TINJAUAN KINETIKA ADSORPSI ION LOGAM Cd(II) DAN Pb(II)
PADA BIOMASSA NANNOCHOLOROPSIS sp DENGAN MATRIK
PENDUKUNG ZEOLIT
Buhani
Jurusan Kimia, FMIPA Universitas Lampung
Jl. Soemantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung 35145
Diterima 12 September 2005, perbaikan 15 Maret 2006, disetujui untuk diterbitkan 29 Maret 2006
ABSTRACT
The adsorption process of metallic ion Cd(II) and Pb(II) by biomass Nannochloropsis sp supported on zeolite matrix at various temperatures of 25, 30, 35, 40, and 50 °C has been studied. This research was carried out through a series of experiments and analyzed by using Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS). The data obtained was analyzed by using Langmuir-Hinshelwood (LH) Equation. The kinetic data results showed that the adsorption rates of metallic ion Cd(II) and Pb(II) on biomass Nannochloropsis sp are higher than that on biomass-zeolite. The adsorption rate of metallic ion Cd(II) and Pb(II) at all adsorbents is optimum at temperature 25 °C, and generally the adsorption rate of metallic ion Cd(II) is smaller than the adsorption rate of metallic ion Pb(II) on biomass Nannochloropsis sp, zeolite and biomass Nannochloropsis sp with zeolite supported matrix.
Keywords: Nannochoropsis sp, zeolite, adsorption rate, Langmuir-Hinshelwood
1. PENDAHULUAN
Beberapa spesies alga telah mendapat perhatian sebagai adsorben untuk menyerap logam berat, terutama karena kemampuannya yang cukup tinggi untuk mengadsorpsi ion-ion logam, dan kemungkinan pengambilan kembali yang relatif mudah terhadap ion-ion logam yang terikat pada biomassa serta kemungkinan penggunaanya kembali biomassa sebagai biosorben yang dapat digunakan untuk pengolahan air limbah1,2. Secara biokimia, biomassa alga mudah terdegradasi oleh aktivitas bakteri sehingga penggunaan biomassa alga sebagai biosorben relatif lebih ramah lingkungan. Beberapa penelitian telah membuktikan bahwa, biomassa (sel mati) dari beberapa spesies alga efektif untuk menghilangkan ion-ion logam dari lingkungan perairan1,2.
Dari berbagai hasil penelitian terdahulu tampak bahwa alga mempunyai kemampuan yang tinggi untuk mengikat ion-ion logam dari larutan, akan tetapi kemampuan ini sangat di batasi oleh beberapa kendala yang menyebabkan menjadi kelemahan pemanfaatannya seperti: ukurannya kecil, berat jenis yang rendah dan mudah rusak karena degradasi oleh mikroorganisme lain2. Untuk mengatasi kelemahan tersebut berbagai upaya telah dilakukan, diantaranya dengan mengimmobilisasi biomassanya3.
Interaksi logam dan proton dengan 3 jenis alga, telah dipelajari, salah satu hasilnya menyatakan bahwa ion logam teradsorpsi pada situs permukaan alga melalui pengikatan gugus karboksilat dari asam galakturat4 dan terjadi ikatan antara gugus karboksilat dari alga dengan logam Cd1. Sedangkan adsorpsi pasif ion logam terjadi karena terdapatnya berbagai jenis gugus fungsional yang pada sel mikrobial hidup atau mati, yaitu : gugus karboksil, hidroksil, sufhidril, amino, imino, imidiazol, sulfat dan sulfonat di dalam dinding sel dan di dalam sitoplasma5. Pada beberapa spesies alga diatom, silikon sering kali terdeposit pada permukaan sel sebagai silika gel amorf SiO2n H2O
6.
Penelitian-penelitian tentang biomassa alga terimmobilisasi yang telah dilakukan diantaranya adalah menghilangkan ion-ion logam seperti: Hg2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ dan Au2+ 7 dan evaluasi kemampuan adsorpsi biomassa Chaetoceros Calsitrans yang terimmobilasi pada silika gel terhadap ion Cu (II) dan Cd (II)8. Pada penelitian ini dipelajari spesies Nannoclhoropsis sp untuk mengetahui kemampuannya dalam mengadasorpsi ion-ion logam Cd(II) dan Pb(II) dengan menggunakan matrik pendukung polimer alam yaitu zeolit. Penggunaan zeolit sebagai adsorben matrik pendukung, karena sifatnya yang memiliki luas permukaan kontak yang besar, yang dapat meningkatkan kemampuan biomassa dalam
menyerap ion-ion logam serta meningkatkan ketahanan biomassa dari degradasi akibat mikroorganisme. Sedangkan penggunaan biomassa Nannochloropsis sp sebagai adsorben dikarenakan kemudahan budidayanya dan kelimpahannya di perairan laut serta mempunyai kemampuan yang cukup tinggi untuk mengadsorpsi ion-ion logam.
2. METODE PENELITIAN
2.1. Persiapan AdsorbenAdsorben yang digunakan dalam penelitian ini ada tiga jenis, yaitu : (1) biomassa Nannochlororopsis sp (2) zeolit (3) biomassa Nannochlororopsis sp dengan matrik pendukung zeolit.
2.1.1. Penyiapan biomassa Nannochlororopsis sp
Biomassa alga diperoleh dari isolasi Nannochlororopsis sp yang berasal dari alam dan dibudidayakan dalam skala laboratorium pada Balai Budi Daya Laut Lampung. Pengkulturan dilakukan selama 8 hari. Hasil kultur disentrifugasi satu kali untuk memperoleh biomassa. Biomassa yang diperoleh diresuspensi dalam larutan 0,12 N HCl, diagitasi selama kurang lebih 20 menit dan disentrifius untuk memisahkannya dengan larutan HCl. Prosedur ini diulangi sebanyak dua kali, kemudian dilanjutkan dengan pencucian dengan aquabides. Terakhir disentrifius dan dikeringkan dengan freeze dryer selama kurang lebih 24 jam, untuk memperoleh biomassa kering yang siap digunakan .
2.1.2. Penyiapan Zeolit
Zeolit alam yang berasal dari daerah Lampung dimurnikan dan diaktivasi9
2.1.3. Penyiapan biomassa Nannochlororopsis sp dengan matrik pendukung zeolit
Biomassa Nannochororopsis sp sebanyak 4 gram dicampur dengan 1 gram zeolit ukuran 20-44 mesh, campuran ini ditambah akuades, lalu diaduk hingga bercampur merata. Campuran ini dikeringkan dalam oven pada temperatur 30o C hingga berat konstan. Biomassa dengan matrik pendukung zeolit yang telah kering digerus dan diayak dengan ukuran 270 mesh
2.1.4. Adsorpsi Ion Logam
Proses adsorpsi dilakukan dengan metode batch. Setiap perlakuan mengggunakan ketiga jenis
larutan ion logam Cd(II) 10 mg/L dalam pelarut air ditambahkan 20 mg adsorben dan digojok tiap selang waktu 5, 10, 15, 30, 60 dan 120 menit. Interaksi dilakukan pada lima temperatur yang berbeda yaitu 25, 30, 35, 40 dan 50oC. Larutan disaring dan diukur konsentrasinya dengan menggunakan spektroskopi serapan atom (SSA). Ion Cd(II) yang teradsorpsi oleh adsorben dihitung dari perbedaan antara jumlah Cd(II) mula-mula dengan jumlah Cd(II) yang ada dalam larutan. Pengerjaan yang sama dilakukan pada logam Pb(II).
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil adsorpsi ion logam Pb(II) dan Cd(II) pada ke tiga adsorben :biomassa Nannochloropsis sp., zeolit dan biomassa dengan matrik pendukung zeolit pada temperatur interaksi yang bervariasi, mulai dari 25, 30, 35, 40, dan 50 oC dapat dilihat pada Gambar 1, 2, 3, 4, 5 dan 6. Secara umum adsorpsi ion Pb(II) pada temperatur yang bervariasi menunjukkan pola adsorpsi yang hampir sama, akan tetapi waktu kontak optimum relatif berbeda. Dari Gambar 1 dapat dilihat bahwa adsorpsi ion logam Pb(II) oleh biomassa Nannochloropsis sp maksimum pada waktu 15-30 menit. Dari Gambar 2 dan 3 teramati bahwa baik adsorben zeolit maupun biomassa-zeolit mencapai adsorpsi maksimum pada waktu 60 menit..
Pola adsorpsi ion Cd(II) seperti yang terdapat pada Gambar 4, 5 dan 6 menunjukkan bahwa adsorpsi
maksimum ion Cd(II) pada biomassa
Nannochloropsis sp terjadi 15-30 menit, sedangkan pada adsorben zeolit dan biomassa-zeolit terjadi pada waktu 60 menit.
Proses adsorpsi pada adsorben biomassa Nannochloropsis sp untuk ion logam Pb(II) dan Cd(II) relatif lebih cepat mencapai maksimum apabila dibandingkan dengan adsorben zeolit dan biomassa yang telah diberi matrik pendukung zeolit hal ini terjadi karena pada biomassa Nannochloropsis sp masih terdapat gugus-gugus fungsi yang berperan aktif sebagai ligan terhadap ion Pb(II) dan Cd(II) seperti : gugus –COOH sebagai penyusun polisakarida dan gugus –CO, NH, CONH2 sebagai penyusun pektin dan protein5 yang memungkinkan terjadinya kontak antara ion logam dan gugus-gugus fungsi tersebut lebih optimal sehingga proses adsorpsi menjadi lebih cepat. Sedangkan pada adsorben biomassa yang diberi zeolit, laju adsorpsi menurun karena gugus-gugus fungsi pada biomassa ada yang terikat dengan zeolit, sebaliknya juga terjadi pada
gugus-9,450 9,500 9,550 9,600 9,650 9,700 9,750 9,800 9,850 9,900 0 20 40 60 80 100 120 140 Waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C 50 °C 9,940 9,945 9,950 9,955 9,960 9,965 9,970 0 20 40 60 80 100 120 140 Waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C 50 °C
Gambar 1. Ion Pb(II) – adsorben biomassa Gambar 2. Ion Cd(II) – adsorben biomassa
9,800 9,840 9,880 9,920 9,960 10,000 0 50 100 150 Waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 30 35 40 50 9,350 9,400 9,450 9,500 9,550 9,600 9,650 0 20 40 60 80 100 120 140 waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 30 35 40 50
Gambar 3. Ion Pb(II) – adsorben zeolit Gambar 4. Ion Cd(II) – adsorben zeolit
9,890 9,910 9,930 9,950 9,970 0 50 100 150 waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 30 35 40 50 9,961 9,966 9,971 9,976 9,981 9,986 9,991 0 20 40 60 80 100 120 140 waktu (menit) A d s o rp s i (m g /g a d s o rb e n ) 25 30 35 40 50
Gambar 5. Ion Pb(II) – adsorben biomassa - zeolit Gambar 6. Ion Cd(II) – adsorben biomassa - zeolit
Tabel 1. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Pb(II) oleh biomassa Nannochloropsis sp pada temperatur
yang bervariasi
No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,99 0,99 0,98 0,98 0,94 0,0612 0,0610 0,0613 0,0596 0.0599 0,0641 0,0637 0,0470 0,0449 0,0448 1,047 1,044 0,767 0,753 0,748
Tabel 2. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Pb(II) oleh zeolit pada temperatur yang bervariasi No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,99 0,95 0,96 0,98 0,98 0,0939 0,0903 0,0875 0,0882 0,0880 0,0072 0,0050 0,0036 0,0034 0,0033 0,0766 0,0553 0,0411 0,0385 0,0375
Tabel 3. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Pb(II) oleh biomassa Nannochloropsis sp dengan matrik
pendukung zeolit pada temperatur yang bervariasi
No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,98 0,99 0,97 0,98 0,99 0,0986 0,0986 0,0988 0,0980 0,0974 0,0123 0,0121 0,0116 0,0114 0,0043 0,1247 0,1227 0,1174 0,1163 0,0441
Tabel 4. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Cd(II) oleh biomassa Nannochloropsis sp pada temperatur
yang bervariasi
No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,94 0,96 0,98 0,98 0,94 0,0603 0,0600 0,0592 0,0589 0,0583 0,0120 0,0117 0,0095 0,0089 0,0084 0,199 0,195 0,160 0,151 0,144
Tabel 5. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Cd(II) oleh zeolit pada temperatur yang bervariasi No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,97 0,99 0,99 0,98 0,99 0,0361 0,0341 0,0341 0,0337 0,0336 0,0010 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0277 0,0205 0,0175 0,0148 0,0011
Tabel 6. Hasil plot kinetika adsorpsi ion logam Cd(II) oleh biomassa Nannochloropsis sp dengan matrik
pendukung zeolit pada temperatur yang bervariasi
No Temperatur (°C) r K(M-1) k(min-1) rA(M.min-1)
1. 2. 3. 4. 5. 25 30 35 40 50 0,99 0,98 0,96 0,99 0,99 0,0660 0,0660 0,0660 0,0653 0,0654 0,0071 0,0062 0,0057 0,0047 0,0041 0,1075 0,0937 0,0863 0,0719 0,0626
Laju adsorpsi ditentukan dengan menggunakan kurva hubungan antara jumlah logam yang teradsorpsi dengan waktu yang diperlukan untuk adsorpsi. Apabila data yang yang terdapat pada
menggunakan persamaan Langmuir-Hinshelwood 10 dengan rumus seperti Pers. 1:
(Co/CA) k1t
Dengan memplot [ln(Co/CA/ (Co-CA) vs t/(Co-CA) maka diperoleh garis lurus, dengan slope dan intersep masing-masing adalah k1 dan K adalah konstanta laju
adsorpsi dan konstanta Langmuir seperti yang terdapat pada Tabel 1, 2, 3, 4, 5, dan 6.
Dari Tabel 1, 2, 3, 4, 5, dan 6 teramati bahwa laju adsorpsi ion logam Pb(II) dan Cd(II) pada ke tiga adsorben optimum pada temperatur 25oC, kenaikan temperatur menurunkan laju adsorpsi. Pada adsorben biomassa Nannochloropsis sp naiknya temperatur interaksi menyebabkan berkurangnya reaktifitas gugus-gugus fungsi yang berfungsi sebagai ligan, karena gugus-gugus tersebut terdapat sebagai penyusun dinding sel dan sitoplasma5, yang dapat rusak pada temperatur yang relatif tinggi. Sedangkan pada adsorben zeolit dan biomassa-zeolit menunjukkan bahwa kenaikan temparatur hanya menurunkan laju adsorpsi relatif tidak terlalu besar. Pemberian matrik pendukung zeolit pada biomassa Nannochloropsis sp, ternyata menyebabkan laju adsorpsi ion logam Pb(II) dan Cd(II) lebih rendah bila dibandingkan dengan laju adsorpsi pada biomassa Nannochloropsis sp, hal ini terjadi karena adanya zeolit menimbulkan agregasi pada biomassa
Nannochloropsis sp, akibatnya menurunkan
kemampuan adsorpsinya.8.
Laju adsorpsi ion Pb(II) pada biomassa Nannochloropsis sp, zeolit dan biomassa dengan matrik pendukung zeolit pada temperatur yang bervariasi secara umum lebih besar bila dibandingkan dengan laju adsorpsi untuk ion Cd(II). Hal ini dapat ditinjau dari ukuran kation terhidrat, ukuran kation terhidrat besar menyebabkan laju menjadi lambat. Ion Cd(II) memiliki ukuran kation 1,79 Ao lebih kecil sehingga ukuran kation terhidratnya besar bila dibandingkan dengan ion Pb(II) yang memiliki ukuran kation 2,14 Ao. Sedangkan apabila ditinjau dari konsep Pearson11, ion Pb(II) tergolong dalam asam borderline dan lebih cenderung berinteraksi dengan basa borderline, sedangkan ion Cd(II) tergolong asam lunak dan lebih cenderung berinteraksi dengan basa lunak.
4. KESIMPULAN
1. Adsorpsi ion logam Pb(II) dan Cd(II) biomassa Nannochloropsis sp, zeolit dan biomassa-zeolit optimum pada temperatur 25 oC.
2. Laju adsorpsi ion logam Pb(II) dan Cd(II) meningkat pada ketiga adsorben, dengan urutan : Zeolit < Biomassa-zeolit < biomassa Nannochloropsis sp
3. Konstanta dan laju adsorpsi ion logam Pb(II) pada adsorben biomassa Nannochloropsis sp, zeolit dan biomassa dengan matrik pendukung zeolit relatif lebih besar daripada ion Cd(II).
DAFTAR PUSTAKA
1. Mahan, C.A., Majidi, V. and Helcombe, J.A. 1989. Evaluation of The Metal Up Take of Saveral Algae Strains in a Multicomponent Matrix Utilising Inductively Couple Plasma Emission Spectrometry. Anal Chem., 6: 624 – 627.
2. Harris, P.O., and Ramelow, G.J., 1990. Binding of Metal Ions by Particulate Biomass Derived from Chlorella vulgaris and Scenedesmus quadricauda. Environ. Sci. Technol., 24 : 220-228.
3. Lewis., R. 1994. Biological Sorption. In Internet, Biorecovery System. Inc.
4. Crist, R.H, Oberholser K., and Mc Garrity, J., 1992. Interaction of Metals and Protons with Algae, 3. Marine Algae, With Emphasis on Lead and Alumunium. Environ. Sci. Technol., 26 : 496-502.
5. Tebo, B.M., 1995. Metal Precipitation by Marine Bacteria Potential for Biotechnological Application In Setlow, J.K., Gen.Eng., 7: 1017-1028.
6. Ochiai, E.I., 1991. Biomineralization, Principles and Application in Bioinorganic Chemistry V.. J. Chem. Educ., 68: 627-630.
7. Tong, C., Ramellow, U.S., and Ramellow, G.J., 1994. Evaluation of Polymeric Supports for Immobilizing Biomass to Prepare Sorbent Material for Metals, Intern., J. Environ. Anal. chem., 56 : 175-171.
8. Amaria, 1998, Evaluasi Kemampuan Adsorpsi
Biomassa Chaetoceros Calsitrans yang
Terimmobilisasi Pada Silika Gel terhadap ion Cd (II), Pb(II) dan Cu(II) dalam Medium Air, Tesis, Program Pasca Sarjana, UGM, Yogyakarta.
9. Hairil, F. 2001, Pemanfaatan Zeolit Alam Lampung yang Diaktivasi dengan NaOH Sebagai Adsorben Uap Pada Kondensasi Uap Industri Karet Remah. Skripsi Sarjana Kimia FMIPA Universitas Lampung, Bandar Lampung. 10. Jin, X., 1996, Kinetic of Single and Multiple Metal Ion Sorption Processes on humic Substance, Soil Science, 161 (8): 509-519. 11. Bowser, J.R., 1993, Inorganic Chemistry,
Brooks Cole Publishing Company A div. af Wadsworth, Inc., Belmont, California.
