Pengaruh Pemanasan Terhadap Karakter dan Kemampuan Adsorpsi Serbuk Kayu Randu
Untuk Zat Warna Methyl Violet 2B
Widi Astuti
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang e-mail: widi_astuti@mail.unnes.ac.id
Hanif Abdillah
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang e-mail: cakhanif.abd@gmail.com
Dwi Maziyyah Fatin
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Semarang e-mail: dwimaziyyah@gmail.com
Abstrak
Kayu randu mengandung lignoselulosa sehingga dapat digunakan sebagai adsorben. Pemanasan dapat mendegradasi selulosa menjadi senyawa yang mudah menguap diikuti dengan terbentuknya pori dan gugus fungsi baru yang dapat meningkatkan kemampuan adsorpsinya. Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh pemanasan pada serbuk kayu randu terhadap karakter dan kapasitas adsorpsinya untuk zat warna methyl violet. Pemanasan dilakukan pada suhu 105oC dan 200oC selama 1 jam.
Adsorben yang diperoleh dianalisis pengurangan massa, keberadaan gugus fungsi serta kemampuan adsorpsinya terhadap zat warna methyl violet 2B. Pada proses adsorpsi ini, pengaruh pH larutan, konsentrasi awal larutan dan waktu adsorpsi dipelajari. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pemanasan pada 200oC dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi zat warna methyl violet 2B pada konsentrasi
dibawah 150 mg/l, sementara pada konsentrasi di atas 150 mg/l pemanasan pada suhu 105oC lebih
efektif. Kondisi optimum adsorpsi methyl violet 2B dengan serbuk kayu randu dicapai pada pH 7 sementara waktu kesetimbangan dicapai setelah 10 menit. Berdasarkan uji desorpsi menggunakan aquades diketahui bahwa adsorpsi yang terjadi merupakan kemisorpsi.
Kata Kunci: serbuk kayu randu, methyl violet, adsorpsi.
Abstract
Kapok sawdust is mainly composed of lignocellulose that enables it to act as an adsorbent. Heating process can degrade cellulose into volatile compounds followed by the formation of pores and new functional groups. It can increase the adsorption capacity. Thus, the main object of this paper is to study the effect of heating on the kapok sawdust toward the character and adsorption capacity for methyl violet dye. Heating process is carried out at a temperature of 105oC and 200oC for 1 hour. The adsorbent was
analyzed mass reduction, the presence of functional groups and the adsorption capacity for methyl violet dye. In the adsorption process, the influence of pH, initial concentration of solution and adsorption time were studied. The results show that heating at 200oC can increase methyl violet adsorption for
concentrations below 150 mg/l while at concentrations above 150 mg/l, heating at 105oC is more
effective. The optimum condition of methyl violet adsorption by kapok sawdust was reached at pH of 7 while equilibrium was reached after 10 minutes. Based on desorption test using distilled water, known that adsorption mechanism is chemisorption.
PENDAHULUAN
Perkembangan industri yang semakin pesat menyebabkan meningkatnya beban pencemaran badan air akibat pembuangan limbah yang kurang memperhatikan baku mutu lingkungan. Hal ini disebabkan oleh masih mahalnya biaya pengolahan limbah. Salah satu industri yang menghasilkan limbah cair berbahaya adalah industri batik yang banyak menggunakan pewarna sintetis seperti methyl violet 2B. Gugus bensena pada struktur molekul methyl violet menyebabkan zat warna ini sangat sulit terdegradasi. Hal ini menimbulkan beragam pengaruh terhadap manusia dan sangat merugikan karena sifatnya yang karsinogenik (Li dkk., 2010 dan Rai dkk., 2015). Dilandasi oleh sejumlah fakta tentang bahaya yang ditimbulkan oleh zat warna, beberapa metode telah dikembangkan untuk mengatasi pencemaran zat warna di perairan, diantaranya filtrasi (Guo dkk., 2016), koagulasi (Li dkk., 2016), separasi dengan membran (Yao dkk., 2016) dan adsorpsi (Mall dkk., 2006). Adsorpsi merupakan salah satu metode alternatif yang menjanjikan karena prosesnya yang relatif sederhana, murah dan dapat bekerja pada konsentrasi rendah.
Di sisi lain, Indonesia merupakan negara agraris yang kaya akan berbagai macam tumbuhan, diantaranya randu. Pada umumnya, kayu randu digunakan sebagai bahan baku dalam pembuatan mebel dan bahan bangunan sehingga meninggalkan limbah berupa potongan-potongan kayu maupun serbuk. Kayu randu tersusun atas lignin, selulosa, tannin dan protein serta gugus fungsional seperti aldehid, keton, amina, alkohol, fenol dan karboksil yang dapat berfungsi sebagai adsorben. Menurut Suyati (2008), pemanasan dapat mendegradasi selulosa menjadi senyawa yang mudah menguap dengan cepat. Proses ini akan diikuti dengan terbentuknya pori dan gugus fungsi baru yang dapat berperan pada proses adsorpsi. Penelitian ini bertujuan mempelajari pengaruh pemanasan pada serbuk kayu randu terhadap karakter dan kapasitas adsorpsinya untuk zat warna methyl violet 2B.
METODE
Bahan baku utama yang digunakan pada penelitian ini adalah limbah serbuk kayu randu yang diperoleh dari Kelurahan Sekaran, Kecamatan Gunungpati, Semarang. Zat warna methyl violet 2B dan aquades diperoleh dari CV Indrasari Semarang. Bahan kimia HCl dan NaOH diperoleh dari Merck. Struktur methyl violet 2B tersaji pada Gambar 1. Alat yang digunakan pada penelitian ini meliputi Oven merk Ecocell 55, Shaker merk Unimax 2010, Spektrofotometer UV/Vis merk Thermo Scientific serta alat-alat gelas.
Gambar 1. Struktur methyl violet 2B
Aktivasi adsorben dilakukan dengan cara mencampurkan 30 g serbuk kayu randu dengan 800 ml aquades dan diaduk selama 3 jam. Selanjutnya campuran tersebut disaring menggunakan pompa vacuum serta corong Buchner dan dikeringkan di dalam oven pada suhu 105oC dan suhu 200oC selama 1 jam. Serbuk kayu kemudian dianalisis jumlah massa yang hilang serta gugus fungsinya dan diuji kapasitas adsorpsinya untuk methyl violet 2B.
Penentuan waktu kontak optimum dipelajari dengan cara mencampurkan 2 gram adsorben dengan larutan zat warna methyl violet 2B dengan konsentrasi 50 mg/l sebanyak 100 ml. Campuran kemudian diaduk menggunakan shaker dengan kecepatan 150 rpm dengan variasi waktu pengadukan 5, 10, 15, 30, 60, 90, 120, 180 menit. Setelah waktu tercapai, campuran tersebut disaring dan diukur absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Vis. Sementara, untuk mempelajari pengaruh pH larutan, 2 gram adsorben di masukkan ke dalam labu erlenmeyer 100 ml dan ditambahkan larutan zat warna methyl violet 2B 100 ml dengan konsentrasi 50 mg/l. Selanjutnya ditambahkan HCl dan NaOH 0,1 N hingga pH yang dikendaki (pH 5, 7 dan 9). Larutan kemudian disaring dan diukur absorbansinya menggunakan Spektrofotometer UV-Vis.
N
N NH2+
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi Kayu Randu Setelah Pemanasan
Laasri, dkk (2007) menyatakan bahwa adanya kandungan selulosa mengakibatkan serbuk kayu dapat digunakan sebagai adsorben. Hal ini karena adanya situs aktif O- yang terikat pada beberapa gugus fungsi, diantaranya OH-. Menurut Suyati (2008), pemanasan dapat mendegradasi selulosa menjadi senyawa yang mudah menguap dengan cepat, berdasarkan reaksi yang tersaji pada Gambar 2. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan modifikasi struktur permukaan kayu randu melalui pemanasan pada suhu 105oC dan 200oC selama 1 jam.
Gambar 2. Reaksi Degradasi Selulosa oleh Pemanasan
Gambar 3 menunjukkan adanya pengurangan massa adsorben serbuk kayu randu setelah pemanasan. Pada suhu pemanasan yang lebih tinggi (200oC), massa adsorben menjadi lebih rendah atau dengan kata lain penurunan massa adsorben menjadi lebih tinggi (51,9%). Hal ini kemungkinan disebabkan oleh terdegradasinya sebagian selulosa. Degradasi termal selulosa ini tidak terbatas pada pemutusan rantai molekul saja, tetapi juga terjadi reaksi dehidrasi dan oksidasi. Pemanasan dalam udara menyebabkan oksidasi gugus hidroksil menghasilkan gugus karbonil yang kemudian menjadi gugus karboksil. Selanjutnya, pada suhu diatas 200oC degradasi selulosa akan berlanjut menjadi senyawa yang menguap lebih cepat (Suyati, 2008). Hal inilah yang kemungkinan menyebabkan penurunan massa adsorben pada suhu yang lebih tinggi. Hilangnya sebagian senyawa ini juga menyebabkan terbentuknya pori baru yang dapat mempermudah akses situs aktif oleh adsorbat.
Gambar 3. Pengaruh suhu pemanasan terhadap massa adsorben (massa adsorben sebelum pemanasan = 30 g)
Spektra IR serbuk kayu randu sebelum menjerap methyl violet dan setelah digunakan untuk menjerap methyl violet 2B tersaji pada Gambar 4. Data pada Gambar 4 tersebut menunjukkan adanya puncak serapan pada bilangan gelombang 3761 cm-1 yang merupakan puncak karakteristik gugus -OH, pada bilangan gelombang 1793 cm-1 yang merupakan puncak karakteristik gugus C=O serta pada bilangan gelombang 1035,30 cm-1 yang menunjukkan adanya
0 5 10 15 20 105 200 mas sa (g ) Suhu (0C)
methyl violet yang terikat pada gugus OH. Pergeseran puncak serapan juga terlihat pada bilangan gelombang dari 1793 cm-1 menjadi 1735,67 cm-1 sementara pada puncak serapan pada 1035,30 cm-1 terlihat adanya kenaikan intensitas yang cukup signifikan yang mengindikasikan adanya methyl violet 2B yang juga terjerap pada gugus C-O dan C=O. Dengan demikian hal ini memperkuat dugaan adanya situs aktif O- yang berperan terhadap adsorpsi methyl violet 2B oleh serbuk kayu randu.
Gambar 4. Kurva Spektrum FTIR serbuk kayu setelah pemanasan 200oC sebelum dan setelah digunakan untuk menjerap methyl violet 2B
Uji Kemampuan Adsorpsi Kayu Randu Setelah Pemanasan terhadap Methyl violet 2B
Perubahan pH larutan menyebabkan perubahan muatan pada adsorben dan adsorbat yang lebih lanjut akan mempengaruhi interaksi elektrostatik antara adsorben dan adsorbat. Pengaruh pH larutan terhadap jumlah methyl violet 2B yang teradsorpsi dipelajari pada variasi pH 3, 5, 7, dan 9 (Primastuti, 2012) sebagaimana terlihat pada Gambar 5. Data pada Gambar 5. menunjukkan bahwa pada pH 7, jumlah methyl violet yang teradsorpsi mencapai nilai tertinggi yaitu 98,36%. Wang et al (2013) menyatakan bahwa IEP (isoelectric point) selulosa adalah 5,22. IEP adalah suatu kondisi dimana muatan positif dan negatif jumlahnya sama, yang berarti bahwa pada pH dibawah IEP (pH 3), situs aktif cenderung terprotonasi sehingga bermuatan positif. Hal ini menyebabkan adanya gaya tolak menolak antara situs aktif dengan methyl violet 2B yang juga bermuatan positif sehingga adsorpsi sulit terjadi. Sementara pada pH 9 jumlah zat warna methyl violet 2B yang teradsorpsi mengalami penurunan kembali. Hal ini kemungkinan karena pada pH larutan yang lebih tinggi larutan zat warna methyl violet 2B cenderung membentuk senyawa kompleks. Dengan demikian, pH optimum adsorpsi methyl violet 2B pada serbuk kayu adalah pada pH 7. Kondisi ini sama dengan hasil penelitian Dahr i dkk (2013), dimana pH optimum adsorbsi methyl violet 2B oleh daun casuarina equisetfolia adalah pada pH 6,7.
Gambar 5. Pengaruh pH terhadap jumlah methyl violet 2B teradsorpsi (Konsentrasi awal = 50 mg/l, waktu = 90 menit, dosis adsorben = 2 g/100 ml larutan)
94 95 96 97 98 99 100 3 5 7 9 % ter ads or p s pH Sebelum menjerap Setelah menjerap
Pengaruh konsentrasi awal larutan terhadap jumlah zat warna methyl violet 2B yang teradsorpsi tersaji pada Gambar 6. Secara umum, data pada Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi awal larutan maka jumlah methyl violet 2B yang terjerap juga semakin besar, hingga adsorben mencapai kejenuhannya. Pada saat ini maka jumlah zat warna methyl violet yang terjerap cenderung konstan. Pada serbuk kayu randu hasil pemanasan pada suhu 200oC terlihat bahwa pada konsentrasi di atas 150 mg/l, jumlah methyl violet yang terjerap sudah konstan, sementara pada serbuk kayu randu hasil pemanasan 105oC masih menunjukkan kecenderungan meningkat. Data pada Gambar 6 juga menunjukkan bahwa kemampuan adsorpsi adsorben hasil pemanasan pada suhu 200oC relatif lebih tinggi dibandingkan dengan kemampuan adsorpsi adsorben hasil pemanasan pada suhu 105oC. Hal ini karena situs aktif pada adsorben hasil pemanasan suhu 200oC lebih mudah diakses oleh adsorbat karena strukturnya yang lebih terbuka, akibat adanya pembentukan pori baru, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Namun, pada konsentrasi tinggi, diatas 150 mg/L terlihat kemampuan adsorpsi adsorben hasil pemanasan suhu 200oC menjadi lebih rendah daripada adsorben hasil pemanasan suhu 105oC. Hal ini kemungkinan disebabkan oleh berkurangnya jumlah situs aktif pada adsorben hasil pemanasan pada suhu 200oC. Mengingat jumlah situs aktif yang lebih terbatas pada adsorben hasil pemanasan pada suhu yang lebih tinggi, maka peningkatan konsentrasi diatas 150 mg/l akan menurunkan kemampuan adsorpsinya.
Gambar 6. Pengaruh Konsentrasi awal larutan methyl violet terhadap jumlah methyl violet 2B teradsorpsi pada berbagai suhu pemanasan (pH = 7, waktu = 90 menit, dosis adsorben= 2 g/100 ml larutan)
Pengaruh waktu kontak terhadap jumlah methyl violet yang teradsorpsi tersaji pada Gambar 7. Data pada Gambar 7 menunjukkan bahwa adsorpsi berjalan sangat cepat hingga menit ke 10, dan kemudian berjalan konstan. Hal ini karena pada awal adsorpsi situs aktif masih banyak yang kosong sehingga adsorbat mudah untuk mengaksesnya (Owanah dkk, 2013). Semakin lama waktu adsorpsi, situs aktif menjadi jenuh sehingga tidak mampu lagi untuk menjerap adsorbat, atau dengan kata lain telah terjadi kesetimbangan dimana jumlah adsorbat yang teradsorpsi dan terdesorpsi. Penelitian menggunakan zat warna yang sama dengan adsorben pasir vulkanik gunung Merapi juga telah dilakukan oleh Primastuti (2012) dimana pada menit ke 10 telah terjadi kesetimbangan adsorpsi.
Gambar 7. Pengaruh waktu terhadap jumlah methyl violet 2B teradsorpsi pada serbuk kayu randu dengan pemanasan 200oC (pH = 7, konsentrasi awal = 50 mg/l, dosis adsorben= 2 g/100 ml larutan)
94 95 96 97 98 99 100 0 50 100 150 200 250 % ter ads or p si konsentrasi awal (mg/l) suhu 105 suhu 200 0 20 40 60 80 100 0 30 60 90 120 150 180 % ter ads or p si waktu (menit)
adsorpsi merupakan fisisorpsi, sedangkan jika methyl violet tidak dapat didesorpsi kembali oleh aquades maka adsorpsi merupakan kemisorpsi. Hasil adsorpsi dan desorpsi zat warna methyl violet oleh berbagai jenis adsorben tersaji pada Gambar 8. Berdasarkan Gambar 8 terlihat bahwa semakin tinggi suhu pemanasan maka jumlah methyl violet yang terjerap juga semakin besar, dimana pada pemanasan serbuk kayu pada suhu 2000C methyl violet yang terjerap sebesar 97,1%. Sedangkan jumlah methyl violet yang dapat terdesorpsi kembali oleh aquades sangat kecil, yaitu berkisar 0,34 - 0,72%. Hal ini menandakan bahwa adsorpsi yang terjadi merupakan kemisorpsi.
Gambar 8. Jumlah methyl violet yang teradsorpsi dan terdesorpsi pada berbagai jenis adsorben (pH = 7, konsentrasi awal = 50 mg/l, dosis adsorben= 2 g/100 ml larutan, A = Serbuk kayu randu tanpa pemanasan, B = Serbuk kayu randu
dengan pemanasan suhu 105oC dan C = Serbuk kayu randu pemanasan suhu 200oC)
PENUTUP Simpulan
Pemanasan pada 200oC dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi serbuk kayu randu terhadap zat warna methyl violet pada konsentrasi dibawah 150 mg/L, sementara untuk konsentrasi di atas 150 mg/l pemanasan pada 150oC lebih ssesuai. pH optimum adsorpsi methyl violet dengan serbuk kayu randu adalah pH 7, dan waktu kesetimbangan dicapai setelah 10 menit.
DAFTAR PUSTAKA
Dahri, dkk. 2013. Removal of methyl violet 2B from aqueos solution using casuarina equisetfolia needle. Department of Chemistry, Faculty of Science, Universiti Brunei Darussalam, Brunei Darussalam.
Guo, J., Zhang, Q., Cai, Z., Zhao, K. 2016. Preparation and dye filtration property of electrospun polyhydroxybutyrate-calcium alginate/carbon nanotubes composite nanofibrous filtration membrane.
Separation. 161:69-79.
Laasri, dkk. 2007. Removal of two cationic dyes from a textile effluent by filtration-adsorption on wood sawdust. Faculte des Sciences-Ain chok, BP. 5366 Maarif, Casablanca, Morocco.
Li, S. 2010. Removal of crystal violet from aqueous solution by sorption into semi interpenetrated networks hydrogels constituted of poly(acrylic acid-acrylamide-methacrylate) and amylose. Bioresource Technology. 101:2197-2202.
Li, H., Liu, S., Zhao, J., Feng, N. 2016. Removal of reactive dyes from wastewater assisted with kaolin clay by magnesium hydroxide coagulation process. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering
Aspects. 494:222-227.
Mall, I.D., Srivastava, V.C., Agarwal, N.K. 2006. Removal of orange-G and methyl violet dyes by adsorption onto bagasse fly ash - kinetic study and equilibrium isotherm analyses. Dyes and Pigments. 69:210-223.
Owamah, H.I., Izinyon, C.I and Asiagwu, A.K. 2012. Sorption model and kinetic assesment of ultramarine blue 0 20 40 60 80 100 A B C % te rad so rp si d an te rd es or p si Jenis adsorben adsorpsi desorpsi
removal using modified cassava pells biomass”. Journal Civil Environ Eng. 2:121.
Primastuti, H. 2012. Adsorpsi pewarna methyl violet menggunakan pasir vulkanik dari gunung merapi. Skripsi. Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Rai, P., Gautam, R.K., Banerjee, S., Rawat, V., Chattopadhyaya, M.C. 2015. Synthesis and characterization of a novel SnFe2O4@activated carbon magnetic nanocomposite and its effectiveness in the removal of crystal violet from aqueous solution. Journal of Environmental Chemical Engineering. 3:2281-2291.
Suyati, 2008. Pembuatan selulosa asetat dari limbah serbuk gergaji kayu dan identifikasinya. Tesis. Institut Teknologi Bandung, Bandung.
Wang et al. 2013. Preparation of cellulose-based anion exchangers and their utilization for nitrate removal.
BioResources. 8(3):3505-3517.
Yao, L, Zhang, L., Wang, R., Chou, S., Dong, Z. 2016. A new integrated approach for dye removal from wastewater by polyoxometalates functionalized membranes. Journal of Hazardous Materials. 301:462-470.
