KAJIAN PEMANFAATAN ARANG BATANG RAMBUTAN (Nephelium sp) SEBAGAI ADSORBEN
DALAM MENJERAP LOGAM TEMBAGA (Cu
2+) TERLARUT SECARA BATCH
SKRIPSI
KASAHIA MANIK 150405074
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
SEPTEMBER 2020
KAJIAN PEMANFAATAN ARANG BATANG RAMBUTAN (Nephelium sp) SEBAGAI ADSORBEN
DALAM MENJERAP LOGAM TEMBAGA (Cu
2+) TERLARUT SECARA BATCH
SKRIPSI
Oleh
KASAHIA MANIK 150405074
SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
SEPTEMBER 2020
PRAKATA
Puji dan syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Skripsi ini berjudul
“Kajian Pemanfaatan Arang Batang Rambutan (Nephelium sp) Sebagai Adsorben Dalam Menjerap Logam Tembaga (Cu2+) Terlarut Secara Batch”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik.
Selama pelaksanaan penelitian dan penulisan skripsi ini, penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Bode Haryanto, S.T., M.T., Ph.D selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan ilmu dan arahan dalam pelaksanaan penelitian serta penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Ir. Bambang Trisakti, M.T selaku Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Prof. Dr. Ir. M. Turmuzi, M.S selaku Dosen Penguji I yang turut memberikan arahan dan saran untuk kemajuan penelitian serta penyelesaian skripsi ini.
4. Ibu Ir. Erni Misran, S.T., M.T., Ph.D selaku Dosen Penguji II yang turut memberikan arahan dan saran untuk kemajuan penelitian serta penyelesaian skripsi ini.
5. Ibu Ir. Maya Sarah, ST, MT, Ph.D., IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh staf pengajar dan pegawai Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan banyak ilmu yang berharga kepada penulis.
7. Andre Kurniawan Lumban Gaol sebagai rekan penelitian yang selama ini bekerjasama dan bertukar pikiran untuk meraih gelar sarjana bersama-sama.
8. Melani Dina Fitri, Nawalul Azka dan Azhani Ririn sebagai rekan kerja praktek yang selalu memberi semangat.
Skripsi ini saya persembahkan untuk:
Kedua orang tua tercinta
Bapak Sempat Manik & Ibu Mahlina Tumangger
Terima kasih untuk pengorbanan, kepercayaan dan doa yang selalu diberikan. Terima kasih karena selalu ada
untukku.
Terima kasih juga kepada Saudara/I tercinta
Eulisa Manik, Barmike Manik, Hanudi Manik, Samios Manik, Iyani Manik, Ibreken Cibro dan
Adek Papun-Puhun atas semangat, dukungan dan doa yang diberikan
Kiranya berkat Tuhan senantiasa menyertai kita
sekarang, besok dan selamanya.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Nama: Kasahia Manik NIM: 150405074
Tempat/Tanggal Lahir: Salak, 19 September 1996
Nama Orangtua: Sempat Manik dan Mahlina Tumangger
Alamat Orangtua:
Barisen Kelurahan Salak II, Kecamatan Salak, Kabupaten Pakpak Bharat
Asal Sekolah:
SDN 030413 Salak, Tahun 2003 – 2008
SDN 033931 Salak, Tahun 2008 – 2009
SMPN 1 Salak, Tahun 2009 – 2012
SMAS Santo Thomas 1 Medan, Tahun 2012 – 2015 Pengalaman Organisasi/Kerja:
1. Pemerintahan Mahasiswa FT USU sebagai Divisi Kesekretariatan (2018-2019).
2. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU sebagai Divisi Seni dan Olahraga (2017 – 2018).
3. Gerakan Mahasiswa Kristen Indonesia sebagai Anggota (2016-2020). 4. Ikatan Mahasiswa Pakpak Silima Suak sebagai Ketua Umum (2017-2018).
5. Kerja Praktek di PT. Pertamina RU II Dumai (2018).
Artikel yang telah dipublikasikan:
TALENTA- International Conference on Science and Technology 2019 (TALENTA-ICST 2019) dengan judul “Adsorbing on Dissolved Copper Metal by Charcoal Rambutan Rods”
KAJIAN PEMANFAATAN ARANG BATANG RAMBUTAN (Nephelium sp) SEBAGAI ADSORBEN DALAM MENJERAP
LOGAM TEMBAGA (Cu
2+) TERLARUT SECARA BATCH
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk untuk menganalisis kemampuan adsorpsi arang batang rambutan dalam menjerap ion logam tembaga (Cu2+) pada larutan dengan pH 4,5 dengan variasi ukuran adsorben, dan konsentrasi ion logam Cu2+ serta mengetahui kinetika adsorpsi arang batang rambutan. Pengukuran potensi kapasitas adsorpsi dilakukan dengan batch adsorption system. Variasi ukuran arang batang rambutan yang digunakan yaitu cut off 50/70, 70/100 dan 100/200 mesh. Sedangkan variasi konsentrasi awal yaitu 30, 50 dan 70 ppm. Bahan baku yang digunakan sebagai adsorben adalah arang batang rambutan. Arang batang rambutan dihaluskan dengan ball mill dan diayak dengan menggunakan ayakan 50/70, 70/100 dan 100/200 mesh.
Hasil cut off dari ayakan ini dicuci hingga pH air pencuci konstan dan dikeringkan dalam oven pada suhu 60 °C hingga berat konstan. Waktu kontak optimum yang dibutuhkan adsorben untuk menjerap ion logam Cu2+ adalah 120 menit. Interaksi di permukaan arang rambutan dengan ion logam dilengkapi dengan menggunakan analisis FTIR dan SEM-EDX. Model kinetika digunakan untuk mengidentifikasi jenis interaksi yang terjadi, diperoleh hasil dimana adsorpsi terjadi secara kimia.
Model kinetika difusi cenderung menunjukkan difusi sampai ke inter-partikel adsorben. Persamaan isoterm Freundlich mewakili penjerapan ion logam Cu2+.
Persentase penyisihan logam terbaik diperoleh sebesar 43,84% yaitu pada ukuran 100/200 mesh pada konsentrasi 70 ppm. Pada variasi ukuran diperoleh ukuran 100/200 mesh menjerap lebih tinggi. Pada variasi konsentrasi diperoleh kapasitas adsorpsi lebih tinggi pada konsentrasi 70 ppm.
Kata kunci : adsorpsi, interaksi kimia, ion logam tembaga (Cu2+), isoterm freundlich, waktu kontak optimum
STUDY UTILIZATION CARBON CHARCOAL RAMBUTAN (Nephelium sp) AS ADSORBENT TO REMOVE DISSOLVED
COPPER (Cu
2+)BY BATCH
ABSTRACT
This study aims to analyze the adsorption ability of rambutan charcoal in absorbing copper metal ions (Cu2+) in a solution with a pH of 4,5 with variations in the size of the adsorbent and the concentration of Cu2+ metal ions and to determine the adsorption kinetics of rambutan charcoal. The measurement of the adsorption capacity potential was carried out by a batch adsorption system. Variations in the size of the rambutan stem charcoal used are cut off 50/70, 70/100 and 100/200 mesh.
While variations in initial concentrations are 30, 50 and 70 ppm. The raw material used as an adsorbent is rambutan charcoal. The rambutan charcoal is mashed with a ball mill and sieved using a 50/70, 70/100 and 100/200 mesh sieve. The cut off result of this sieve is washed to a constant pH and dried in an oven at 60 °C to constant weight. The optimum contact time required for the adsorbent to adsorb Cu2+ metal ions is 120 minutes. The interaction on the rambutan charcoal surface with metal ions was completed using FTIR and SEM-EDX analysis. The kinetic model is used to identify the type of interaction that occurs, the result is that the adsorption occurs chemically. Diffusion kinetics models tend to show diffusion down to the inter- particle adsorbent. The Freundlich isotherm equation represents the entrapment of Cu2+ metal ions. The best percentage of metal removal was obtained at 43.84%, namely at the size of 100/200 mesh at a concentration of 70 ppm. In the size variation, it is found that the 100/200 mesh size absorbs higher. At various concentrations, the adsorption capacity is higher at a concentration of 70 ppm.
Keywords: adsorption, chemical interaction, copper metal ion (Cu2+), isotherm freundlich, optimum contact time
DAFTAR ISI
Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI
PENGESAHAN SKRIPSI PRAKATA
DEDIKASI
RIWAYAT HIDUP PENULIS ABSTRAK
ABSTRACT DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR SINGKATAN DAFTAR SIMBOL BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG 1.2 RUMUSAN MASALAH 1.3 TUJUAN PENELITIAN 1.4 MANFAAT PENELITIAN
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 RAMBUTAN 2.2 ARANG
2.3 LOGAM BERAT
2.4 POLUTAN LOGAM BERAT
2.5 TEKNOLOGI PENYERAPAN LOGAM BERAT 2.6 ADSORPSI
2.6.1 Mekanisme Adsorpsi
2.6.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi
i ii iv vi vii viii ix x xiii xv xvi xvii xviii 1 1 4 4 4 4 6 6 7 7 8 8 9 10 10
2.7 KAPASITAS ADSORPSI
2.8 KESETIMBANGAN ISOTERMAL ADSORPSI 2.9 KINETIKA ADSORPSI
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 LOKASI PENELITIAN 3.2 BAHAN DAN PERALATAN
3.2.1 Bahan Penelitian 3.2.2 Peralatan Penelitian 3.3 PROSEDUR PENELITIAN
3.3.1 Prosedur Preparasi Arang Rambutan (Pembuatan Adsorben)
3.3.2 Prosedur Pembuatan Larutan
3.3.2.1 Pembuatan Larutan HCL 0,1 M (1 L) 3.3.2.2 Pembuatan Larutan NaOH 0,1 M (1 L) 3.3.2.3 Pembuatan Larutan Pelarut dengan pH 4,5 3.3.2.4 Pembuatan Larutan Induk 1000 ppm 3.3.2.5 Pembuatan Larutan Cu2+ 30 ppm 3.3.2.6 Pembuatan Larutan Cu2+ 50 ppm 3.3.2.7 Pembuatan Larutan Cu2+ 70 ppm 3.3.3 Prosedur Adsorpsi ion logam Cu2+
3.3.3.1Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
3.3.3.2Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Cu2+ Terhadap Kemampuan Adsorpsi
3.3.3.3Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan Terhadap Ion Logam Cu+2
3.4 FLOWCHART PENELITIAN
3.4.1 Flowchart Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
3.4.2 Flowchart Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Cu2+
Terhadap Kemampuan Adsorpsi
3.4.3 Flowchart Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan 12 14 15 17 17 17 17 17 18
18 18 18 19 19 19 19 19 20 20
20
20
21 22
22
23
Terhadap Ion Logam Cu2+
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 PERLAKUAN AWAL PADA ADSORBEN ARANG KAYU RAMBUTAN
4.2 PENENTUAN WAKTU KONTAK OPTIMUM DAN KINETIKA ADSORPSI
4.3 PENENTUAN DIFUSI PORI
4.4 PENGARUH VARIASI UKURAN ADSORBEN
TERHADAP PENJERAPAN LOGAM CU2+ TERLARUT 4.5 PENGARUH VARIASI KONSENTRASI LOGAM CU2+
TERLARUT TERHADAP KEMAMPUAN ADSORPSI
4.6 PENENTUAN ISOTERM ADSORPSI DARI
PENJERAPAN ION LOGAM CU2+
4.7 PENGUJIAN ADSORBEN ARANG BATANG
RAMBUTAN DENGAN MENGGUNAKAN SEM-EDX BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN 5.2 SARAN
DAFTAR PUSTAKA
24 25
25
26 31
32
33
34
35 37 37 37 38
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1
Gambar 3.1
Gambar 3.2
Gambar 3.3
Gambar 4.1
Gambar 4.2 Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Rambutan (Nephelium sp)
Flowchart Mengukur Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Flowchart Mengukur Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Flowchart Mengukur Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan Terhadap Ion Logam Cu2+
Tahap Pencucian Adsorben Arang kayu rambutan Hingga pH tidak berubah lagi
Tahap Pengeringan Adsorben Arang kayu rambutan
Persentase Penyisihan Logam Cu2+ dengan Konsentrasi Ion Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 mesh
Pemodelan Pseudo Orde Satu pada Konsentrasi Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 Mesh
Pemodelan Pseudo Orde Dua pada Konsentrasi Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 Mesh Hasil Analisis FTIR a) Arang Kayu Rambutan Sebelum Adsorpsi, b) Arang Kayu Rambutan Setelah Adsorpsi Pemodelan Kinetika Difusi Internal pada Konsentrasi Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 Mesh Pemodelan Kinetika Difusi Eksternal pada Konsentrasi Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 Mesh Kapasitas Adsorpsi Logam dengan Variasi Ukuran Adsorben pada Konsentrasi Larutan Cu2+ 70 ppm
Kapasitas Adsorpsi Logam dengan Variasi Konsentrasi Larutan Cu2+ pada Ukuran Adsorben Arang Kayu Rambutan 100/200 Mesh
6
22
23
24
25 26
27
28
29
30
31
31
32
33
Gambar 4.11
Gambar 4.12
Gambar 4.13
Gambar 4.14 Gambar L.3.1 Gambar L.3.2
Gambar L.3.3 Gambar L.3.4 Gambar L.3.5 Gambar L.3.6 Gambar L.3.7
Gambar L.3.8
Kurva Isoterm Adsorpsi Langmuir Arang Batang Rambutan terhadap Ion Logam Cu2+
Kurva Isoterm Adsorpsi Freundlich Arang Batang Rambutan terhadap Ion Logam Cu2+
Hasil Analisis Sebelum Proses Adsorpsi a. SEM, b. EDX
Hasil Analisis Setelah Proses Adsorpsi a. SEM, b. EDX Arang batang rambutan sebagai Adsorben
Tembaga (II) Sulfat Pentahidrat (CuSO4.5H2O) yang Digunakan
Pelarut dengan pH 4,5 Proses Adsorpsi Batch
Sampel yang Dianalisis dengan AAS Hasil Analisis AAS
Hasil Analisis FTIR a) Arang Kayu Rambutan Sebelum Adsorpsi, b) Arang Kayu Rambutan Setelah Adsorpsi Hasil Analisis SEM-EDX a. Sebelum Proses Adsorpsi, b.
Setelah Proses Adsorpsi
34
35
36 36 51
51 52 52 52 53
54
55
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1
Tabel 4.1
Tabel L.1.1 Tabel L.1.2
Tabel L.1.3 Tabel L.1.4
Tabel L.1.5
Tabel L.1.6
Tabel L.1.7
Baku Mutu Air Limbah Industri
Persamaan dan R2 dari beberapa Jenis Isotherm Adsorpsi pada Penjerapan Ion Logam Cu2+
Data Kalibrasi Larutan Standar
Data Hasil Pencucian dari Adsorben Arang Batang Rambutan
Data Pengeringan Adsorben Arang Batang Rambutan Data Hasil Penentuan Waktu Optimum dengan Ukuran Adsorben 40/50 mesh pada Konsentrasi Larutan Cu2+ 70 ppm
Hubungan Kapasitas Adsorpsi Logam Terhadap Variasi Ukuran Adsorben Berdasarkan konsentrasi tetap 70 ppm Hubungan Kapasitas Adsorpsi Logam Terhadap Variasi Konsentrasi Larutan Cu2+ Berdasarkan Ukuran Adsorben tetap 100/200 mesh
Data Penentuan Isoterm Adsorpsi
8
40 47
47 48
49
50
51 52
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman LAMPIRAN 1 DATA HASIL PENELITIAN
L1.1 Kalibrasi Larutan Standar Hasil Analisis Aas L1.2 Pencucian Adsorben Arang Batang Rambutan L1.3 Pengeringan Adsorben Arang Batang Rambutan L1.4 Penentuan Waktu Optimum
L1.5 Pengaruh Variasi Ukuran Adsorpben Terhadap Penjerapan Logam Cu2+ Terlarut
L1.6 Pengaruh Variasi Konsentrasi Logam Cu2+ Terlarut Terhadap Kemampuan Adsorpsi
L1.7 Penentuan Isoterm Adsorpsi Dari Penjerapan Ion Logam Cu2+
LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN L2.1 Pembuatan Larutan HCl 0,1 M (1 L) L2.2 Pembuatan Larutan NaOH 0,1 M (1 L) L2.3 Pembuatan Larutan Cu+2 (1000 ppm)
L2.4 Pembuatan Larutan Cu+2 (30 ppm, 50 ppm, 70 ppm) L2.5 Perhitungan Kapasitas Adsorpsi
L2.6 Perhitungan Persentase Penyisihan Logam LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN
L3.1 Bahan Baku L3.2 Eksperimen L3.3 Hasil Analisa
42 42 42 43 43
44
45
45 48 48 48 48 49 50 50 51 51 51 53
DAFTAR SINGKATAN
AAS Atomic Absorption Spectroscopy
Cu Cuprum
CuSO4.5H2O Cuprum Sulfat Pentahidrat EDX Energy Dispersive X-Ray FTIR Fourier Transform Infrared
HCl Asam Klorida
NaOH Natrium Hidroksida
SEM Scanning Elektron Microscopy
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
qt Kapasitas adsorpsi persatuan waktu mg/g
qe Kapasitas adsorpsi pada kesetimbangan mg/g
C0 Konsentrasi awal mg/l
Ct Konsentrasi persatuan waktu mg/l
Ce Konsentrasi pada kesetimbangan mg/l
V Volume sampel l
m Berat adsorben g
R Persentase Penyisihan Logam %
k1 Konstanta kecepatan adsorpsi orde satu (menit-1) k2 Konstanta kecepatan adsorpsi orde dua (menit-1) kid Koefisien difusi internal (mg/g.menit1/2)
kf Koefisien difusi eksternal (cm/s)
t Waktu adsorpsi menit
A Luas permukaan adsorben (m2)
V1 Volume larutan standar yang diencerkan ml
V2 Volume larutan pengenceran ml
M1 Konsentrasi larutan yang diencerkan ppm
M2 Konsentrasi larutan pengenceran ppm
R2 Koefisien korelasi -
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Pencemaran akibat kandungan logam yang terdapat pada limbah industri menimbulkan masalah lingkungan yang serius karena bersifat beracun dan tidak dapat terurai (Kampalanonwat et al., 2014). Limbah yang paling banyak mengandung logam berat pada umumnya berasal dari limbah industri seperti pertambangan, pelapisan, pewarnaan, pengolahan logam elektrokimia, dan penyimpanan baterai (Sangiumshak et al., 2014).Selain itu, pencemaran ion logam merupakan permasalahan terbesar didunia karena ion logam berat dapat bergabung dengan rantai makanan sehingga dapat menyebabkan berbagai penyakit dan mutasi gen pada makhluk hidup (Vafakhah et al., 2014). Oleh karena itu, logam berat berbahaya ini dapat mengganggu kehidupan organisme di lingkungan jika keberadaannya melampaui ambang batas (Suhud dkk., 2012).
Hasil survei menunjukkan bahwa beberapa jenis bahan alam telah digunakan sebagai adsorben dalam beberapa tahun terakhir ini memiliki banyak aplikasi industri dan bermanfaat pada lingkungan (Naushad, 2014). Berbagai cara yang tersedia untuk memurnikan air menggunakan bahan alam telah menarik perhatian karena efektif dan bersifat ramah lingkungan (Devaki and Miranda, 2017). Limbah pertanian merupakan salah satu bahan alam yang diketahui memiliki potensi sebagai bioadsorben.
Rambutan (Nephelium sp) merupakan tanaman hortikultural berupa pohon dengan famili Sapindacaeae. Kayu rambutan memiliki warna coklat dan memiliki serat bergelombang (Sitorus dkk., 2016). Manfaat dari kayu pohon rambutan belum dapat secara maksimal dirasakan oleh masyarakat. Sebagian besar dari kayu rambutan berakhir menjadi limbah pertanian.
Adsorpsi adalah cara yang umum dipakai karena memiliki konsep yang lebih sederhana dan ekonomis. Dewasa ini telah dikembangkan metode adsorpsi dengan menggunakan biomassa tumbuhan yang dikenal dengan fitofiltrasi. Dasar pemikiran
dari fitofiltrasi adalah dengan mengunakan biomassa tumbuhan yang telah mati sebagai pengikat ion logam (Tangio, 2013).
Berikut adalah penelitian tentang bioadsorpsi dan pemanfaatan arang (Charcoal) sebagai biosorben dalam menyerap ion. Peneliti Shivakumar et al. (2012) melakukan penelitian dengan memanfaatkan limbah kayu balmodrendron sebagai adsorben dimana untuk proses karbonisasi dilakukan pada suhu 800oC selama 60 menit, digunakan dengan pH 6,4-9,52. Pada penggunaan biomassa sebagai adsorben baik dilakukan pada ukuran mikro (Bayshal et al., 2018) dengan jumlah minimum adsorbennya sebanyak 1 gram (Rivera et al., 2013). Dalam menyerap ion logam kromium diperoleh pH maksimum yang baik digunakan adalah 4 dengan waktu kontak selama 60 menit (Chen et al., 2011) sedangkan untuk menyerap logam kadmium dan tembaga diperoleh pH maksimum yang baik digunakan adalah 4,5 (Haryanto et al., 2017). Dalam mengontrol pH dapat digunakan larutan natrium hidroksida dan asam klorida sebagai pengatur pH (Rivera-Utrilla et al., 2013).
Penelitian yang dilakukan adalah dengan memanfaatkan arang biomassa kayu rambutan yang sering dijual pada masyarakat. Adsorpsi dilakukan dengan tanpa aktivasi sehingga aplikasinya lebih sederhana dan sangat sesuai untuk pemurnian air limbah industri serta tidak mencemari lingkungan.
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Dalam penelitian ini yang menjadi rumusan masalah adalah bagaimana pengaruh ukuran adsorben dan konsentrasi ion logam tembaga (Cu2+) terhadap kemampuan adsorpsi arang batang rambutan. Selain itu perlu diperhatikan kinetika adsorpsi arang batang rambutan terhadap ion logam tembaga (Cu2+) pada proses adsorpsi.
1.3 TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mengetahui pengaruh ukuran adsorben terhadap kemampuan adsorpsi ion logam tembaga (Cu2+) terlarut.
2. Mengetahui pengaruh konsentrasi ion logam tembaga (Cu2+) terlarut terhadap kemampuan adsorpsi arang batang rambutan.
3. Menentukan kinetika adsorpsi arang batang rambutan terhadap ion logam tembaga (Cu2+) terlarut.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat penelitian ini adalah memberikan informasi bahwa arang batang rambutan dapat dijadikan sebagai bahan baku pembuatan adsorben untuk menyerap ion logam berat. Masyarakat diharapkan dapat menggunakan memaksimalkan penggunaan kayu rambutan yang sebagian besar tidak digunakan kembali serta menambah nilai ekonomis dari kayu rambutan dilingkungan masyarakat.
1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Surfaktan dan Operasi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Departemen Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan utama yang digunakan pada penelitian ini yaitu arang dari batang rambutan sebagai bahan baku dan tembaga sulfat pentahidrat (CuSO4.5H2O) sebagai bahan yang akan diadsorbsi secara batch.
Variabel bebas yang digunakan adalah:
a Ukuran arang batang rambutan
1. Bubuk : 50/70, 70/100 dan 100/200 mesh
b Proses pencampuran
1. Konsentrasi CuSO4.5H2O : 30, 50 dan 70 ppm
2. Waktu adsorpsi : 2 jam, untuk kinetika adsorpsi dengan sampel 2 ml setiap 10 menit (Haryanto et al., 2017).
Variabel tetap:
1. Suhu adsorpsi : 27 oC
2. pH larutan : 4,5 (Vafakhah et al., 2014)
3. Volume larutan : 100 mL (Souza et al., 2018) 4. Massa adsorben : 1 gram (Souza et al., 2018)
Parameter yang dianalisis pada adsorben adalah:
A. Pada proses pencucian adsorben : Analisis pH B. Pada proses pengeringan adsorben : Analisis massa
C. Pada proses adsorpsi
1. Analisis kandungan Cu2+
2. Analisis waktu adsorpsi 3. Analisis pengontrol pH Uji yang dilakukan:
1. Uji AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) 2. Uji FTIR (Fourier Transform Infrared)
3. Uji SEM-EDX (Scanning Elektron Microscopy)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 RAMBUTAN
Rambutan (Nephelium sp) merupakan tanaman buah holtikultura dengan family Sapindacaeae. Tanaman buah tropis ini dalam bahasa inggrisnya disebut hairy fruit dan berasal dari Indonesia. Penyebaran alamiah ini dengan menggunakan biji rambutan. Buah rambutan yang dimakan binatang biasanya bijinya dijatuhkan disembarang tempat yang terkadang jauh dari tanaman asalnya. Taksonomi rambutan mempunyai nama botani Nephelium sp (Sitorus, 2016). Buah rambutan dan kayu rambutan dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Rambutan (Nephelium sp)
Tanaman ini jika diklasifikasikan termasuk kelas tanaman biji berkeping dua.
Dalam sistematika (taksonomi) tumbuhan, tanaman klasifikasinya sebagai berikut:
Kingdom : Plantae
Divisio : Spermatophyta Subdivisio : Angiospermae Klas : Dicotyledoneae Subklas : Rosidae
Ordo : Sapindales
Famili : Sapindaceae
Genus : Nephelium
Spesies : Nephelium lappaceum L.
Batang pohon rambutan merupakan bagian tengah dari pohon yang tumbuh keatas, bagian ini mengandung zat kayu hingga pohon rambutan tumbuh tegak,keras dan kuat. Batang pohon rambutan tegak, bercabang agak banyak, daun lebat membentuk tajuk berbentuk kubah, oval atau memanjang (Listiani, 2015). Pada kayu rambutan mengandung senyawa tannin, saponin dan flavonoid (Dalimartha, 2005).
2.2 ARANG
Kayu sebagai bahan bakar mempunyai sifat-sifat yang kurang menguntungkan,antara lain kadar air cukup tinggi,banyak mengeluarkan asap, banyak abu dan kadar karbonnya kurang tinggi. Untuk itu diperlukan usaha peningkatan kualitas kayu sebagai bahan bakar, sehingga beberapa sifat yang kurang menguntungkan dapat diatasi, salah satu usaha tersebut yaitu merubah kayu menjadi arang kayu (Damanik, 2016).
Arang adalah residu hitam berisi karbon tidak murni yang dihasilkan dengan menghilangkan kandungan air dan komponen volatil dari hewan atau tumbuhan.
Arang umumnya didapatkan dengan memanaskan kayu, gula, tulang, dan benda lain.
Arang yang hitam, ringan, mudah hancur, dan meyerupai batu bara ini terdiri dari 85% sampai 98% karbon, sisanya adalah abu atau benda kimia lainnya. Arang merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon, dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi. Ketika pemanasan berlangsung, diusahakan agar tidak terjadi kebocoran udara didalam ruangan pemanasan sehingga bahan yang mengandung karbon tersebut hanya terkarbonisasi dan tidak teroksidasi (Prima, 2011).
2.3 LOGAM BERAT
Logam berat mengacu pada elemen logam yang memiliki kerapatan yang relative tinggi berkisar antara 3,5 - 7 g/cm3 dan memiliki sifat beracun (Gautam et al., 2014). Beberapa jenis logam yang beracun mengakibatkan dampak berbahaya terhadap banyak bentuk kehidupan. Logam yang beracun terhadap manusia dan
lingkungan ekologi termasuk Kromium (Cr), Tembaga (Cu), Timbal (Pb), Merkuri (Hg), Mangan (Mn), Kadmium (Cd), Nikel (Ni), Zinc (Zn), dan Besi (Fe) (Meena et al., 2005).
Beberapa logam berat tersebut banyak digunakan dalam berbagai keperluan. oleh karena itu diproduksi secara rutin dalam skala industri. Penggunaan logam- logam berat tersebut dalam berbagai keperluan sehari-hari secara langsung telah mencemari lingkungan (Hasrianti, 2012).
2.4 POLUTAN LOGAM BERAT
Pencemaran lingkungan oleh zat beracun telah meningkat pada akhir- akhir ini sebagai akibat banyaknya industri (Akpomie and Folasegun, 2015). Aktivitas berbagai industri pada umumnya menghasilkan limbah cair yang sering menjadi permasalahan bagi lingkungan karena mengandung berbagai macam kontaminan yang berbahaya. Pencemaran ini berdampak pada penurunan kualitas air dan meningkatnya padatan tersuspensi pada air. Pada Tabel 2.1 dapat dilihat pada baku mutu kualitas air berdasarkan peraturan kementerian lingkungan hidup No.1815.
Tabel 2.1 Baku Mutu Air Limbah Industri Parameter Kadar Paling
Tinggi Pelapisan Logam (mg/L)
Beban Paling Tinggi
Pelapisan Logam (gr/m2)
Kadar Paling Tinggi Galvanisasi (mg/L)
Beban Paling Tinggi
Galvanisasi (gr/m2)
TSS 20 0,4 20 0,04
Cu 0,5 0,01 0,5 0,001
Zn 1,0 0,02 1,0 0,0005
Cr6+ 0,1 0,002 - -
Cr 0,5 0,01 - -
Cd 0,05 0,001 0,05 0,0001
Pb 0,1 0,002 0,1 0,0002
Ni 1,0 0,02 1,0 0,002
CN 0,2 0,004 0,2 0,0004
Ag 0,5 0,01 0,5 0,001
pH 6 – 9
Kuantitas air limbah paling tinggi
20 L per m2 produk pelapisan logam
2 L per m2 produk pelapisan logam Sumber: Kementerian Lingkungan Hidup (2014)
Salah satu jenis pencemar pada air disebabkan oleh logam berat. Logam berat tidak seperti polutan organik yang pada beberapa kasus pencemaran dapat didegradasi (Darmayanti dkk., 2012). Akibatnya, logam-logam tersebut terakumulasi di lingkungan terutama membentuk senyawa kompleks dengan zat organik dan anorganik dalam ekosistem perairan. Logam berat tersebut memiliki potensi merusak sistem fisiologi dan biologis manusia, jika melewati batas toleransi dapat menimbulkan berbagai penyakit dan gangguan (Liu et al., 2013). Logam berat masuk ke dalam jaringan tubuh makhluk hidup melalui beberapa saluran, yaitu saluran pernapasan, pencernaan, dan penetrasi melalui kulit (Darmayanti dkk., 2012).
Menurut Darmayanti dkk. (2012), berdasarkan tingkat toksisitas dan dampak pencemaran bagi lingkungan, logam berat dapat klasifikasikan dalam beberapa bagian yaitu:
1. Sangat beracun, yaitu dapat mengakibatkan kematian atau gangguan kesehatan dalam waktu singkat. Logam-logam tersebut antara lain: Hg, Cd, Pb, As, Sb, Ti, Co, Be, dan Cu.
2. Moderat, yaitu mengakibatkan gangguan kesehatan baik yang dapat pulih maupun yang tidak dapat pulih dalam waktu yang relatif lama. Logam-logam tersebut antara lain: Ba, Au, Li, Mn, Se, Te, Va, dan Rb.
3. Kurang beracun, dalam jumlah besar dapat menimbulkan gangguan kesehatan.
Logam- logam tersebut antara lain: Bi, Fe, Ca, Mg, Ni, K, Zn, dan Ag.
2.5 TEKNOLOGI PENJERAPAN LOGAM BERAT
Logam berat dapat menyebabkan ancaman bagi lingkungan karena dapat menghasilkan kandungan racun yang tinggi terhadap ekosistem dan manusia (Mahmoudkhani et al., 2014). Pada umumnya pencemaran tersebut berada pada sistem perairan dan tanah. Pemurnian air adalah merupakan salah satu cara terbaik untuk membantu mengatasi masalah tersebut (Naushad, 2014). Dari beberapa cara pemurnian air dari logam berat, proses adsorpsi lebih efisien dan lebih murah dibandingkan teknologi penjerapan logam berat lainnya (Liu et al., 2013) seperti, koagulasi, presipitasi kimia, elektroflotasi (De Oliveira Da Mota et al., 2015) pertukaran ion, dan pemisahan membran (Mahmoudkhani et al., 2014). Berikut adalah teknologi pemisahan logam berat yang sering digunakan:
1. Elektroflotasi
Beberapa teknik tradisional yang dilakukan untuk pengolahan air limbah tidak menunjukkan kinerja yang memuaskan untuk larutan yang sangat encer (≤ 50 mg/dm3), terutama karena efisiensi operasionalnya rendah dan biaya ekstraksi yang tinggi. Metode elekroflotasi merupakan alternatif yang dapat diterapkan dalam berbagai skala, baik skala kecil, menengah maupun besar. Elektroflotasi adalah proses sederhana yang mengapungkan ion atau partikel padatan, yang terlarut dalam fasa cair. Pengapungan terjadi akibat adhesi pada gelembung kecil hidrogen dan oksigen pada katoda dan anoda pada sel flotasi (De Oliveira Da Mota et al., 2015).
2. Pemisahan Membran
Membran dapat didefinisikan sebagai hambatan selektif antara dua fasa dengan perpindahan massa yang berlangsung dari fasa donor ke fasa akseptor. Salah satu jenis membran yang digunakan adalah Liquid Membranes (LMs). Dalam kasus LMs, membran terdiri dari fasa cair memisahkan dua larutan yang tidak saling bercampur.
Penghilangan logam berat dapat juga dilakukan dengan menggunakan Membrane Bioreaktor (MBR) (Mahmoudkhani et al., 2014).Dari penelitian yang dilakukan MBR, dinilai dapat memisahkan Fe, Cu, dan Cd yang cukup tinggi dari limbah perkotaan.
3. Adsorpsi
Adsorpsi merupakan suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida/substansi- terlarut yang ada dalam larutan, terikat pada suatu padatan (adsorben) yang ditimbulkan oleh gaya kimia- fisika antara sustansi dan penyerapnya. Adsorpsi logam berat mengunakan adsorben umumnya dipelajari dengan menggunakan sistem batch. Beberapa faktor yang mempengaruhi proses adsorpsi adalah pH, suhu, konsentrasi dan waktu kontak (Hossain et al., 2014). Jenis larutan disediakan dalam bentuk larutan satu sistem atau larutan biner. Perbedaan ini didasarkan pada karakteristik adsorpsi yang ingin dilihat.
2.6 ADSORPSI
Adsorpsi adalah proses yang terjadi pada permukaan suatu zat padat yang berkontak dengan suatu larutan dimana terjadi akumulasi molekul-molekul larutan pada permukaan zat padat tersebut. Zat-zat organik dalam larutan yang memiliki
kelarutan yang rendah di dalam air, makin mudah pula untuk diadsorpsi dari larutannya. Semakin rendah kepolaran suatu senyawa organik makin baik teradsorpsi dari larutan yang bersifat polar ke permukaan yang non polar (Mori et al., 2013). Substansi yang diserap disebut adsorbat sedangkan material yang berfungsi sebagai penyerap disebut adsorban (Hasrianti, 2012).
2.6.1 Mekanisme Adsorpsi
Adsorpsi secara umum terjadi akibat proses penggumpalan substansi terlarut yang ada dalam larutan oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia-fisika antara substansi terlarut (adsorbat) dengan penjerapnya (adsorban). Proses interaksi dapat saja terjadi antara cairan dan gas, padatan atau cairan lain. Adsorpsi fisika terjadi karena adanya ikatan Van der waals, apabila ikatan tarik antar molekul adsorbat dengan adsorban lebih besar dari ikatan antara molekul zat terlarut dengan pelarutnya maka zat terlarut akan dapat diadsorpsi (Reynold, 1982). Sedangkan adsorpsi kimia merupakan hasil dari reaksi kimia antara molekul adsorbat dan adsorban dimana terjadi pertukaran elektron (Benefield, 1982).
Adsorpsi terhadap air buangan mempunyai tahapan proses seperti berikut (Reynold, 1982):
1. Transfer molekul-molekul adsorbat menuju lapisan film yang mengelilingi adsorban.
2. Difusi adsorbat melalui lapisan film (film diffusion).
3. Difusi adsorbat melalui kapiler atau pori-pori dalam adsorban (proses pore diffusion)
4. Adsorbsi adsorbat pada permukaan adsorban.
2.6.2 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Adsorpsi
Faktor-faktor yang mempengaruhi proses adsorpsi adalah agitasi, karakteristik adsorbat, ukuran molekul adsorbat, pH larutan, temperatur dan waktu kontak (Reynold, 1982).
1. Agitasi
Jika agitasi yang terjadi antara partikel karbon dengan cairan relatif kecil, permukaan film dari liquid sekitar partikel akan menjadi tebal dan difusi film akan terbatas.
2. Karakteristik adsorban
Ukuran partikel dan luas permukaan merupakan karakteristik terpenting dari adsorban. Ukuran partikel adsorban mempengaruhi tingkat adsorpsi yang terjadi.
Tingkat adsorpsi meningkat seiring mengecilnya ukuran partikel. Total kapasitas adsorpsi tergantung pada total luas permukaan dimana ukuran partikel adsorban tidak berpengaruh besar pada total luas permukaan adsorban.
3. Ukuran molekul adsorbat
Ukuran molekul merupakan bagian yang penting dalam adsorpsi karena molekul harus memasuki micropore dari partikel adsorban untuk diadsorpsi. Tingkat adsorpsi biasanya meningkat seiring dengan semakin besarnya ukuran molekul dari adsorbat. Kebanyakan limbah terdiri dari bahan-bahan campuran sehingga ukuran molekulnya berbeda-beda. Pada situasi ini akan memperburuk penyaringan molekul karena molekul yang lebih besar akan menutup pori sehingga mencegah jalan masuknya molekul yang lebih kecil.
4. Waktu Kontak
Waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan setimbang pada proses penyerapan ion logam oleh adsorban hanya beberapa menit saja (Khasanah, 2009).
Jumlah zat yang diadsorpsi pada permukaan adsorban merupakan proses untuk mencapai kesetimbangan karena laju adsorpsi juga diikuti dengan proses desorpsi.
Pada saat mula- mula reaksi, proses adsorpsi lebih dominan daripada proses desorpsi sehingga proses adsorpsi berlangsung cepat.
Pada akhir-akhir mencapai keadaan setimbang, peristiwa adsorpsi juga cenderung mengalami perlambatan proses penyerapan pada keadaan setimbang namun hal ini tidak terlihat secara makroskopis. Pada setiap jenis adsorban yang digunakan, waktu untuk mencapai saat setimbang berbeda-beda. Perbedaan waktu untuk mencapai keadaan setimbang dikarenakan jenis interaksi yang terjadi antara adsorban dan adsorbat. Secara umum, waktu untuk mencapai kesetimbangan melalui
mekanisme secara fisika (physisorption) lebih cepat bila dibandingkan dengan mekanisme secara kimia (chemisorption) (Castellan, 1982).
Adsorpsi secara fisika, interaksi antara adsorban dan adsorbat terjadi melalui pembentukan ikatan yang lebih kuat bila dibandingkan dengan mekanisme secara kimia. Mekanisme secara kimia diawali dahulu dengan mekanise fisika, yaitu pada partikel-partikel adsorbat mendekat ke permukaan adsorban melalui gaya Van der waals atau juga melalui ikatan hidrogen, kemudian diikuti mekanisme secara kimia dengan menimbulkan ikatan yang lebih kuat yaitu ikatan kovalen dengan energi yang dilepaskan relatif tinggi, sekitar 100 kJ/mol (Oscik, 1991).
5. Keasaman (pH)
Tingkat keasaman atau pH mempunyai pengaruh dalam proses adsorpsi. Untuk mencapai pH optimum dalam proses adsorpsi ditandai dengan jumlah maksimum yang dapat diserap adsorban adalah ditetapkan melalui uji laboratorium. Keasaman (pH) akan mempengaruhi sisi aktif biomassa serta berpengaruh pada mekanisme adsorpsi ion logam. Hal ini dikarenakan gugus fungsi yang terdapat pada adsorban terprotonasi sehingga terjadi pengikatan ion hidrogen (H+) dan ion hidronium (Oscik, 1991). Sementara itu ion- ion logam dalam larutan sebelum teradsorpsi oleh adsorban terlebih dahulu mengalami hidrolisis dan menghasilkan proton (Adamson, 1990).
2.7 KAPASITAS ADSORPSI
Prinsip proses adsorpsi sangat sesuai dalam menyerap untuk memisahkan suatu bahan dengan konsentrasi yang rendah dari campuran yang mengandung bahan dengan konsentrasi tinggi. Dalam proses adsorpsi, konsentrasi dalam larutan begitu berpengaruh pada pengambilan spesifik ion logam dan dengan adanya variasi konsentrasi larutan maka dapat ditentukan kapasitas adsorpsi dengan menggunakan metode isotermal adsorpsi. Proses adsorpsi larutan juga diikuti pengamatan isotermal adsorpsi yaitu hubungan antara banyaknya zat yang teradsorpsi persatuan berat adsorden dengan konsentrasi zat terlarut pada temperatur tertentu.
Permukaan zat padat dapat mengadsorpsi zat terlarut dari larutannya, hal ini dikarenakan adanya pengumpulan molekul- molekul suatu zat pada permukaan zat lain sebagai akibat ketidakseimbangan gaya-gaya pada permukaan tersebut.
Kemampuan interaksi antara adsorbat dengan adsorban dipengaruhi dari sifat masing- masing adsorbat dan adsorbannya. Salah satu cara untuk menentukan komponen mana yang diadsorpsi lebih kuat adalah dengan menentukan kepolaran dari adsorbat dan adsorbannya. Apabila adsorbannya bersifat polar, maka komponen yang memiliki sifat polar akan terikat lebih kuat dibandingkan dengan komponen yang kurang polar (Castellan, 1982).
Selain itu porositas adsorban juga dapat mempengaruhi. Adsorban dengan porositas yang besar mempunyai kemampuan menyerap yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan adsorban yang memiliki porositas kecil. Untuk meningkatkan porositas adsorban bisa dengan cara mengaktivasi secara fisika seperti mengalirkan uap air panas ke dalam pori-pori adsorban atau dengan mengaktivasi secara kimia yaitu dengan aktivasi selulosa melalui penggantian gugus –OH pada selulosa dengan gugus HSO3- melalui proses sulfonasi (Khasanah, 2009).
Larutan disediakan dalam pH dan perbandingan konsentrasi tertentu dengan suhu yang dijaga konstan. Persamaan 2.1 menunjukkan jumlah logam yang teradsorpsi per satuan massa adsorben pada kesetimbangan (Mahmoudkhani et al., 2014), Persamaan 2.2 menunjukkan jumlah logam yang teradsorpsi per satuan massa adsorben pada waktu t (Simamora, 2006), dan Persamaan 2.3 persentasi adsorpsi pada waktu t (Liu et al., 2013).
𝑞𝑒 =(𝐶0− 𝐶𝑒)𝑉
𝑚𝑎𝑑𝑠 (2.1) 𝑞𝑡= (𝐶0− 𝐶𝑡)𝑉
𝑚𝑎𝑑𝑠 (2.2) 𝑅% =(𝐶0− 𝐶𝑒)100 %
𝐶0 (2.3) Keterangan:
qe = massa logam teradsorpsi pada kesetimbangan (mg/g) qtss = massa logam teradsorpsi pada waktu t (mg/g)
R% = Persentasi penghapusan logam (%) C0 = konsentrasi logam awal (mg/L) Ct = konsentrasi pada waktu t (mg/L) Ce = konsentrasi kesetimbangan (mg/L) V = volume larutan (L)
m = massa adsorben (g)
Persamaan 2.1 dan 2.2 mengasumsikan bahwa perubahan volume fase cair massal diabaikan karena konsentrasi zat terlarut kecil dan volume yang ditempati oleh adsorben juga kecil. Jumlah logam berat teradsorpsi pada sampel dihitung dengan menggunakan kurva kalibrasi yang ditentukan berdasarkan hasil eksperimen.
2.8 KESETIMBANGAN ISOTERMAL ADSORPSI
Kesetimbangan isotermal adsorpsi adalah salah satu data penting untuk memahami mekanisme adsorpsi dan menggambarkan bagaimana adsorbat dapat berinteraksi dengan adsorben sehingga perlu untuk mengoptimalan penggunaan adsorben (Arshadi et al., 2014). Untuk mengoptimalkan desain sistem adsorpsi, sangat penting untuk menetapkan hubungan yang paling sesuai dalam kurva keseimbangan (Chen et al., 2011). Untuk mendapatkan isotermal adsorpsi, pengaruh konsentrasi pada kapasitas adsorpsi ion logam dari suatu adsorben, dilakukan dengan memvariasikan konsentrasi awal larutan ion logam (Liu et al., 2013). Beberapa persamaan isotermal yang tersedia untuk menganalisis data eksperimen adalah Langmuir dan Freundlich.
Data adsorpsi logam berat dalam kesetimbangan yang diperoleh secara eksperimental yang diterapkan dalam persamaan isoterm ( Langmuir dan Freundlich) merupakan model isotermal adsorpsi untuk adsorpsi fasa cair (Arshadi et al., 2014).
Model adsorpsi ini memberikan representasi dari kesetimbangan adsorpsi antara adsorbat dalam larutan dan permukaan aktif adsorben.
Isotermal Langmuir yang berlaku untuk lapisan adsorpsi monomolekular dapat diterapkan untuk mendapatkan kapasitas adsorpsi maksimum. Isotermal Langmuir mengasumsikan bahwa pertukaran ion maksimum tergantung pada tingkat kejenuhan satu lapisan molekul adsorbat pada permukaan adsorben, bahwa energi pertukaran ion adalah konstan, dan bahwa tidak ada transmigrasi molekul adsorbat pada bidang permukaan. Bentuk linier dari isoterm Langmuir dapat dilihat pada Persamaan 2.4 (Chen et al., 2011). Sedangkan model Freundlich awalnya diusulkan sebagai persamaan empiris untuk menggambarkan data pada adsorben heterogen yaitu melalui mekanisme adsorpsi multi lapisan, seperti karbon aktif dapat dilihat pada Persamaan 2.5 (Liu et al., 2013).
𝑞𝑒 =𝑞𝑚𝐾𝐿𝐶𝑒
1+𝐾𝐿𝐶𝑒 (2.4)
𝑞𝑒 = 𝐾𝐹𝐶𝑒1/𝑛 (2.5) dimana qe (mg/g) adalah jumlah keseimbangan spesifik adsorbat, Ce (mg/L) adalah konsentrasi kesetimbangan adsorbat, qm (mg/g) adalah kapasitas adsorpsi maksimal dan K (KL dan KF) (L/mg) dan n adalah konstanta empiris yang menunjukkan tingkat adsorpsi dan efektivitas adsorpsi masing- masing. Konstanta n memberikan gambaran tentang kelas heterogenitas dalam distribusi pusat energi dan berhubungan dengan besarnya kekuatan pendorong adsorpsi. Oleh karena itu, nilai n tinggi menunjukkan permukaan adsorben relatif seragam, sedangkan nilai n yang rendah menunjukkan adsorpsi tinggi pada larutan berkonsentrasi rendah. Selain itu, nilai n rendah menunjukkan adanya bagian yang besar dari situs aktif permukaan berenergi tinggi (Arshadi et al., 2014).
2.9 KINETIKA ADSORPSI
Kinetika adsorpsi merupakan laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam jangka waktu tertentu. Untuk menyelidiki proses adsorpsi logam berat, model kinetik yang berbeda digunakan untuk menggambarkan tingkat penyerapan adsorbat pada adsorben (Chen et al., 2011). Pada berbagai penelitian, data kinetika adsorsi diperoleh secara empiris dengan menggunakan model persamaan orde satu, persamaan orde dua dan model Elovich (Arshadi et al., 2014). Tujuannya untuk mempelajari kinetika adsorpsi dan menemukan model terbaik yang cocok untuk data eksperimen. Ketiga model ini telah banyak digunakan untuk menggambarkan kinetika penyerapan logam maupun senyawa organik pada berbagai jenis adsorben yang berbeda (Chen et al., 2011).
a. Persamaan Orde Satu
Dalam banyak kasus, model kinetika persamaan orde satu kurang cocok dengan seluruh rentang waktu kontak, dan umumnya berlaku pada tahap awal proses adsorpsi (Chen et al., 2011). Persamaan kinetika orde satu dapat dilihat pada Persamaan 2.6 (Liu et al., 2013).
1
𝑞𝑡= 𝑘1
𝑞𝑒1𝑡+ 1
𝑞𝑒1 (2.6) Dimana qe dan qt adalah jumlah adsorbat (logam berat) yang diserap (mg/g) pada keadaan setimbang dan selang waktu tertentu, t (min) dan k1 merupakan tetapan
garis lurus untuk mendapatkan tingkat parameter. Parameter tersebut adalah nilai k1, kapasitas adsorpsi (qe,cal) dan koefisien korelasi (R2).
b. Persamaan Orde Dua
Seperti yang dapat diamati, persamaan persamaan orde dua tampaknya memiliki model yang lebih baik dibandingkan dua persamaan lainnya. Hal ini dapat dibuktikan dengan nilai koefisien korelasi (R2) yang didapatkannya cukup besar (Arshadi et al., 2014). Nilai qe teoritis yang dihasilkan sangat dekat dengan nilai qe
eksperimental, hal ini menunjukkan bahwa data adsorpsi sangat cocok dibuat dengan menggunakan persamaan persamaan orde dua (Liu et al., 2013). Bentuk dari persamaan orde dua dapat dilihat pada Persamaan 2.7 (Chen et al., 2011)
1
𝑞𝑡 = 𝑘1
𝑘2𝑞𝑒2+ 1
𝑞𝑒𝑡 (2.7) Dimana k2 merupakan tetapan laju adsorpsi persamaan orde dua (g/mg.min).
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 LOKASI PENELITIAN
Proses pembuatan arang dari kayu rambutan dilakukan di Pabrik Arang Tuntungan, Kecamatan Medan Tuntungan, Provinsi Sumatera Utara, Indonesia.
Proses persiapan arang dari kayu rambutan sebagai adsorben dilakukan di:
1. Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Laboratorium Surfaktan, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Lokasi analisis hasil penelitian adalah:
1. Laboratorium Operasi Teknik Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
2. Laboratorium Farmasi, Fakultas Farmasi, Universitas Sumatera Utara.
3.2 BAHAN DAN PERALATAN 3.2.1 Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1. Aquadest (H2O)
2. Arang kayu rambutan (Nephellium sp) dari Pabrik Arang Tuntungan 3. Asam Klorida (HCl)
4. Natrium Hidroksida (NaOH)
5. Tembaga (II) Sulfat Pentahidrat (CuSO4.5H2O)
3.2.2 Peralatan
Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah:
1. Alluminium Foil
2. Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS) 3. Ayakan
4. Ballmill
5. Beaker Glass 6. Botol Plastik 7. Corong 8. Erlenmeyer 9. Gelas ukur 10. Neraca Analitik 11. Oven
12. Palu
13. pH Meter Digital 14. Pipet Tetes 15. Termometer
3.3 PROSEDUR PENELITIAN
3.3.1 Prosedur Preparasi Arang Rambutan (Pembuatan Adsorben) 1. Arang dicuci dengan aquadest hingga pH air pencuci konstan
2. Arang dihaluskan dengan ballmill hingga berukuran serbuk 3. Oven dihidupkan hingga mencapai suhu 60oC
4. Serbuk arang yang dialasi aluminium foil ditimbang dan dicatat massanya dan diletakkan di dalam oven
5. Setiap 20 menit pengeringan, serbuk arang rambutan yang dialasi alluminium foil ditimbang massanya hingga konstan.
6. Ukuran serbuk arang dipisahkan dengan ayakan 50/70 mesh, 70/100 mesh dan 100/200 mesh
3.3.2 Prosedur Pembuatan Larutan
Larutan yang perlu disediakan yaitu larutan asam serta larutan basa yaitu larutan 0,1 M HCl dan 0,1 M NaOH, pelarut logam yang pH-nya 4,5 sebanyak 5 L dan larutan logam Cu2+ dengan konsentrasi 30, 50 dan 70 ppm dari senyawa CuSO4.5H2O.
3.3.2.1 Pembuatan Larutan HCL 0,1 M (1 L)
1. Larutan HCl 37% disiapkan sebanyak 8,292 mL
2. Larutan HCl dimasukkan ke dalam beaker glass 1000 mL
3. Larutan HCl diencerkan dengan aquadest sampai batas volume konsentrasi 0,1 M
3.3.2.2 Pembuatan Larutan NaOH 0,1 M (1 L) 1. NaOH padatan ditimbang sebanyak 4 g
2. NaOH dimasukkan ke dalam beaker glass 1000 mL
3. NaOH dilarutkan dengan aquadest sampai batas volume yang telah ditentukan dan diaduk hingga homogen.
3.3.2.3 Pembuatan Larutan Pelarut dengan pH 4,5
1. Aquadest disiapkan sebanyak 5 L ke dalam botol reagen steril
2. Kemudian ke dalam aquadest ditambahkan HCl dan NaOH hingga pH larutan 4,5 dengan menggunakan pipet tetes.
3.3.2.4 Pembuatan Larutan Induk 1000 ppm
1. CuSO4.5H2O padatan ditimbang sebanyak 125 mg dimasukkan ke dalam beaker glass
2. Pelarut yang pH-nya sudah dikontrol 4,5 dan dimasukkan ke dalam beaker glass sampai tanda batas 1 L.
3. Larutan diaduk menggunakan batang pengaduk sehingga homogen
3.3.2.5 Pembuatan Larutan Cu2+ 30 ppm
1. Larutan pelarut ber-pH 4,5 diambil sebanyak 2,5 L 2. Larutan dimasukkan ke dalam botol reagen steril
3. Larutan induk CuSO4.5H2O 1000 ppm ditambahkan sebanyak 75 ml.
4. Larutan diaduk rata sehingga homogen
3.3.2.6 Pembuatan Larutan Cu2+ 50 ppm
1. Larutan pelarut ber-pH 4,5 diambil sebanyak 2,5 L 2. Larutan dimasukkan ke dalam botol reagen steril
3. Larutan induk CuSO4.5H2O 1000 ppm ditambahkan sebanyak 125 ml.
4. Larutan diaduk rata sehingga homogen
3.3.2.7 Pembuatan Larutan Cu2+ 70 ppm
1. Larutan pelarut ber-pH 4,5 diambil sebanyak 2,5 L 2. Larutan dimasukkan ke dalam botol reagen steril
3. Larutan induk CuSO4.5H2O 1000 ppm ditambahkan sebanyak 175 ml.
4. Larutan diaduk rata sehingga homogen
3.3.3 Prosedur Adsorpsi ion logam Cu2+
3.3.3.1 Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
1. Larutan larutan Cu2+ (70 ppm) diambil sebanyak 100 mL dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer
2. Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram pada ukuran 50 mesh
3. Sampel diambil sebanyak 2 mL untuk dianalisis setiap 10 menit dengan waktu adsorpsi 2 jam
4. Konsentrasi ion Cu2+ pada larutan setelah adsorpsi dianalisis dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS)
5. Kemudian dihitung nilai qads dengan Persamaan 3.1 𝑞𝑎𝑑𝑠 =(𝐶0−𝐶𝑡)𝑉
𝑤 (3.1) 6. Kemudian percobaan diulang untuk variasi ukuran lainnya.
3.3.3.2 Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Cu2+ Terhadap Kemampuan Adsorpsi 1. Larutan Cu2+ (30 ppm) diambil sebanyak 100 mL dan dimasukkan ke dalam
erlenmeyer
2. Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram pada ukuran 70 mesh
3. Sampel diambil sebanyak 2 mL untuk dianalisis setiap 10 menit dengan waktu adsorpsi 2 jam
4. Konsentrasi ion Cu2+ pada larutan setelah adsorpsi dianalisis dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS)
5. Kemudian dihitung nilai qads dengan Persamaan 3.1
6. Kemudian percobaan diulang untuk variasi konsentrasi lainnya.
3.3.3.3 Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan Terhadap Ion Logam Cu2+
1. Larutan Cu2+ (70 ppm) diambil sebanyak 100 mL dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer
2. Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram pada ukuran 100 mesh
3. Sampel diambil sebanyak 2 mL untuk dianalisis setiap 10 menit dengan waktu adsorpsi 2 jam
4. Konsentrasi ion Cu2+ pada larutan setelah adsorpsi dianalisis dengan Atomic Adsorption Spectroscopy (AAS)
5. Kemudian dihitung nilai qads dengan Persamaan 3.1
3.4 FLOWCHART PENELITIAN
3.4.1. Flowchart Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Gambar 3.1 Flowchart Pengaruh Ukuran Adsorben Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Mulai
Selesai Apakah ada variasi
ukuran lainnya?
Larutan Cu2+ (70 ppm) diambil sebanyak 100 mL dari botol reagen 2,5 L kemudian dimasukkan ke dalam erlenmeyer
Tidak Dihitung nilai qads
qads = (C0 − Ct)V w
Konsentrasi ion Cu2+ setelah adsorpsi dianalisa dengan Atomic Absorption Spectroscopy (AAS)
Sampel diambil sebanyak 2 mL untuk dianalisa Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram
pada ukuran 50 mesh
3.4.2 Flowchart Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Gambar 3.2 Flowchart Pengaruh Konsentrasi Ion Logam Terhadap Kemampuan Adsorpsi
Mulai
Selesai Apakah ada variasi
Konsentrasi lain?
Larutan Cu2+ (30 ppm) diambil sebanyak 100 mL dari botol reagen 2,5 L lalu dimasukkan ke dalam erlenmeyer
Tidak Dihitung nilai qads
qads =(C0 − Ct)V w
Konsentrasi ion Cu2+ setelah adsorpsi dianalisa dengan
Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) Sampel diambil sebanyak 2 mL untuk dianalisa Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram
pada ukuran 70 mesh
3.4.3 Flowchart Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan Terhadap Ion Logam Cu2+
Gambar 3.3 Flowchart Kinetika Adsorpsi Arang Rambutan Terhadap Ion Logam Cu2+
Selesai
Apakah ada variasi bentuk dan ion logam
lainnya?
Tidak
Ya Mulai
Larutan Cu2+ (70 ppm) diambil sebanyak 100 mL dari botol reagen 2,5 L lalu dimasukkan kedalam erlenmeyer
Dihitung nilai qads
qads = (C0 − Ct)V w
Konsentrasi ion Cu2+ setelah adsorpsi dianalisa dengan
Atomic Absorption Spectroscopy (AAS)
Sampel diambil sebanyak 2 mL pada selang waktu 10 menit selama 2 jam Adsorben arang rambutan ditambahkan sebanyak 1 gram
pada ukuran adsorben 100 mesh
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 PERLAKUAN AWAL PADA ADSORBEN ARANG KAYU RAMBUTAN Arang kayu rambutan dicuci dengan aquadest untuk mendapatkan kodisi pH konstan yang sama pada tiap ukuran arang kayu rambutan dan juga untuk menghilangkan zat-zat pengotor yang masih melekat pada arang seperti debu, tanah, dan zat-zat organik maupun anorganik lainnya. Dari proses pencucian diketahui bahwa pH awal arang kayu rambutan adalah sebesar 5,4. Hal ini menunjukkan bahwa arang kayu rambutan masih bersifat asam yang disebabkan oleh kandungan zat-zat pengotor yang ada pada arang kayu rambutan. Gambar 4.1 menunjukkan bahwa untuk dapat menghilangkan kandungan zat-zat pengotor yang ada pada arang kayu rambutan dibutuhkan 12 kali pencucian sampai pH air pencuci menjadi konstan, yaitu pada pH 6,5.
Gambar 4.1 Tahap Pencucian Adsorben Arang Kayu Rambutan Hingga pH tidak Berubah Lagi
Setelah tahap pencucian selesai, arang kayu rambutan yang telah dipisahkan menurut ukurannya masing-masing dikeringkan di dalam oven dengan kondisi
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
pH
Pencucian Ke-
operasi pada suhu 60oC dan ditimbang massanya setiap 20 menit hingga massanya tidak berubah lagi. Tujuan dari tahap pengeringan adalah untuk mengurangi kadar air yang ada pada arang kayu rambutan sampai benar-benar kering dan mencapai kadar air tertentu. Dari tahap pengeringan diperoleh hasil bahwa untuk mendapatkan massa yang konstan, sampel dengan ukuran 50/70 mesh membutuhkan waktu pengeringan selama 80 menit, untuk sampel dengan ukuran 70/100 mesh membutuhkan waktu pengeringan selama 100 menit dan untuk sampel dengan ukuran 100/200 mesh membutuhkan waktu pengeringan selama 100 menit, seperti yang ditampilkan pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Pengeringan Adsorben Arang Kayu Rambutan
4.2 PENENTUAN WAKTU KONTAK DAN KINETIKA ADSORPSI
Waktu kontak merupakan lamanya waktu yang dibutuhkan adsorben (arang kayu rambutan) untuk menjerap adsorbat (Cu2+) secara optimum dalam proses adsorpsi untuk mengetahui kinetikanya. Dari data Tabel L1.4 dapat dibuat grafik antara waktu kontak dengan persentase penyisihan logam (R) Cu2+.
Gambar 4.3 menunjukkan bahwa persentase penyisihan logam semakin besar dengan bertambahnya waktu kontak dan akan konstan pada waktu tertentu. Kenaikan konsentrasi Cu2+ yang teradsorpsi mencapai titik kesetimbangan pada waktu 120 menit dengan persentase penyisihan logam sebesar 43,8%. Pada 5 menit pertama
37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 40.0
0 20 40 60 80 100 120 140
Massa (g)
Waktu (Menit)
50/70 mesh 70/100 mesh 100200 mesh
persentase penyisihan logam Cu2+ adalah 22,8%. Penjerapan ion Cu2+ semakin meningkat sampai pada waktu 90 menit yaitu dengan persentase penyisihan logam Cu2+ sebesar 40%. Setelah interaksi berlangsung selama 90 menit, adsorpsi ion logam Cu2+ mendekati konstan. Hal ini menunjukkan telah tercapainya keadaan kesetimbangan. Pada keadaan ini, kapasitas adsorpsi di permukaan arang kayu rambutan telah jenuh dan telah tercapai kesetimbangan antara konsentrasi ion logam Cu2+ dalam adsorben arang kayu rambutan sehingga penjerapan pada waktu kontak 120 menit sampai dengan 240 menit menjadi konstan atau hampir sama.
Gambar 4.3 Persentase Penyisihan Logam Cu2+ dengan Konsentrasi Ion Logam Cu2+
70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 mesh
Gambar 4.3 menunjukkan bahwa semakin lama waktu kontak antara adsorben arang kayu rambutan dengan adsorbat Cu2+, maka persentase penyisihan logam Cu2+
semakin besar. Hal ini disebabkan semakin lama waktu interaksi adsorben dengan adsorbat menyebabkan peningkatan kadar Cu2+ yang diadsorpsi dan akan konstan saat adsorben tidak dapat lagi mengadsorpsi. Haryanto dkk. (2018) menyatakan bahwa agar kesetimbangan adsorpsi dapat dicapai, diperlukan waktu kontak yang cukup antara adsorbat dengan adsorben.
Kinetika adsorpsi digunakan untuk mengetahui laju adsorpsi yang terjadi pada adsorben terhadap adsorbat dan dipengaruhi oleh waktu. Waktu kontak yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi dijadikan sebagai ukuran laju
0 10 20 30 40 50 60
0 50 100 150 200 250
%R
Waktu (Menit)
reaksinya. Orde reaksi laju suatu reaksi kimia atau proses kimia diartikan sebagai kecepatan terjadinya suatu reaksi. Dalam penelitian ini, data kinetika adsorpsi diperoleh secara empiris dengan menggunakan model persamaan orde satu (Persamaan 4.1) dan persamaan orde dua (Persamaan 4.2) (Thambavani dan Kavitha, 2014).
1
qt= k1
(qe)t + 1
qe (4.1) t
qt= t
qe + 1
k2qe2 (4.2) Dari hasil perhitungan teoritis, persamaan orde satu dan orde dua memiliki nilai koefisien korelasi (R2) yang jauh berbeda. Perbandingan nilai koefisien korelasi (R2) dapat digunakan untuk menentukan pemodelan yang sesuai dengan proses adsorpsi.
Persamaan orde satu memiliki nilai R2 sebesar 0,6788 dan persamaan orde dua memiliki nilai R2 sebesar 0,9816. R2 diperoleh dengan cara membuat grafik antara data kapasitas adsorpsi (qt) terhadap waktu dengan menggunakan Persamaan 4.1 dan Persamaan 4.2, yang ditunjukkan pada Gambar 4.4 dan Gambar 4.5.
Gambar 4.4 Pemodelan Pseudo Orde Satu pada Konsentrasi Logam Cu2+ 70 ppm dan Ukuran Adsorben 100/200 Mesh
y = 1.5988x + 0.3723 R² = 0.6788
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.0 0.1 0.2 0.3
1/qt (g/mg)
1/t (1/ Menit)
