetapkan faktor umum sebagai varian antara 16 sampai 25 tahun. Faktor lain yang dijadikan petunjuk adalah jenis kelamin dimana 2/3 diantaranya laki-laki, dan jumlah atau tingkat kontaminasi Cu yang masuk bersama air minum sebesar 1-12 gr. Dari hasil pengujian yang dilakukan semua penderita menunjukkan gejala keracunan yang hampir sama yaitu : adanya rasa logam pada pernafasan penderita dan adanya rasa terbakar pada epigastrum dan muntah yang terjadi secara berulang-ulang. Pada 14 penderita lainnya terjadi diare pada hari pertama dan kedua, sementara itu pada 20 orang penderita lainnya gejala tersebut berlanjut dengan terjadinya pendarahan pada jalur gastrointestinal ( Palar, 1994 ).
Untuk itu diperlu kan suatu penanganan terhadap polutan-polutan yang mengandung tembaga sebelum dibuang ke perairan, sehingga di masa mendatang perkembangan industri-industri
yang menggunakan tembaga sudah ada sistem penanganan, agar limbah dari sisa-sisa produksi tidak lagi mencemari lingkungan.
Ekstraksi membran cair, ini merupakan suatu metode yang dapat digunakan dalam proses pemisahan, pemurnian, ekstraksi, atau proses pungut ulang (recovery) material yang diinginkan. Metode ini merupakan pengembangan dari metode eks traksi untuk pemisahan dan pemurnian logam dengan menggabungkan ekstraksi dan reekstraksi (stripping) dalam satu tahap. Di samping itu metode ini sudah banyak diterapkan dalam berbagai bidang antara lain dalam ilmu kedokteran, kimia, lingkungan, dan farmas i, sehingga perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut terhadap teknik membran emulsi cair di bidang industri khususnya untuk unit pengolah limbah industri, dalam hal ini yang akan dilakukan adalah untuk menurunkan tembaga dalam limbah cair. Untuk itu kami
mengambil judul : PENURUNAN KADAR
TEMBAGA DALAM AIR LIMBAH DENGAN PROSES EKSTRAKSI MEMBRAN CAIR.
Rumusan masalahnya supaya memberi arah dalam penelitian ini, maka dirumuskan permasalahan sebagai berikut :
1. Bagaimana kemampuan teknik membran emulsi cair dalam menurunkan konsentrasi tembaga dalam limbah cair simulasi ?
2. Dari konsentrasi umpan/limbah dan waktu ekstraksi yang diteliti manakah yang dapat menurunkan konsentrasi tembaga terbaik.
Batasan masalah untuk menyelesaikan masalah yang ada dibagi 2 tahapan :
1. Mekanisme kerja teknik membran emulsi cair. 2. Parameter yang dianalisa adalah limbah cair yang
mengandung tembaga secara simulasi ( buatan ). Dalam penelitian ini digunakan konsentrasi tembaga 100 mg/l, 200 mg/l dan 300 mg/l dan waktu ekstraksi 4 , 6, 8 ,10 dan 12 menit.
Tujuan penelitian :
Mengetahui prosentase penurunan konsentrasi tembaga yang di dapat setelah diolah dengan teknik membran emulsi cair.
Manfaat penelitian, diharapkan dapat memberikan sumbangan pemikiran dan informasi ilmiah kepada Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Maju Badan Tenaga Nuklir Nasional ( PPPTM - BATAN ), pemerintah, instansi yang berkepentingan dan masyarakat luas mengenai pengolahan limbah cair yang mengandung tembaga
secara buatan dengan proses ekstraksi membran cair.
METODE PENELITIAN
Alat dan Bahan Penelitian
Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : Motor pengaduk Ultra Turrax T - 50 buatan IKAWERK; Magnet Stirrer dari Janke and Kunkel Ika Labor Technik; Batang magnet lebar 0,5 cm & panjang 1 cm; Peralatan gelas; Stop watch; pH meter; Pipet; Beker gelas; Erlenmeyer; Corong; Labu Ukur; Spektrofotometer Serapan Atom (A A S).
Bahan : Span – 80; Aquades; Butanol ( C4 H9
OH ); D2EHPA ( C16 H35 O4 P ); Cupprum Sulfat (
CuSO4. 5 H2O ) sebagai limbah simulasi; Asam
Sulfat ( H2SO4 ) 1 M; Kerosen; Es batu.
Variable Yang Diteliti
Variasi konsentrasi limbah ( 100, 200 dan 300 ppm) dan waktu ekstraksi (4, 6, 8, 10 dan 12 menit)
Langkah - langkah penelitian
Pembentukan Membran Emulsi
Emulsi dibentuk dengan me nggunakan Span - 80 (v/v), D2EHPA 10 (v/v), H2SO4 1 M dan
kerosen, dimasukkan dalam tabung gelas dengan diameter 10 cm dan tinggi 25 cm. Kemudian diaduk dengan motor pengaduk Ultra Turrax - 50 pada kecepatan dan waktu tertentu.
Selama pengadukan suhu dijaga konstan antara 5 - 10 oC dengan menggunakan es yang diletakkan dalam bejana di luar tabung. Membran emulsi yang terbentuk diuji aksinya terhadap air dengan menambahkan aquadest dengan dan diamati apakah aquadest yang ditambahkan pada sistem membran emulsi bercampur atau tidak.
Proses Ekstraksi
Membran emulsi yang telah terbentuk dimasukkan ke dalam tabung berukuran lebar 10 cm dan tinggi 25 cm. Kemudian ditambahkan larutan umpan (FAe) tembaga hasil simulasi dengan konsentrasi sebanyak 100 ppm, 200 ppm, dan 300 ppm dengan perbandingan emulsi dan umpan sebanyak 1: 5 dan selanjutnya dilakukan pengadukan dengan kecepatan 200 rpm dan variasi waktu selama 4, 6, 8, 10 dan 12 menit. Setelah proses di atas kemudian dilakukan pemisahan menjadi dua
fase yaitu : fase membran dan fase air eksternal ( FAe ). Dari FAe inilah kita akan memgetahui sejauh mana limbah cair yang mengandung tembaga dapat diturunkan dengan teknik membran emulsi cair.
Analisa Data
Analisa data yang digunakan dalam penelitian adalah analis is of varians (Anava) dengan 2 ( dua ) pengamatan :
1. Konsentrasi umpan / limbah. 2. Waktu ekstraksi.
Dengan menggunakan metode penelitian Randomized Completely Block Design ( RCBD ), yaitu uji statistik untuk membuktikan ada atau tidak ada beda nyata karen a perlakuan dengan kosentrasi umpan / limbah dan waktu ekstraksi berbeda, untuk pengujian hipotesis menggunakan tarap uji ( 5 % ) ( Nazir, 1983 ).
Berdasarkan teori diatas dapat dikemukaan hipotesa : tembaga (copper) yang terdapat didalam larutan asam sulfat dapat dipisahkan dengan membran cair dengan menggunakan ekstraktan 10 % (v/v) yang dicampur dengan span -80 5 % (v/v)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pembuatan Membran Emulsi
Berdasarkan penelitian membran emulsi dapat dibentuk dengan menggunakan D2EHPA 10
% (v/v), span - 80 5 % (v/v), H2SO4 1 M 30 % (v/v),
dan kerosene 55 % (v/v) dengan kecepatan pengadukan 10000 rpm selama 3 menit pada temperatur 10 - 20 0C dengan waktu stabil lebih dari 8 hari.
Penggunaan D2EHPA ( Di ( 2 ethtylhexyl )
fosfat ) pada fa se organik akan mempengaruhi kestabilan membran emulsi yang terbentuk karena D2EHPA merupakan salah satu komponen
pembentuk membran, dan berdasarkan penelitian dengan penggunaan D2EHPA 10 % (v/v)
menunjukkan bahwa membran emulsi cair stabil dalam waktu lebih dari 8 hari.
Emulgator span - 80 yang memiliki HLB 4,3 merupakan emulgator lipofil yang membentuk emulsi A/M ( air dalam minyak ). Span - 80 pada sistem emulsi berfungsi sebagai penurun tegangan antarmuka, span - 80 akan mengatur dirinya dalam posisi ba gian yang lipofil dalam fase minyak dan bagian hidrofil pada fase air. Penggunaan span - 80
yang kurang akan menyebabkan pembentukan lapisan tipis monomolekuker tidak tersusun rapat sehingga membran emulsi tidak stabil. Penggunaan span - 80 5 % menunjukkan bahwa membran emulsi cair stabil selama lebih dari delapan hari. Pada keadaan ini pembentukan film pelindung fase internal cukup rapat karena jumlah molekul emulgator telah mencukupi dan pada kondisi ini pula membran akan lebih mudah untuk dipecah.
Pada fase internal digunakan H2SO4 1 M
yang berfungsi sebagai penangkap ion tembaga dari fase air eksternal ( umpan ).
Kecepatan pengadukan emulsi mempengaruhi ukuran partikel emulsi yang akan dihasilkan, jika kecepatan pengadukan rendah ukuran partikel emulsi yang sangat kecil belum terbentuk sempurna sehingga daya pisahnya rendah. Sementara jika kecepatan pengadukannya terlalu tinggi, emulsi akan pecah. Waktu pengadukan emulsi berpengaruh juga terhadap ukuran partikel dalam emulsi. Dengan bertambahnya waktu pengadukan partikel yang terbentuk semakin banyak, hal ini menyebabkan tumbukan semakin sering, dan pada akhirnya terjadi koalesen sehingga emulsi tidak stabil. Pada proses pengadukan digunakan kecepatan 10000 rpm selama 3 menit, pada keadaan ini fase air int ernal dapat terdispersi dengan baik dalam fase organik sehingga terbentuk emulsi yang stabil.
Kenaikan temperatur menyebabkan terjadinya perubahan viskositas, merubah sifat emulgator dan menaikkan benturan butir-butir tetesan. Untuk menghindari kenaikan temperatur akibat tingginya gesekan dalam tabung selama emulsifikasi dilakukan pendinginan pada luar tabung menggunakan bejana berisi es dengan temperatur dijaga konstan antara 10 - 20 0C.
Hasil Variasi Konsentrasi Umpan Dan Waktu Ekstraksi
Penggunaan variasi konsentrasi umpan dan waktu ekstraksi bertujuan untuk mengetahui konsentrasi umpan dan waktu ekstraksi yang optimal, dalam hal ini digunakan konsentrasi umpan sebanyak 100, 200 dao 300 mg/l dan variasi waktu selama 4 menit, 6 menit, 8 menit, 10 menit dan 12 menit. Berdasarkan hasil analisis dengan menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom didapatkan penurunan tembaga terlihat pada Tabel 1.
0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15
Waktu ekstraksi ( menit ) Hasil ekstraksi -20 0 20 40 60 80 0 100 200 300 400
Konsentrasi tembaga dalam limbah (mg/l) Hasil ekstraksi
Tabel 1. Data hasil penurunan tembaga ( FAe ) Konsentrasi Umpan ( mg/l ) Waktu Ekstraksi ( menit ) 100 200 300 4 17,3895 (82,60%) 5,8803 (97,06%) 72,9900 (75,67%) 6 7,0364 (92,96%) 4,0302 (97,98%) 72,0100 (75,99%) 8 4,1906 (95,90%) 3,5589 (98,22%) 68,1715 (77,27%) 10 3,8876 (96,11%) 2,4522 (98,77%) 68,0860 (77,30%) 12 18,4532 (81,55%) 6,4522 (96,77%) 80,3530 (73,22%)
Dari Tabel 1., terlihat bahwa kandungan tembaga mengalami penurunan sesuai dengan konsentrasi umpan / limbah dan waktu ekstraksi.
Dari Tabel 1., dapat dilihat bahwa teknik membran emulsi cair mempunyai kemampuan untuk menurunkan konsen trasi tembaga terbaik pada kondisi konsentrasi umpan 200 mg/l dan waktu ekstraksi 10 menit. Pada konsentrasi umpan 200 mg/l dengan variasi waktu ekstraksi terjadi penurunan rata-rata cukup kecil dibandingkan yang lainnya. Pada waktu ekstraksi 10 menit dengan variasi konsentrasi umpan terjadi penurunan konsentrasi antara 2,4522 mg/l sampai dengan 68,086 mg/l.
Pembahasan
Teknik membran emulsi cair merupakan teknik yang dapat digunakan untuk pemisahan logam dengan mengkonsentrasikan zat terlarut yang diinginkan ( tembaga ) ke fase internal membran. Fase membran mengandung zat pembawa ( carrier ) yang akan membawa ion tembaga di antara fase air.
Data di atas menunjukan adanya beda yang nyata pada penurunan logam Cu dengan adanya pengaruh variasi konsentrasi umpan/limbah dan variasi waktu ekstraksi.
Hal ini didukung dengan analisa data Anava dengan menggunakan metode penelitian Randomized Completely Block Design ( RCBD ), yaitu uji statistik untuk membuktikan ada atau tidak ada beda nyata karena perlakuan yang berbeda. Dari perhitungan diperoleh hasil bahwa F hitung (6,0720) > F tabel (3,84) , hal ini menunjukkan bahwa hipotesis HA yaitu ada perbedaan nyata
pada setiap variabel diterima. Sedangkan HO yaitu
tidak ada perbedaan nyata pada setiap variabel variasi konsentrasi umpan/limbah dan variasi waktu ekstraksi. Hasil perhitungan statistik, perbedaan nyata pada setiap variabel variasi konsentrasi umpan/limbah dan variasi waktu ekstraksi dapat terlihat lebh jelas dalam Gambar 1., dan 2., pada halaman selanjutnya. Gambar 1. dan 2.,
memperlihatkan konsentrasi tembaga dalam FAe setelah proses ekstraksi pada kondisi terbaik yaitu pada konsentrasi umpan tembaga 200 mg/l dan pada waktu ekstraksi 10 menit. Sesudah 10 menit ada kenaikan
Gambar 1. Konsentrasi tembaga dalam Fae setelah
proses ekstraksi pada konsentrasi limbah tembaga 200 mg/l.
Gambar 2. Konsentrasi tembaga dalam FAe setelah
proses ekstraksi pada waktu ekstraksi 10 menit.
Pada perbandingan volume fase emulsi dengan volume umpan sebesar 1 : 5 jumlah molekul air relatif besar. Pada konsentrasi tembaga 100 mg/l kontak antara tembaga dengan ekstraktan D2EHPA lebih rendah dibandingkan pada
konsentrasi umpan yang lain. Pada saat ekstraksi selain terbentuk kompleks antara ekstraktan dengan
tembaga, juga terjadi interaksi antara carrier dengan molekul H2O yang ada di dalam fase ar eksternal.
Pada konsentrasi umpan tembaga 100 mg/l interaksi antara carrier dengan molekul H2O tersebut lebih
besar dibandingkan yang terjadi pada konsentrasi yang lain. Dengan terbentuknya interaksi tersebut, pH fase internal semakin naik karena terjadinya osmosis molekul H2O dai fase air eksternal ke dalam
fase air interrnal. Dengan penambahan pH fase air internal tersebut menyebabkan gradien konsentrasi H+ berkurang sehingga laju transfer massa ion tembaga menjad berkurang, dan hal ini menyebabkan jumlah tembaga yang terabsorbsi menjadi berkurang. Pada konsentrasi umpan 200 mg/l diperoleh konsentrasi penurunan yang terbaik, hal ni disebabkan karena ko ntak antara tembaga dengan ekstraktan tinggi. Pada konsentrasi umpan 300 mg/l terlihat bahwa kemampuan emulsi mulai berkurang karena mulai mengalami kejenuhan sehingga konsentrasi penurunannya tidak baik.
Pada variasi waktu ekstraksi terlihat bahwa konsentrasi penurunan terbaik diperoleh pada waktu ekstraksi 10 menit. Setelah waktu ekstraksi lebih dari 10 menit daya pisah membran emulsi cair mulai berkurang. Hal ini disebabkan karena terjadinya osmosis sehingga membran emulsi pecah. Terjadinya osmosis menyebabkan membran menjadi tipis dan kemudian pecah.
Dengan data hasil penurunan tembaga dari hasl penelitian ini terlihat bahwa teknik membran emulsi cair dapat digunakan untuk meminimalkan konsentrasi tembaga dalam limbah cair simulasi. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut untuk mengolah limbah cair yang mengandung tembaga terutama limbah cair sisa-sisa produksi industri. Dengan demikian usaha mencegah atau meminimalkan terjadinya pencemaran lingkungan akibat pencemaran tembaga yang dapat merusak tatanan lingkungan dapat dilakukan dengan teknik membran emulsi cair..
Jadi pada proses penurunan tembaga di dalam limbah cair dengan teknik membran emulsi cair terjadi karena pada proses ekstraksi, tembaga yang mula-mula berada di dalam fase air eksternal terekstrak oleh ekstraktan yang berada di dalam fase organik dan selanjutnya masuk ke dalam fase air internal.
Transfer tembaga dari fase air eksternal menuju bidang antar muka fase air eksternal dengan fase membran terjadi setelah membran emu lsi cair terdispersi dalam fase air ekternal akibat pengadukan yang dilakukan. Kompleks tembaga dengan ekstraktan terjadi pada bidang antar muka fase air eksternal dengan fase membran. Kompleks
tersebut kemudian selanjutnya melewati fase membran menuju fase internal. Difusi kompleks tembaga ekstraktan melalui fase membran menuju bidang antar muka fase membran dengan fase air internal terjadi karena adanya gradien konsentrasi ion H+ antara fase air eksternal dengan fase air internal. Pada bidang antar muka fase membran dengan fase air internal terjadi dekomposisi kompleks tembaga ekstraktan dimana terjadi proses penukaran ion hidrogen pada fase air internal dengan ion tembaga. Ekstraktan menangkap ion hidrogen yang dilepaskan dari fase internal membran dan terdifusi balik ke dalam membran menuju bidang antar muka fase membran dengan fase air eksternal untuk mengekstrak tembaga kembali.
Jadi pada proses penurunan tembaga dalam limbah cair dengan teknik membran emulsi cair terjadi ekstraksi pada fase air eksternal organik dan ekstraksi pada fase organik air internal secara kontinyu. Proses ekstraksi dan ekstraksi kembali terjadi secara kontinyu dan menghasilkan pemisahan secara cepat dan membutuhkan sedikit ekstraktan pada fase organik.
KESIMPULAN
1. Membran emulsi cair optimal digunakan pada penurunan serta pengambilan tembaga dalam limbah cair pada konsentrasi umpan/limbah 200 mg/l dan pada waktu ekstraksi 10 menit dengan VE : VU = 1: 5.
2. Membran emulsi cair dapat digunakan untuk menurunkan serta mengambil tembaga dalam limbah cair.
DAFTAR PUSTAKA
1. ANONIM, “Daur ulang logam seng dengan membran emulsi cair”, Tesis, ITB.
2. CAHN, R.P., FRANKENFELD, J.W., Li, N.N., NADEN, D. and SUBRAMANIAN, K.N., “Extraction of copper by liquid membranes ”, Sep. Sci. Tech., 16, No. 4, 385, (1978).
3. DARMONO, “Logam dalam sistem biologi makhluk hidup”, UI Press, (1995).
4. DRAXLER, J. and MARR, R., “Emulsion Liquid Membranes ”, Hydrometalurgi, New York, (1986).
5. FYLES, T.M., MALIK - DIEMER, V.A., McGAVIN, C.A and WHITTFIELD, D.M.,
“Membranes Transports Systems ”, National Recearch Council of Canada, (1982).
6. HAKIM, L., 1998, “Penurunan limbah cair yang mengandung merkuri dengan teknik membran emulsi cair”, Skripsi, STTL Yogyakarta, (1998).
7. HAYWORTH, H.C and BURNS, W.A.,
“Extraction of uranium from wet process phosphoric acid by liquid membrane”, Sep. SCL, Technol, Florida, (1993).
8. MELZNER, D., TILKOWSKI, J.,
MOKERMANN, A., POPPE, W., HALWACHS, W. and SCHUGERT, K., “Selective extraction of metal by the liquid membrane technique, Hydrometalurgy”, New York, (1984).
9. NEMEH, A., PETHEGEM, A.P., “Membrane recycling in the liquid surfactant membrane process”, Ind. Eng. Chem. Res, Volume 32. No. 7, (1993).
10. PALAR, H., “Pencemaran dan toksikologi logam berat”, PT. Rhineka Cipta, Jakarta, (1994).
