STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI LOGAM KROMIUM DENGAN BIOSORBEN CANGKANG TELUR

STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI LOGAM KROMIUM DENGAN BIOSORBEN CANGKANG TELUR

SKRIPSI

OLEH:

CATHERINE HELENLEE NIM : 160405095

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2021

STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI LOGAM KROMIUM DENGAN BIOSORBEN CANGKANG TELUR

SKRIPSI

OLEH:

CATHERINE HELENLEE NIM : 160405095

SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2021

PERNYAT AAN

KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul :

STT]DI

MODEL ISOTERM

ADSORPSI

LOGAM KROMIT'M DENGAII

BIOSORBEN

CAI\GKAIYG TELUR

Dibuat untuk melengkapi sebagian persyaratan menjadi Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimiq Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini

adalah hasil karya saya kecuali kutipan-kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.

Demikian pernyataan ini dibuat, apabila di kemudian hari terbukti bahwa karya ini

bukan karya saya atau merupakan hasil jiplakan _{maka saya bersedia} menerima sanksi sesuai dengan aturan yang berlaku.

Medan,02 Agustus 2A2l

M

Catherine Helenlee

NIM. 160405095

PENGESAHAII{ SKRIPSI

Skripsi dengan judul :

STUBI MODEL ISOTERM.*DSORPSI LOGANI KROMIUM I'ENGAN BIOSORBEN CANGKANG TELUR

Dibuat unnrk rnelengkapi persyamtan menjadi Sarjana Teknik ^pada Departemen

Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Skripsi

ini

telah

diujikan pada sidang skripsi pada tanggal 12 Agustus 2AZl dan dinyatakan memmuhi spratlsah sebagi $cripsi ^pada Departsnen

T*nik ^Kimia

^Fakpltas

Teknik, Universitas Sumatera Utara.

TEK \ Septernber ?0?l KetuaDepartemen Teknik Kimia

Digitally signed by Maya Df{: cn=MtyaSarah, ou=Teknik Kimia,

r=lO

Date: 2021 .09.1 7 22:45:31 +07'00'

I

200012 Z 001 NIP, 196609?5 199103 ¹ 003 DIITTOR ^Sh,R

{

.Yr

LEMBAR

PERSETUJUAN

Tim Penguji menyetujui perbaikan skripsi :

Nama : Catherine Helenlee

NIM

^:160405095

Judul : Studi Model Isoterm Adsorpsi Logam Kromium dengan Biosorben Cangkang Telur

yang telah diperbaiki sesuai saran dari Tim Penguji.

Dosen Pembimbing I

10 September 2021 , M.Si.

NIP. 19640613 199003 2001 Dr. Ir.

Dosen u

Okta NIP. 1

s.T., M.T

1101 201504 1002

30 Agustus 2021

l0 ^September 2021 Dosen Pengnryi I

ffi

Ir S.T.. I{.T.. Ph.D NIIP. 197 _309 13 200003 2001

Dosen Penguji

J

Prof. Muhammad Turmuzi, M.S NIP . tg6tt225 1ggg03 1003

3l Agustus 2021

W-J

KATAPENGAI{TAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian _dengan judul "Studi Model Isoterm Adsorpsi Logam Kromium dengan Biosorben Cangkang Telur".

Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik pada program S-l Departemen Teknik Kimia" Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penyusunannya dapat terlaksana dengan baik berkat doa dan dukungan dari banyak pihak. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1.

^Ibu Dr. Ir. kiany, M.Si., selaku dosen pembimbing I atas kesabarannya dalam membimbing penulis pada penyrsunan dan penulisan skripsi ini.

2.

Bapak Okta Bani, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing

II

atas kesabarannya dalam membimbing penulis padapenyusunan dan penulisan skripsi ini.

3.

^Ibu

^Ir.

Emi Misran, S.T., M.T., Ph.D, selaku dosen penguji

I

^yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini.

4.

^{Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad} Turmuzi, M.S., selaku dosen penguji I yang telah memberikan saran dan masukan yang membangun dalam penulisan skripsi ini.

5.

^{Bapak Dr. Ir. Bambang Trisakti, M.Si., selaku} Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimiq Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

6.

^{Ibu Ir. Maya Sarah, S.T., M.T., Ph.D, IPM selaku Ketua} Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara.

7.

Rekan-rekan Rancangan Pabrik Winny, Jose, dan Vincent Wrjaya yang telatr memberikan dukungan dan semangat kepadapenulis dalam mengerjakan skripsi ini.

8.

Rekan-rekan Kerja Praktek

di

PT. Pupuk Iskandar Muda Vincent Wijaya, Muhammad

Dafin

Ramadhaq

dan

Muhammad Alkausar yang telah memberikan dukungan dan semangat kepadapenulis dalam mengerjakan skripsi ini.

9.

Seluruh Dosen

di

Departemen Teknik Kimi4 ^Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telatr mendidik dan membagikan ilmu kepada penulis selama perkuliahan.

10.

Seluruh Pegawai di Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas sumatera utara, Kak Sri, Kak Afifah, Kak Fitri, Bang Erik, Bang Rahmat, pak Rukiono, Pak Darsono, dan Kak Wiwi yang telah membantu penulis _{dalam hal} adminishasi selama perkuliahan.

11.

Sahat Tumpal Putra Sitorus selaku teman dekat saya yang telah menemani saya ketika dalam proses pengerjaan penulisan skripsi ini sampai selesai.

12.

Sahabat-sahabat terbaik Alvina Willy, Anabel, Chindy Yapin, Elvira Benita Panggabean, stephanie

Aprillia, vivi

sumanti, dan

cindy

yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.

13.

Rekan-rekan seperjuangan di Stambuk 2016 yangtidak bisa saya sebutkan satu per satu yang telah memberikan dukungan dan semangat kepada penulis _dalam mengerj akan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masihjauh dari sempurna. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurftuul skripsi ini. Semoga skripsi ini

memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.

Medan,02 Juli 2021 Penulis,

M

Catherine Helenlee

DEDIKASI

Skripsi Ini Saya Persembahkan Untuk:

Kedua Orangtua Tercinta Lijanto & Almarhuma Lis Suriani

Mereka adalah orang tua hebat yang telah membesarkan, mendidik, memberikan motivasi, dan mendukung dengan penuh kesabaran dan kasih sayang.

Terima kasih atas pengorbanan, nasehat, dan doa yang tiada hentinya yang telah diberikan selama ini.

Terima kasih juga kepada saudara tercinta Kevin Patrick Lee atas semangat, dukungan dan doa yang diberikan.

Semoga Tuhan yang Maha Esa selalu memberikan berkat dan memberikan rezeki kepada mereka dan memberikan balasan yang terbaik untuk mereka.

RIWAYAT HIDUP PENULIS

Nama: Catherine Helenlee NIM: 160405095

Tempat/Tanggal Lahir: Medan/10 Agustus 1998 Nama Orang Tua: Lijanto dan Almarhuma Lis Suriani Alamat Orang Tua: Komp. Cemara Hijau blok O no. 19 E-mail: catherinehelenlee@gmail.com

Asal Sekolah :

 SD Santo Yoseph Medan, 2004-2010

 SMP Methodist 2 Medan, 2010-2013

 SMA Methodist 2 Medan, 2013-2016 Pengalaman Organisasi/Kerja :

1. Koperasi Mahasiswa (Kopma) Fakultas Teknik Periode 2017-2020 sebagai Wakil Bendahara.

2. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) Fakultas Teknik USU Periode 2019-2020 sebagai Wakil Sekretaris.

3. Kerja Praktek di PT Pupuk Iskandar Muda (PIM) di Periode 02-31 Desember 2019.

STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI LOGAM KROMIUM DENGAN BIOSORBEN CANGKANG TELUR

ABSTRAK

Logam kromium adalah senyawa yang dibutuhkan oleh manusia dalam jumlah sedikit, namun logam kromium termasuk salah satu polutan berbahaya karena bersifat karsinogenik. Adsorpsi merupakan metode yang paling berguna untuk menyisihkan logam kromium dibandingkan dengan metode-metode pemisahan yang lain karena efisiensi. Salah satu adsorben yang berpotensi adalah biosorben cangkang telur.

Cangkang telur layak dijadikan adsorben karena kandungan kalsium karbonat yang tinggi. Dalam melakukan adsorpsi, mendapatkan model isoterm yang paling tepat merupakan hal penting untuk memprediksi parameter adsorpsi dan sistem adsorben.

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan model isoterm adsorpsi yang paling cocok untuk penjerapan logam kromium oleh biosorben cangkang telur dengan keakuratan yang cukup tinggi serta mendapatkan model gabungan dari model isoterm adsorpsi yang paling cocok dengan persamaan neraca massa untuk memprediksi efisiensi penyisihan. Penelitian ini dilakukan menggunakan data sekunder dengan memanfaatkan MATLAB sebagai alat bantu untuk melakukan regresi non-linier dan iterasi Newton-Raphson. Pada penelitian ini diperoleh model Sips sebagai model yang paling cocok dengan qe = 413,1 mg/g dan heterogenitas sistem sebesar 1,402. Untuk memprediksi massa adsorben : volume adsorbat minimum namun efektivitas penurunan kandungan logam ≥ 90%, diperoleh persamaan korelasi ^𝑚

𝑉 = 0,0041Co2 – 6,9114Co + 4221,8.

Kata kunci: Cangkang telur, logam kromium, MATLAB, isoterm adsorpsi, efektivitas penurunan

STUDY OF CHROMIUM ADSORPTION ISOTHERM MODEL WITH EGG SHELL BIOSORBENT

ABSTRACT

Chromium in small amount is a compound needed by humans, but chromium is one of dangerous pollutants because it is carcinogenic. Adsorption is the most useful method for removing chromium compared to other separation methods due to its efficiency. One of the potential adsorbents is egg shell biosorbent. Egg shell are suitable as adsorbents because of their high calcium carbonate content. In adsorption, getting the most appropriate isotherm model is important to predict the adsorption parameters and adsorption systems. This study aims to obtain the most suitable adsorption isotherm model for the chromium adsorption by egg shell biosorbent with a fairly high accuracy and to obtain a combined model from the most suitable adsorption isotherm model with mass balance equation to predict the removal efficiency. This research was conducted using secondary data and using MATLAB as a tool to perform non-linear regression and Newton-Raphson iteration. In this study, the Sips model was obtained as the most suitable model with qe = 413,1 mg/g and heterogeneity system 1,402. To predict the mass of adsorbent : the minimum volume of adsorbate with effectiveness of reducing metal content is ≥ 90%, the correlation equation ^𝑚

𝑉 = 0,0041Co2 – 6,9114Co + 4221,8 is obtained.

Keywords: Adsorption isotherm, chromium, egg shell, MATLAB, removal efficiency

DAFTAR ISI

Halaman

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI i

PENGESAHAN SKRIPSI ii

LEMBAR PERSETUJUAN iii

KATA PENGANTAR iv

DEDIKASI vi

RIWAYAT HIDUP PENULIS vii

ABSTRAK viii

ABSTRACT ix

DAFTAR ISI x

DAFTAR GAMBAR xii

DAFTAR TABEL xiii

DAFTAR LAMPIRAN xiv

DAFTAR SINGKATAN xv

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 LATAR BELAKANG 1

1.2 PERUMUSAN MASALAH 4

1.3 TUJUAN PENELITIAN 4

1.4 MANFAAT PENELITIAN 4

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1 LOGAM KROMIUM 6

2.2 CANGKANG TELUR 7

2.3 ADSORPSI 8

2.4 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ADSORPSI 9

2.5 ISOTERM ADSORPSI 10

2.6 MATLAB 13

2.7 KRITERIA PEMILIHAN MODEL ISOTERM ADSORPSI 14

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 16

3.1 DATA SEKUNDER 16

3.2 ALAT 16

3.3 PROSEDUR PENELITIAN 16

3.3.1 Curve Fitting 16

3.3.2 Validasi Efisiensi Penyisihan menggunakan Model

Gabungan 18

3.3.3 Prediksi Efisiensi Penyisihan menggunakan Model

Gabungan 19

3.4 FLOWCHART PENELITIAN 19

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 23

4.1 DATA SEKUNDER 23

4.2 ISOTERM ADSORPSI 24

4.2.1 Model Isoterm Langmuir 25

4.2.2 Model Isoterm Freundlich 27

4.2.3 Model Isoterm Dubinin-Radushkevich 28

4.2.4 Model Isoterm Redlich-Peterson 30

4.2.5 Model Isoterm Sips 31

4.2.6 Model Isoterm Toth 32

4.3 STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI 33

4.4 SIMULASI MODEL ISOTERM ADSORPSI 37

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 41

5.1 KESIMPULAN 41

5.2 SARAN 41

DAFTAR PUSTAKA 43

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Cangkang Telur Ayam 7

Gambar 3.1 Input Data pada MATLAB 16

Gambar 3.2 Curve Fitting Tool 17

Gambar 3.3 qe vs. Ce 17

Gambar 3.4 Input Persamaan dan Tebakan Awal 18

Gambar 3.5 Flowchart Curve Fitting 20

Gambar 3.6 Flowchart Validasi Efisiensi Penyisihan 21 Gambar 3.7 Flowchart Prediksi Efisiensi Penyisihan 22

Gambar 4.1 Model Isoterm Adsorpsi Halsey 25

Gambar 4.2 Model Isoterm Adsorpsi Langmuir 27

Gambar 4.3 Model Isoterm Adsorpsi Freundlich 28

Gambar 4.4 Model Isoterm Adsorpsi Dubinin-Radushkevich 29 Gambar 4.5 Model Isoterm Adsorpsi Redlich-Peterson 30

Gambar 4.6 Model Isoterm Adsorpsi Sips 32

Gambar 4.7 Model Isoterm Adsorpsi Toth 33

Gambar 4.8 Hasil Curve Fitting Model Isoterm Adsorpsi 34 Gambar 4.9 Mekanisme Model Isoterm Adsorpsi Sips 36 Gambar 4.10 Efektivitas Penurunan (%) vs. Volume (L); (a) Co = 100 mg/L;

(b) Co = 500 mg/L; (c) Co = 1000 mg/L 39 Gambar 4.11 Hubungan m/V (g/L) dengan Co (mg/L) 40

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Penelitian-Penelitian Terdahulu yang Terkait 3

Tabel 4.1 Data Sekunder 23

Tabel 4.2 Data Eksperimen dan Data Hasil Perhitungan Kapasitas Adsorpsi 34 Tabel 4.3 Data Parameter Model Isoterm Adsorpsi 35 Tabel 4.4 Hasil Validasi Efektivitas Penurunan Kandungan Logam 38 Tabel LA.1 Prediksi Efektivitas Penurunan pada Co = 100 mg/L LA-1 Tabel LA.2 Prediksi Efektivitas Penurunan pada Co = 500 mg/L LA-1 Tabel LA.3 Prediksi Efektivitas Penurunan pada Co = 1000 mg/L LA-1

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A DATA HASIL PENELITIAN

LA.1 DATA PREDIKSI EFEKTIVITAS PENURUNAN LA-1 LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN

LB.1 PERHITUNGAN qe LB-1

LB.2 PENURUNAN EFEKTIVITAS PENURUNAN

KANDUNGAN LOGAM MODEL GABUNGAN LB-1

LB.3 PERHITUNGAN RALAT (%) MODEL GABUNGAN LB-2

LAMPIRAN C PERHITUNGAN RUMUS MODEL GABUNGAN LC-1

DAFTAR SINGKATAN

MATLAB Matrix Laboratory D-R Dubinin-Radushkevich

R-P Redlich-Peterson

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Aktivitas manusia menjadi sumber utama masuknya logam ke dalam lingkungan perairan. Adapun aktivitas itu seperti kegiatan pertambangan, limbah rumah tangga, maupun limbah industri. Semua logam berat dapat dikatakan sebagai bahan beracun yang akan meracuni makhluk hidup, Namun demikian, sebagian dari logam berat tersebut dibutuhkan oleh makhluk hidup dalam jumlah yang sangat sedikit. Jika logam-logam yang masuk ke dalam tubuh dalam jumlah yang berlebihan, maka berubah fungsi menjadi racun. Beberapa logam berat diantaranya yaitu seng (Zn), timbal (Pb), tembaga (Cu), kadmium (Cd), dan kromium (Cr) (Khosrowshahi dan Behnajady, 2016).

Logam kromium (Cr) dan senyawanya merupakan salah satu polutan berbahaya karena bersifat karsinogenik yang dapat mengakibatkan terjadinya keracunan kronis dan dapat menyebabkan kematian. Limbah logam berat susah terbiodegradasi dan jika terakumulasi akan sangat mengancam ekosistem (Nuraini, dkk., 2017). Menurut Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor 51/MENLH/10 Tahun 1995 Tentang Baku Mutu Limbah Cair bagi Kegiatan Industri, batas maksimal kromium yang dibuang ke lingkungan yaitu sebesar 2 mg/L

Saat ini, pemisahan logam berat dari limbah industri sangat diperlukan dalam konteks kepentingan ekologi global. Limbah logam dapat dipisahkan dengan metode pengendapan kimia, pertukaran ion, pemisahan membran, evaporasi maupun adsorpsi.

Adsorpsi dengan menggunakan biomassa merupakan metode alternatif konvensional yang layak digunakan secara ekonomi karena membutuhan biaya yang rendah (Pavlovic dkk., 2017). Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Chojnacka (2005) ditemukan bahwa cangkang telur dapat menghasilkan karbon untuk menjerap ion Cr(III) dengan kapasitas adsorpsi yang relatif besar dibandingkan dengan biosorben lain.

Cangkang telur merupakan salah satu limbah yang belum dimanfaatkan secara maksimal. Selama ini limbah cangkang telur hanya dimanfaatkan sebagai pakan unggas, pupuk organik, dan beberapa industri kecil memanfaatkan limbah cangkang

telur sebagai bahan baku kerajinan tangan. Cangkang telur mengandung kalsium karbonat yang tinggi sehingga dapat dimanfaatkan sebagai zat penjerap yang baik.

Biosorben yang berasal dari cangkang telur ini dapat digunakan untuk mengolah limbah hasil industri (Maslahat dkk., 2015).

Isoterm adsorpsi menjelaskan cara interaksi antara adsorbat dan adsorben. Oleh karena itu, dalam proses adsorpsi isoterm adsorpsi dianggap sebagai faktor utama dalam menentukan kapasitas adsorben dan pengoptimalan konsumsi adsorben. Di dalam kondisi ini, distribusi zat terlarut (solute) antara larutan dan permukaan adsorben dinyatakan sebagai fungsi Ce dan qe pada temperatur konstan yang dinamakan kesetimbangan adsorpsi (Khosrowshahi dan Behnajady, 2016). Ada beberapa model isoterm adsorpsi seperti model Henry, Freundlich, Langmuir, Dubinin-Radushkevich, Redlich-Peterson, Sips, dan Toth (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020). Penelitian-penelitian terkait untuk menjerap limbah logam ditunjukkan pada Tabel 1.1.

Beberapa publikasi mempelajari dan membandingkan performa metode regresi liner dan non-linier dari isoterm adsorpsi. Konsensus umum yang diperoleh yaitu metode regresi non-linier memberikan hasil yang lebih cocok dan dapat digunakan untuk model yang berbeda-beda dengan variabel bebas yang sama sehingga dapat dilihat perbedaan langsung dalam mencari model isoterm adsorpsi yang paling cocok (Osmari dkk., 2013). Penyelesaian model isoterm adsorpsi dapat diselesaikan dengan metode pencocokan data (fitting) menggunakan program MATLAB tanpa menggunakan metode linierisasi (Utami dkk., 2013). Model isoterm yang paling cocok dapat digabungkan dengan persamaan neraca massa dalam memprediksi efektivitas penurunan kandungan logam. Model gabungan ini dapat diselesaikan dengan menggunakan metode analisis numerik Newton-Raphson (Wahyuni dan Elisawati, 2019).

Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan curve fitting pada data kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (qe) dengan konsentrasi larutan pada saat kesetimbangan (Ce) sehingga diperoleh model isoterm adsorpsi yang paling cocok antara model Henry, Freundlich, Langmuir, Dubinin-Radushkevich, Redlich- Peterson, Sips, dan Toth dalam menjerap logam kromium oleh adsorben cangkang telur. Model isoterm yang paling cocok dapat digabungkan dengan persamaan neraca

massa sehingga dapat memprediksi efektivitas penurunan kandungan logam dengan menggunakan program MATLAB.

Tabel 1.1 Penelitian-Penelitian Terdahulu yang Terkait dalam Menjerap Limbah Logam

Judul Penelitian

dan Peneliti Prekursor Adsorbat Model yang Cocok Palm oil fruit shells as biosorbent for

copper removal from water and wastewater: Experiments and sorption models

(Hossain dkk., 2012)

Cangkang

kelapa sawit Tembaga Redlich- Peterson

Utilization of renewable durian peels for biosorption of zinc from wastewater

(Ngabura dkk., 2018)

Kulit durian Seng Toth

Biosorption of Cu(II) from water by banana peel based biosorbent:

experiments and models of adsorption and desorption

(Hossain dkk., 2012)

Kulit pisang Tembaga Langmuir

Heavy Metal Removal in Aqueous Environments Using Bark as a Biosorbent

(Sen dkk., 2015)

Kulit kayu Kadmium Freundlich

Chromium (VI) adsorption from aqueous solution by prepared biochar from Onopordom Heteracanthom (Khosrowshahi dan Behnajady, 2016)

Bunga

Rosetta Kromium Sips Equilibrium sorption isotherm studies

of Cd(II), Pb(II) and Zn(II) ions detoxification from waste water using unmodified and EDTA-modified maize husk

(Igwe dan Abia, 2007)

Sekam Jagung

Kadmium, Timbal, dan Seng

Dubinin- Radushkevich

1.2 PERUMUSAN MASALAH

Bagaimanakah mendapatkan model isoterm adsorpsi yang paling cocok dengan membandingkan model-model isoterm adsorpsi menggunakan metode regresi non- linier sehingga dapat diestimasi rasio massa adsorben cangkang telur : volume adsorbat (g/L) dalam menjerap logam kromium.

1.3 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan model isoterm yang paling cocok dalam menjerap logam kromium dengan adsorben cangkang telur ayam dan mendapatkan model gabungan dari model isoterm adsorpsi yang paling cocok menggunakan persamaan neraca massa untuk memprediksi efektivitas penurunan kandungan logam.

1.4 MANFAAT PENELITIAN

Penelitian ini bermanfaat untuk memberikan informasi kemampuan adsorpsi dan jenis permukaan adsorben yang diperoleh dari model isoterm adsorpsi serta informasi rasio massa adsorben : volume adsorbat (m:V) minimum yang memberikan efektivitas penurunan kandungan logam ≥ 90%.

1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN

Penelitian akan dilakukan dengan menggunakan data sekunder dari penelitian Rajendran dan Mansiya (2011) mengenai adsorpsi logam kromium menggunakan limbah cangkang telur.

1. Variabel Tetap

- Prekusor : Cangkang telur

- Massa adsorben (m) : 0,25 gram - Volume adsorben (V) : 0,02 L

2. Variabel Bebas - Validasi

Konsentrasi adsorbat awal (Co) : 1450,0; 2797,9; 5616,4; 9710,0;

11048,9; 13499,7; dan 24507 mg/L - Prediksi

Konsentrasi adsorbat awal (Co) : 100, 500, dan 1000 mg/L

3. Analisa yang dilakukan dalam penelitian ini adalah:

- Koefisien determinasi (R²)

Koefisien yang digunakan untuk melihat kesesuaian data percobaan model dengan data perhitungannya.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 LOGAM KROMIUM

Beberapa dekade terakhir, dengan perkembangan industrialisasi yang berkelanjutan, masalah kontaminasi air yang disebabkan oleh ion logam berat menjadi semakin serius. Dalam aliran limbah cair terdapat kontaminan logam berat dari banyak industri, seperti fasilitas pelapisan logam dan operasi penambangan. Terutama karena tingginya toksisitas, karsinogenik, dan ion non-degradasi dari logam berat tersebut, kontaminasi logam berat tidak hanya akan merusak lingkungan ekologi, tetapi juga menyebabkan berbagai penyakit karena mereka dapat menumpuk di tubuh manusia melalui rantai makanan (Zhang dkk., 2019).

Banyak upaya telah dilakukan untuk menghilangkan ion logam dari air limbah.

Koagulasi/flotasi, sedimentasi, filtrasi, proses membran, pertukaran ion, secara biologis, dan metode elektrokimia merupakan metode yang dilakukan saat ini dalam pengolahan air limbah. Namun, sebagian besar metode ini membutuhkan biaya yang besar sehingga dibutuhkan cara yang lebih ekonomis untuk mengatasi air limbah ini secara efektif. Adsorpsi dengan karbon aktif telah banyak digunakan untuk menghilangkan logam beracun (Kang dkk., 2015).

Kromium atau logam Cr sering digunakan dalam industri karena struktur kristalin yang kuat, tahan korosi, dan berwarna kuning. Logam Cr merupakan bahan yang penting pada industri lapis listrik, penyamakan kulit, cat dan pigmen, pelapis kromat maupun pelapis logam (Gupta dan Babu, 2009). Kontaminan ini dapat menyebabkan iritasi pada kulit, kanker paru-paru, kerusakan ginjal, kerusakan hati serta kerusakan pada lambung (Khosrowshahi dan Behnajady, 2016).

Beberapa cara telah dilakukan untuk menghilangkan kromium dari air limbah seperti pemisahan dengan membran (Bhowal dkk., 2012), ekstraksi dengan solven (Venkateswaran dan Palanivelu, 2004), reverse osmosis (Chun dkk. 2004), dan lain- lain. Namun metode tersebut mahal dan mempunyai kekurangan seperti reagen yang digunakan banyak dan energi yang digunakan besar sehingga membutuhkan biaya yang besar (Gupta dan Babu, 2009). Karena itulah adsorpsi dapat digunakan sebagai

alternatif dalam menghilangkan logam secara efektif karena penggunaan zat kimia yang lebih sedikit dan biaya yang lebih rendah (Khosrowshahi dan Behnajady, 2016).

2.2 CANGKANG TELUR

Cangkang telur mewakili 11% dari total bobot telur dan tersusun oleh kalsium karbonat (94%), material organik (4%), kalsium fosfat (1%), dan magnesium karbonat (1%). Struktur cangkang telur terdiri dari tiga lapisan yaitu lapisan kutikula, lapisan spons, dan lapisan mammilary. Lapisan kutikula merupakan permukaan paling luar yang mengandung sejumlah protein. Lapisan spons dan mammilary membentuk matriks yang terbentuk dari serat-serat protein yang berikatan dengan kalsium karbonat (Mittal dkk., 2016)

Gambar 2.1 Cangkang Telur Ayam

Cangkang telur mempunyai struktur pori dan memiliki struktur yang teratur.

Cangkang telur juga mengandung asam protein mukopolisakarida yang dapat dikembangkan menjadi adsorben. Gugus penting yang ada dalam asam protein mukopolisakarida adalah karboksil, amina dan sulfat yang dapat mengikat ion logam (Maslahat dkk., 2015). Cangkang telur ayam memiliki 10.000-20.000 pori-pori sehingga diperkirakan dapat menyerap solut dan dapat digunakan sebagai adsorben.

Kandungan terbesar cangkang telur yaitu kalsium karbonat (CaCO3), dimana kalsium karbonat ini termasuk ke dalam adsorben polar (Hajar dkk., 2018). Salah satu keuntungan menggunakan cangkang telur ayam sebagai adsorben (biomaterial) adalah mudah diregenerasi. Regenerasi dapat dilakukan dengan desorpsi sehingga dapat

dilakukan recovery logam-logam yang telah disisihkan dan adanya reuse adsorben (Silalahi, 2018).

2.3 ADSORPSI

Adsorpsi adalah peristiwa yang muncul ketika suatu substansi dalam fase gas atau cair terakumulasi pada permukaan material padatan (adsorben) membentuk lapiran molekular atau atomik (adsorbat). Diantara metode koagulasi, flokulasi, reverse osmosis, dan ozonisasi, adsorpsi merupakan salah satu metode pengolahan air konvensional yang terbaik. Adsorpsi merupakan metode yang lebih unggul dari metode lain dari segi biaya awal, kesederhanaan desain, penggunaan operasi dan ketidakpekaan terhadap zat beracun (Sanada dkk., 2014).

Mekanisme adsorpsi adalah sebagai berikut, adsorbat berdifusi ke permukaan luar adsorben (difusi eksternal), sebagian besar adsorbat tersebut berdifusi lebih lanjut ke dalam pori-pori adsorben (difusi internal), dimana sebagian lainnya hanya terikat pada permukaan luar, apabila adsorben telah mencapai kondisi jenuh atau mendekati jenuh, dapat terjadi dua kemungkinan yaitu terbentuk lapisan adsorpsi kedua dan seterusnya (multilayer) atau tidak terbentuk multilayer, sehingga adsorbat yang belum teradsorpsi akan berdifusi keluar pori dan kembali ke cairan yang membawanya (Sanada dkk., 2014).

Menurut Jasinda (2013), proses adsorpsi terjadi pada permukaan pori-pori dalam adsorben, sehingga untuk bisa teradsorpsi, logam dalam cairan mengalami proses- proses sebagai berikut:

1. Perpindahan massa logam dari cairan ke permukaan adsorben.

2. Difusi dari permukaan adsorben ke dalam adsorben melalui pori.

3. Perpindahan massa logam dari cairan dalam pori ke dinding pori adsorben.

4. Adsorbsi logam pada dinding pori adsorben.

Kebanyakan zat pengadsorpsi atau adsorben adalah bahan-bahan yang sangat berpori, dan adsorpsi berlangsung terutama pada dinding-dinding pori atau pada daerah tertentu di dalam partikel itu. Karena pori-pori adsorben biasanya sangat kecil, maka luas permukaan dalamnya menjadi beberapa kali lebih besar dari permukaan luar (Maslahat dkk., 2015). Adsorben yang telah jenuh dapat diregenerasi agar dapat

digunakan kembali untuk proses adsorpsi (Silalahi, 2018). Syarat-syarat adsorben menurut Silalahi (2018) yaitu:

1. Mempunyai daya jerap yang tinggi

2. Berupa zat padat yang mempunyai luas permukaan yang besar 3. Tidak boleh larut dalam zat yang akan diadsorpsi

4. Tidak boleh mengadakan reaksi kimia dengan campuran yang akan dimurnikan 5. Dapat diregenerasi kembali dengan mudah

6. Tidak beracun

7. Tidak meninggalkan residu berupa gas yang berbau 8. Mudah didapat dan harganya murah.

2.4 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI ADSORPSI

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi proses adsorpsi menurut Khuluk (2016) yaitu sebagai berikut:

1. Sifat Adsorben

Selain komposisi, struktur pori juga merupakan faktor yang penting. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan internal. Pembentukan luas permukaan yang berukuran mikro atau meso sebanyak mungkin, dimana semakin kecil dan banyaknya pori-pori dari karbon aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar karena jumlah molekul adsorbat yang dijerap oleh adsorben akan meningkat dengan bertambahnya luas permukaan dan volume pori dari adsorben.

2. Ukuran Partikel

Ukuran partikel dapat mempengaruhi proses adsorpsi, semakin kecil ukuran partikel akan semakin cepat proses adsorpsi. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi digunakan karbon aktif yang telah dihaluskan dengan ukuran mikro atau meso. Salah satu cara yang digunakan untuk memperkecil ukuran partikel dari suatu adsorben adalah dengan cara penggerusan secara perlahan dan dilakukan pemisahan partikel sesuai dengan ukuran yang diinginkan.

3. Sifat Adsorbat

Adsorpsi akan semakin besar jika molekul adsorbat lebih kecil dari pori adsorben. Karbon aktif mampu menyerap molekul lain yang mempunyai ukuran lebih

kecil atau sama dengan diameter pori adsorben. Proses adsorpsi oleh karbon aktif terjadi karena terjebaknya molekul adsorbat dalam rongga karbon aktif.

4. Temperatur

Dalam pemakaian karbon aktif, dianjurkan untuk menyelidiki temperatur pada saat berlangsungnya proses. Karena tidak ada peraturan umum yang bisa diberikan mengenai temperatur yang digunakan dalam adsorpsi. Faktor yang mempengaruhi temperatur proses adsoprsi adalah viskositas dan stabilitas termal senyawa serapan.

Jika pemanasan tidak mempengaruhi sifat-sifat senyawa serapan, seperti terjadi perubahan warna maupun dekomposisi, maka perlakuan dilakukan pada titik didihnya.

Untuk senyawa yang mudah menguap, adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih kecil.

5. pH (Derajat Keasaman)

Untuk asam-asam organik adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila pH asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.

6. Waktu Kontak

Bila karbon aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah karbon aktif yang digunakan. Selisihnya ditentukan oleh dosis karbon aktif. Untuk larutan yang memiliki viskositas tinggi, dibutuhkan waktu kontak yang lebih lama.

2.5 ISOTERM ADSORPSI

Isoterm adsorpsi adalah persamaan atau kurva yang menghubungkan konsentrasi logam yang telah diadsorpsi pada fase padat dengan konsentrasi logam dalam larutan pada kesetimbangan pada suhu tertentu (Malamis dan Katsou, 2013). Adapun beberapa model isoterm adsorpsi yaitu:

1. Isoterm Henry

Model isoterm Henry merupakan isoterm yang paling sederhana diantara isoterm lainnya. Model isoterm ini cocok digunakan untuk mengadsorpsi adsorbat

dengan konsentrasi yang relatif rendah. Model isoterm Henry ditunjukkan pada persamaan berikut.

qe = KheCe (2.1)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), Khe adalah konstanta model isoterm adsorpsi Henry (L/mg), dan Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L) (Ayawei, dkk., 2017).

2. Isoterm Langmuir

Isoterm Langmuir biasanya digunakan dalam memprediksi percobaan dengan kapasitas jenuh serta menunjukkan adsorpsi monolayer karena ada interaksi yang kuat antara adsorbat dengan adsorben yang ditunjukkan dengan persamaan sebagai berikut.

q_e= (^qmax.KL.Ce

1 + K_L.C_e) (2.2)

dimana qe adalah massa adsorbat yang diadsorpsi per satuan massa adsorben pada kesetimbangan (mg/L), qmax adalah kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g), KL adalah konstanta isoterm Langmuir (L/mg), dan Ce adalah konsentrasi adsorbat di larutan pada kesetimbangan (mg/L) (Liu dkk., 2012).

3. Isoterm Freundlich

Penerapan model Freundlich tidak hanya terbatas pada formasi monolayer tetapi juga memungkinkan pada adsorpsi multilayer. Isoterm Freundlich dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

qe = KF . Ce1/n (2.3) dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), Kf adalah konstanta adsorpsi Freundlich, Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), dan 1/n adalah intensitas adsorpsi atau heterogenitas permukaan (Liu dkk., 2012).

4. Isoterm Dubinin-Radushkevich

Model ini digunakan untuk mengekspresikan mekanisme adsorpsi dengan distribusi energi Gaussian ke permukaan heterogen. Model ini cocok untuk adsorpsi multilayer yang melibatkan gaya Van der Waal dan dapat diterapkan pada proses adsorpsi fisik. Penerapan model ini biasanya digunakan untuk membedakan antara adsorpsi ion metal secara fisik maupun kimia. Isoterm Dubinin-Radushkevich ditunjukkan pada persamaan sebagai berikut.

qe = qs e^-Kε2 (2.4)

ε = RT ln[1+1/Ce] (2.5)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), qs adalah kapasitas saturasi isoterm teoritis (mg/g), K adalah konstanta energi adsorpsi (mol²/J²), ε adalah potensi adsorpsi (J/mol), R adalah konstanta gas (8,314 J/mol.K), T adalah temperatur absolut (K), dan Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L) (Al- Ghouti dan Da’ana, 2020).

5. Isoterm Redlich-Peterson

Model isoterm adsorpsi Redlich-Peterson merupakan gabungan antara model isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich dengan tiga parameter. Mekanisme adsorpsinya tidak seperti model adsorpsi monolayer yang ideal. Model adsorpsi ini juga serba guna karena dapat digunakan untuk sistem homogen maupun heterogen.

Isoterm Redlich-Peterson ditunjukkan pada persamaan berikut.

qe = ^KrCe

1+arCe^g (2.6)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), Kr adalah konstanta adsorpsi Redlich-Peterson (L/g), ar adalah konstanta adsorpsi Redlich-Peterson (1/mg), g adalah konstanta eksponen Redlich- Peterson, dan Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L) (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020).

6. Isoterm Sips

Model isoterm adsorpsi Sips merupakan kombinasi dari model isoterm Freundlich dan model isoterm Langmuir. Model isoterm Sips digunakan untuk memprediksi heterogenitas sistem adsorpsi. Isoterm Sips ditunjukkan pada persamaan berikut.

qe = ^KsCe

βs

1+asCe^βs (2.7)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), Ks adalah konstanta model isoterm adsorpsi Sips (L/g), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), as adalah konstanta isoterm Sips (L/mg), dan βs adalah eksponen model Sips.

7. Isoterm Toth

Model isoterm adsorpsi Toth adalah hasil modifikasi dari model isoterm adsorpsi Langmuir dimana model ini akan mengurangi kesalahan antara data eksperimen dengan prediksi data kesetimbangan. Model ini cocok untuk sistem adsorpsi heterogen serta cocok untuk adsorbat pada konsentrasi tinggi maupun rendah. Isoterm Toth ditunjukkan pada persamaan berikut.

qe = ^KtCe

(at+Ce)^1t

(2.8)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), Kt adalah konstanta adsorpsi Toth (L/g), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), at adalah konstanta adsorpsi Toth (L/mg), dan t adalah model eksponen Toth (mg/g).

2.6 MATLAB

MATLAB merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk pemrograman, analisis, komputasi teknis dan matematis berbasis matriks. MATLAB (Matrix Laboratory) awalnya dirilis pada tahun 1970 oleh Cleve Moler, didesain untuk menyelesaikan masalah-masalah aljabar linear. Namun, kini MATLAB telah

dikembangkan oleh MathWorks Inc. dan seiring berjalannya waktu menjadi Bahasa pemrograman yang menggabungkan proses pemrograman, komputasi, dan visualisasi.

Keunggulan lain dari MATLAB yaitu analisis dan eksplorasi data, mengembangkan algoritma, pemodelan, simulasi, visualisasi plot baik dalam bentuk 2 dimensi maupun 3 dimensi, serta mengembangkan aplikasi antar muka grafis. Oleh karena itu, MATLAB dipilih sebagai alat penelitian, pengembangan, dan analisis produk industri.

Metode curve fitting (pencocokan kurva) merupakan salah satu metode untuk mengestimasi kurva/garis yang mewakili serangkaian titik data. Kurva yang dihasilkan dapat berupa persamaan linear maupun persamaan non-linear (Rindengan dan Mananohas, 2017). Curve fitting sangat erat kaitannya dengan interpolasi dan ekstrapolasi karena hasil curve fitting dapat memprediksi nilai dari suatu data yang berada di dalam atau di luar rentang data sesuai persamaan yang dihasilkan. Curve fitting umumnya digunakan dalam aplikasi keteknikan yaitu untuk analisis kecendrungan data atau uji hipotesis terhadap data yang telah diukur maupun untuk mengukur laju perubahan suatu data (Hutama, 2012).

Metode Newton-Raphson merupakan salah satu metode yang digunakan untuk mencari hampiran akar-akar persamaan non linear. Menurut Bahauddin dan Izzati (2017), metode Newton-Raphson adalah alat numerik yang digunakan untuk menemukan nol xe dari fungsi bernilai real f(x), terdiferensialkan secara kontinyu dan turunannya tidak hilang pada x = xe. Metode ini menggunakan garis lurus sebagai hampiran fungsi pada suatu selang. Garis lurus yang digunakan pada metode ini berupa garis singgung.

2.7 KRITERIA PEMILIHAN MODEL ISOTERM ADSORPSI

Ada beberapa kriteria dalam pemilihan model isoterm adsorpsi salah satunya yaitu bahwa harus ada kesesuaian yang baik antara fungsi isoterm dan data. Untuk melihat apakah fungsi isoterm yang digunakan cocok dengan data atau tidak, fungsi ralat dapat digunakan sebagai penentunya. Salah satu fungsi ralat yang dapat digunakan adalah koefisien determinasi (R²). Koefisien determinasi (R²) mewakili varian tentang rata-rata yang berfungsi untuk menganalisis pemasangan derajat isoterm dan model kinetik dengan eksperimental data. Persamaan koefisien determinasi (R²) ditunjukkan dalam persamaan 2.9.

R² = ^{Σ(qecal-qmexp)}

2

Σ(q_ecal-q_mexp)²+Σ(q_ecal-q_mexp)² (2.9) Dimana qecal adalah konsentrasi adsorbat yang dihitung pada saat kesetimbangan (mg/g) dan qmexp adalah konsentrasi adsorbat yang diserap oleh adsorben selama percobaan pada saat kesetimbangan (mg/g).

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3. 1 DATA SEKUNDER

Data sekunder diambil dari hasil penelitian yang dilakukan oleh Rajendran dan Mansiya (2011) dengan judul “Extraction of Chromium from Tannery Effluents Using Waste Egg Shell Material as an Adsorbent”. Data yang diambil yaitu data massa adsorben (m), volume adsorbat (V), konsentrasi awal adsorbat (Co) dan data efektivitas penurunan kandungan logam (%).

3. 2 ALAT

Program MATLAB merupakan alat bantu yang digunakan pada penelitian ini. Program ini berfungsi untuk melakukan curve fitting model isoterm adsorpsi secara non-linier dan untuk memudahkan penggunaan metode Newton-Raphson.

3.3 PROSEDUR PERCOBAAN 3.3.1 Curve Fitting

1. Program MATLAB dibuka.

2. Data kapasitas adsorpsi setimbang (qe) dan konsentrasi adsorbat setimbang (Ce) dimasukkan dalam program MATLAB.

Gambar 3.1 Input Data pada MATLAB

3. Curve fitting tool dalam program MATLAB dibuka.

Gambar 3.2 Curve Fitting Tool

4. Data qe dan Ce diplotkan.

Gambar 3.3 qe vs. Ce

5. Persamaan model isoterm adsorpsi dan tebakan awal untuk setiap persamaan dimasukkan.

6. Tebakan awal dimasukkan ke kolom StartPoint.

Gambar 3.4 Input Persamaan dan Tebakan Awal

7. Fitting data dijalankan.

8. Percobaan diulangi untuk model yang berbeda.

3.3.2 Validasi Efisiensi Penyisihan menggunakan Model Gabungan 1. Program MATLAB dibuka.

2. Model gabungan dengan nilai kostanta model isoterm adsorpsi, massa adsorben (m), volume adsorbat (V), dan variabel Co dimasukkan bersamaan.

3. Tebakan awal untuk variabel Ce. 4. Toleransi ralat dimasukkan.

5. Model gabungan didiferensialkan.

6. Iterasi data metode Newton-Raphson dijalankan.

10. Percobaan diulangi untuk variasi Co.

3.3.3 Prediksi Efisiensi Penyisihan menggunakan Model Gabungan 1. Program MATLAB dibuka.

2. Model gabungan dengan nilai kostanta model isoterm adsorpsi, massa adsorben (m), volume adsorbat (V), dan variabel Co dimasukkan bersamaan.

3. Tebakan awal untuk variabel Ce. 4. Toleransi ralat dimasukkan.

5. Model gabungan didiferensialkan.

6. Iterasi data metode Newton-Raphson dijalankan.

10. Percobaan diulangi untuk variasi Co dan V.

3.4 FLOWCHART PENELITIAN

Bentuk flowchart dari prosedur penelitian yang disampaikan pada subbab 3.3 dapat dilihat pada Gambar 3.5-3.7.

Curve fitting tool pada program dibuka

Data qe dan Ce diplotkan Mulai

Program MATLAB dibuka

Persamaan model isoterm adsorpsi dan tebakan awal untuk tiap persamaan dimasukkan

Data qe dan Ce dimasukkan

Gambar 3.5 Flowchart Curve Fitting Tidak

Ya Tebakan awal dimasukkan ke kolom StartPoint

Fitting dijalankan

Apakah terjadi error?

Percobaan diulangi untuk model yang berbeda

Selesai

Gambar 3.6 Flowchart Validasi Efisiensi Penyisihan Model gabungan dengan nilai konstanta model isoterm adsorpsi,

m, V, dan variabel Co dimasukkan

Toleransi ralat dimasukkan

Iterasi data metode Newton-Raphson dijalankan

Percobaan diulangi dengan variasi Co

Selesai Mulai

Program MATLAB dibuka

Tebakan awal Ce dimasukkan

Model gabungan didiferensialkan

Gambar 3.7 Flowchart Prediksi Efisiensi Penyisihan Model gabungan dengan nilai konstanta model isoterm adsorpsi,

m, V, dan variabel Co dimasukkan

Toleransi ralat dimasukkan

Iterasi data metode Newton-Raphson dijalankan

Percobaan diulangi dengan variasi Co dan V

Selesai Mulai

Program MATLAB dibuka

Tebakan awal Ce dimasukkan

Model gabungan didiferensialkan

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 DATA SEKUNDER

Data sekunder yang digunakan diambil dari penelitian Rajendran dan Mansiya (2011) dimana biosorben yang digunakan adalah cangkang telur dan adsorbat yang digunakan adalah limbah logam kromium yang ditunjukkan pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Data Sekunder

m (g) V (L) C0 (mg/L) Ce (mg/L) Ef (%)

0,25 0,02

1450,0 1123,3 22,5

2797,9 2287,4 18,2

5616,4 4390,9 21,8

9710,0 7270,7 25,0

11048,9 8822,8 20,1

13499,7 10783,4 20,1

24507,8 20627,4 15,8

Dimana:

m = massa adsorben (g)

V = volume larutan pada percobaan (L) C0 = konsentrasi awal larutan (mg/L)

Ce = konsentrasi larutan pada kesetimbangan (mg/L) Ef = efektivitas penurunan kandungan logam (%)

Menurut Misfadhila dkk. (2018), jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (qe) dapat dicari dengan menggunakan Persamaan 4.1 yang selanjutnya hasil perhitungan kapasitas adsorpsi data dan kapasitas adsorpsi setiap model masing-masing ditunjukkan pada Tabel 4.2 dan Tabel 4.3. Efektivitas adsorpsi dapat dianalisa dengan menghitung efektivitas penurunan (Ef) yaitu kandungan logam berat awal dikurangi dengan kandungan logam berat akhir per kandungan logam berat awal dalam mg/L seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 4.2

q_e =^{𝐶0 - 𝐶}_m ^𝑒×V (4.1) Ef = ^{𝐶0 - 𝐶𝑒}

𝐶0 ×100% (4.2)

dimana:

qe = jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g)

C0 = konsentrasi awal larutan (mg/L)

Ce = konsentrasi larutan pada kesetimbangan (mg/L) m = massa adsorben (g)

V = volume larutan pada percobaan (L)

4.2 ISOTERM ADSORPSI

Penentuan model isoterm adsorpsi yang cocok pada umumnya dilakukan dengan cara membandingkan model-model isoterm adsorpsi yang ada pada sistem monolayer (Aini dan Supratikno, 2018; Hossain dkk., 2012; Ngabura dkk., 2018;

Sen dkk., 2015; Igwe dan Abia, 2007; Khosrowshahi dan Behnajady, 2016). Hal ini disebabkan pada sistem multilayer kemungkinan akan terbentuk site kosong sehingga banyaknya molekul yang terjerap sulit diprediksi sedangkan pada sistem monolayer, semua site yang ada akan ditempati sehingga lebih memungkinkan untuk memprediksi jumlah molekul yang terjerap (Ertugay dan Malkoc, 2019). Di sisi lain, adsorpsi pada sistem monolayer terjadi secara reversibel sedangkan adsorpsi pada sistem multilayer dapat terjadi secara histeresis yaitu peristiwa dimana sistem tidak dapat kembali ke keadaan semula (Seader dan Henley, 2006).

Berdasarkan beberapa penelitian dengan logam berat sebagai adsorbat dan biomassa sebagai prekursornya, Hossain dkk. (2012) memperoleh Redlich- Peterson sebagai model terbaik dan Ngabura dkk. (2018) memperoleh Toth sebagai model terbaik. Penelitian yang dilakukan oleh Hossain dkk. (2012) memperoleh Langmuir sebagai model terbaik, Sen dkk. (2015) memperoleh Freundlich sebagai model terbaik. Adapun penelitian yang dilakukan oleh Igwe dan Abia (2007) memperoleh Dubinin-Radushkevich sebagai model terbaik, serta Khosrowshahi dan Behnajady (2016) memperoleh Sips, Toth, dan Redlich-Peterson sebagai model

Oleh karena itu, digunakan beberapa model isoterm adsorpsi dengan sistem monolayer pada pembahasan ini yaitu model Langmuir, Freundlich, Dubinin- Radushkevich, Redlich-Peterson, Sips, dan Toth. Pada penelitian ini juga dilakukan percobaan pada model isoterm adsorpsi sistem multilayer yaitu model Halsey.

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.3 maka akan diperoleh grafik persamaan isoterm adsorpsi Halsey dapat dilihat pada Gambar 4.1.

ln(q_e)= [(_n¹

H) ln(K_H)] - (_n¹

H) ln (_C¹

e) (4.3)

Berdasarkan Persamaan 4.3 diketahui bahwa K_H dan n_H adalah konstanta Halsey yang diperoleh dari slope dan intercept dari grafik ln(q_e) versus ln(1/C_e).

Model Halsey biasanya cocok digunakan untuk sistem adsorpsi multilayer. Model Halsey juga cocok untuk adsorpsi pada permukaan heterogen dimana proses adsorpsi tidak terdistribusi secara seragam (Liu dan Wang, 2013).

Gambar 4.1 Model Isoterm Adsorpsi Halsey

4.2.1 Model Isoterm Langmuir

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.4 dan Persamaan 4.5 maka akan diperoleh grafik persamaan isoterm adsorpsi Langmuir seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2.

qe = qm

𝐾_𝐿.𝐶_𝑒

1+𝐾_𝐿.𝐶_𝑒 (4.4)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

ln qe (mg/g)

ln (1/C_e) (mg/L) R²= 0,9516

RL = ¹

1+𝐾_𝐿.C₀ (4.5)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), qm adalah kapasitas adsorpsi (mg/g), KL adalah konstanta adsorpsi Langmuir (L/mg), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), RL adalah faktor pembeda jenis adsorpsi saat kesetimbangan, dan C0 adalah konsentrasi larutan adsorbat awal (mg/L).

Model isoterm adsorpsi Langmuir adalah model yang menggunakan pendekatan kinetika dimana kesetimbangan terjadi jika kecepatan adsorpsi sama dengan kecepatan desorpsi. Asumsi yang digunakan oleh persamaan Langmuir yaitu sebagai berikut:

1. Adsorpsi terjadi secara kimia

2. Adsorben merupakan sistem dengan tingkat energi homogen sehingga afinitas molekul terjerap sama untuk setiap bagian

3. Adsorbat yang terjerap membentuk lapisan monolayer 4. Tidak ada interaksi antar molekul yang terjerap

5. Molekul yang terjerap pada permukaan adsorben tidak berpindah-pindah.

Parameter RL pada Persamaan 4.4 berhubungan dengan jenis adsorspi apakah adsorpsi yang terjadi tidak menguntungkan (unfavorable), menguntungkan (favorable), linier, maupun irreversible. Apabila RL > 1 maka adsorpsi yang terjadi tidak menguntungkan (unfavorable), RL = 1 maka adsorpsi terjadi secara linier, 0 <

RL < 1 maka adsorpsi yang terjadi menguntungkan (favorable), sedangkan RL = 0 maka adsorpsi terjadi secara irreversible (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020).

Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai qm sebesar 640,4 mg/g dan KL sebesar 4,68.10^-5 L/mg, maka diperoleh nilai RL = 0,466 yang menunjukkan bahwa adorpsi yang terjadi menguntungkan.

Gambar 4.2 Model Isoterm Adsorpsi Langmuir

4.2.2 Model Isoterm Freundlich

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.6 maka akan diperoleh grafik isoterm adsorpsi Freundlich seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3.

qe =KFCe¹ⁿ (4.6)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), KF adalah konstanta adsorpsi Freundlich (L^1/n.mg/g.mg^1/n), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), dan 1/n adalah intensitas adsorpsi atau heterogenitas permukaan.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R² = 0,9719

Gambar 4.3 Model Isoterm Adsorpsi Freundlich

Model isoterm adsorpsi Freundlich menggambarkan suatu proses adsorpsi yang reversibel dan tidak ideal. Penerapan model Freundlich tidak hanya terbatas pada formasi monolayer tetapi juga dimungkinkan pada adsorpsi multilayer.

Intensitas adsorpsi atau permukaan heterogenitas yang menunjukkan distribusi energi relatif dan heterogenitas adsorbat. Ketika 1/n lebih besar dari 0 (0<1/n<1) maka proses adsorpsi menguntungkan (favorable), jika 1/n lebih besar dari 1 maka proses adsorpsi tidak menguntungkan (unfavorable), apabila 1/n =1 maka proses adsorpsi irreversible (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020). Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai n sebesar 1,416 dan KF sebesar 0,2911 L^1/n.mg/g.mg^1/n. Dengan demikian diperoleh nilai 1/n = 0,7062 yang menunjukkan bahwa adsorpsi yang terjadi menguntungkan (favorable).

4.2.3 Model Isoterm Dubinin-Radushkevich

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.7 dan Persamaan 4.8 maka akan diperoleh grafik persamaan isoterm adsorpsi Dubinin-Radushkevich seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.4.

qe = qs e^-𝐾𝐷ε2 (4.7)

ε = RT ln[1+1/Ce] (4.8)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R² = 0,9516

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), qs adalah kapasitas adsorpsi teoritis (mg/g), KD adalah konstanta energi adsorpsi (mol²/J²), ε adalah potensi adsorpsi (J/mol), R adalah konstanta gas (8,314 J/mol.K), T adalah temperatur absolut (K), dan Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L).

Gambar 4.4 Model Isoterm Adsorpsi Dubinin-Radushkevich

Model isoterm adsorpsi Dubinin-Radushkevich dikembangkan untuk menjelaskan pengaruh struktur pori dari adsorben (Hu dan Zhang, 2019). Model ini digunakan untuk mengekspresikan mekanisme adsorpsi dengan distribusi ke permukaan heterogen. Model ini cocok untuk adsorpsi multilayer yang melibatkan gaya Van der Waal dan dapat diterapkan pada proses adsorpsi fisik. Penerapan model ini biasanya digunakan untuk membedakan antara adsorpsi ion metal secara fisik maupun kimia (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020). Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh KD sebesar 9,63.10³ L/mg dan qs sebesar 292,5 mg/g.

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R²= 0,9154

4.2.4 Model Isoterm Redlich-Peterson

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.9 maka akan diperoleh gambar grafik persamaan isoterm Redlich-Peterson seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5.

qe = ^{𝐾𝑅𝐶𝑒}

1+𝑎_𝑅𝐶_𝑒^g (4.9)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), KR adalah konstanta adsorpsi Redlich-Peterson (L/g), aR

adalah konstanta adsorpsi Redlich-Peterson (1/mg), g adalah konstanta eksponen Redlich-Peterson, dan Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L).

Gambar 4.5 Model Isoterm Adsorpsi Redlich-Peterson

Model isoterm adsorpsi Redlich-Peterson merupakan gabungan antara model isoterm adsorpsi Langmuir dan Freundlich dengan tiga parameter.

Mekanisme adsorpsinya tidak seperti model adsorpsi monolayer yang ideal. Model adsorpsi ini juga serba guna karena dapat digunakan untuk sistem homogen maupun heterogen (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020). Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai KR sebesar 0,02516 L/g, aR sebesar 4,84.10^-8 L/mg, dan g sebesar 1,655.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R²= 0,9766

4.2.5 Model Isoterm Sips

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.10 maka akan diperoleh grafik persamaan isoterm adsorpsi Sips seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6.

qe = ^{𝑞𝑠𝐾𝑠𝐶𝑒}

ns

1+𝐾_𝑠𝐶_𝑒^ns (4.10)

dimana qS adalah kapasitas adsorpsi maksimum Sips (mg/g), KS adalah konstanta model isoterm adsorpsi Sips (L/mg), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), ns adalah konstanta isoterm Sips

Model isoterm adsorpsi Sips merupakan kombinasi dari model isoterm Freundlich dan model isoterm Langmuir. Model isoterm Sips digunakan untuk memprediksi heterogenitas sistem adsorpsi. Apabila ns bernilai 1 atau mendekati 1 maka menunjukkan bahwa sistem homogen (Al-Ghouti dan Da’ana, 2020). Model ini cocok untuk adsorpsi lokal tanpa adanya interaksi antara adsorbat dengan adsorbat. Pada konsentrasi adsorbat yang rendah, model Sips tidak mengikuti aturan dari model isoterm adsorpsi Henry dan akan tereduksi menjadi model Freundlich sementara pada konsentrasi adsorbat yang tinggi, model Sips akan memprediksi karakteristik serapan monolayer Langmuir (Kumara dkk., 2014).

Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai KS sebesar 0,002605 L/mg, qS sebesar 413,1 mg/g, dan nS sebesar 1,402.

Gambar 4.6 Model Isoterm Adsorpsi Sips

4.2.6 Model Isoterm Toth

Berdasarkan rumus yang ditunjukkan pada Persamaan 4.11 maka akan diperoleh grafik persamaan isoterm adsorpsi Toth seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.

qe = ^KTCe

(a_T+C_e)^1t

(4.11)

dimana qe adalah jumlah adsorbat yang teradsorpsi per gram adsorben pada saat kesetimbangan (mg/g), KT adalah konstanta adsorpsi Toth (L/g), Ce adalah konsentrasi larutan adsorbat dalam adsorben pada saat kesetimbangan (mg/L), aT

adalah konstanta adsorpsi Toth (L/mg), dan t adalah model eksponen Toth (mg/g).

Model isoterm adsorpsi Toth adalah hasil modifikasi dari model isoterm adsorpsi Langmuir dimana model ini akan mengurangi kesalahan antara data eksperimen dengan prediksi data kesetimbangan. Model ini cocok untuk sistem adsorpsi heterogen serta cocok untuk adsorbat pada konsentrasi tinggi maupun rendah (Ayawei, dkk., 2017). Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai aT sebesar 1,62.10⁴, KT sebesar 111,6 L/g, dan t sebesar 1,182 mg/g.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R² = 0,9802

Gambar 4.7 Model Isoterm Adsorpsi Toth

4.3 STUDI MODEL ISOTERM ADSORPSI

Hasil curve-fitting dalam bentuk grafik dan data untuk setiap model dirangkum pada Gambar 4.8, Tabel 4.2, dan Tabel 4.3. Secara umum, analisis data adsorpsi pada konsentrasi adsorbat dengan rentang yang luas dibahas dengan menggunakan model isoterm Langmuir dan Freundlich (Wijayanti dan Kurniawati, 2019). Dari model Freundlich dapat diketahui apakah adsorpsi yang terjadi menguntungkan, ireversibel, atau tidak menguntungkan dengan cara melihat nilai 1/n. Berdasarkan curve fitting yang dilakukan, diperoleh nilai n sebesar 1,416.

Maka seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.4, diperoleh nilai 1/n sebesar 0,7062 yang menunjukkan bahwa adsorpsi yang terjadi menguntungkan.

Pada pembahasan ini juga menggunakan model Dubinin-Radushkevich, Redlich-Peterson, Sips, dan Toth yang merupakan model isoterm adsorpsi sistem monolayer. Sama halnya seperti model Langmuir dan model Freundlich, model Dubinin-Radushkevich merupakan model dengan dua parameter sedangkan Redlich-Peterson, Sips, dan Toth merupakan model dengan tiga parameter.

Berdasarkan Gambar 4.4 sampai Gambar 4.7 untuk model Dubinin-Radushkevich diperoleh nilai R² sebesar 0,9154, sedangkan untuk model Redlich-Peterson, Sips, dan Langmuir diperoleh nilai R² yang paling tinggi yaitu masing-masing sebesar 0,9766, 0,9802, dan 0,9719.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5000 10000 15000 20000 25000

qe (mg/g)

C_e (mg/L) R² = 0,9712