i
STUDI KINETIKA ADSORPSI ANION NITRAT (NO3-) OLEH ADSORBEN SILIKA GEL DARI BAGASSE TEBU
SKRIPSI
Diajukan kepada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Yogyakarta untuk Memenuhi
Sebagian Persyaratan Guna Memperoleh Gelar Sarjana Sains Kimia
Oleh: Sutarmi 13307141009
PROGRAM STUDI KIMIA JURUSAN PENDIDIKAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
ii
STUDI KINETIKA ADSORPSI ANION NITRAT (NO3-) OLEH ADSORBEN SILIKA GEL DARI BAGASSE TEBU
Oleh: Sutarmi NIM. 13307141009
Pembimbing : Drs. Jaslin Ikhsan, M.App.Sc.,Ph.D.
ABSTRAK
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui: 1) karakteristik silika gel dari bagasse tebu, 2) mengetahui pengaruh waktu kontak terhadap adsorpsi anion NO3 -oleh silika gel, 3) mengetahui model kinetika adsorpsi.
Sintesis silika gel dilakukan melalui proses sol-gel dengan menambahkan HCl 1 M ke dalam larutan Na2SiO3 hasil sintesis dari bagasse tebu. Silika gel hasil sintesis dikarakterisasi secara spektroskopi FTIR dan XRD. Produk hasil sintesis kemudian digunakan untuk adsorpsi anion NO3-.
Hasil karakterisasi oleh FTIR menunjukkan bahwa silika gel telah berhasil disintesis dengan ditandai oleh munculnya serapan gugus silanol (Si-OH) dan gugus siloksan (Si-O-Si). Karakterisasi XRD menunjukkan bahwa silika gel mempunyai struktur amorf. Waktu optimum untuk adsorpsi anion NO3- oleh silika gel yaitu pada 2880 menit atau 2 hari. Dari hasil penelitian ditemukan bahwa mekanisme adsorpsi mengikuti model Lagergren Pseudo-Second-Order dengan tetapan laju (k2) sebesar − , x min-1. Berdasarkan persamaan Elovich, besarnya laju adsorpsi awal sebesar -6,054 x 10-14 mg g-1 min-1 dan besarnya luas permukaan dan energi aktivasi (β) adalah -1,415 x 106 g mg-1.Berdasarkan model kinetika difusi intra-partikel dan Boyd mekanisme adsorpsi anion nitrat oleh sorben silika gel terjadi melalui dua tahapan reaksi yang dikontrol oleh difusi intra-partikel dan laju proses adsorpsi dikendalikan oleh laju transfer massa molekul anion nitrat dari luar ke dalam adsorben silika gel
iii
THE STUDY OF ADSORPTION KINETIC OF NITRATE (NO
3-)
ANION BY GEL SILICA FROM SUGARCANE BAGASSE
By : Sutarmi 13307141009
Supervisor : Drs. Jaslin Ikhsan, M.App.Sc.,Ph.D.
ABSTRACT
This research aimed to determine how 1) characteristic of silica gel from sugarcane bagasse; 2) the influence of contact time toward adsorption NO3- anion by silica gel; 3) to determine kinetics model adsorption.
Synthesis of silica was prepared by sol-gel method by adding HCl 1 M into Na2SiO3 solution from the synthesis of sugarcane bagasse. The synthesized silica was characterized by FTIR spectroscopy and XRD. The product was then used for the adsorption of NO3- anion.
Result of characterization by FTIR showed that the silica was successfully synthesized by the presence of the absorption of silanol OH) and siloxane (Si-O-Si) groups. XRD characterization showed that silica had amorphous structure. The optimum time for the adsorption of anion NO3- by silica was 2880 minutes or 2 days. From the results of the study it was found that the adsorption kinetic follows the Lagergren PseudoSecondOrder model with the rate constant (k2) of -3.120 x 103 min-1. Based on the Elovich equation, the initial adsorption rate of -6.054 x 10-14 mg g-1 min-1 and the magnitude of surface area and activation energy (β) were -1.415 x 106 g mg-1. Based on the intra-particle diffusion kinetics and Boyd model, mechanism of nitrate anion adsorption by silica sorbent occurred through two stages of the reaction controlled by intra-particle diffusion and the rate of adsorption process was controlled by the mass transfer rate of the external anion nitrate molecule onto the silica adsorbent.
vi
HALAMAN PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini, saya: Nama : Sutarmi
NIM : 13307141009 Prodi : Kimia
Fakultas : MIPA
Judul : Studi Kinetika Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) oleh Adsorben Silika Gel dari Bagasse Tebu
menyatakan bahwa penelitian kimia ini adalah hasil dari pekerjaan saya sendiri. Sepanjang pengetahuan saya tidak terdapat karya atau pendapat yang ditulis atau diterbitkan orang lain, kecuali sebagai acuan atau kutipan dengan mengikuti tata penulisan karya ilmiah yang lazim. Tanda tangan dosen penguji yang tertera dalam halaman pengesahan adalah sah. Jika tidak sah, saya siap menerima sanksi ditunda yudisium periode berikutnya.
Yogyakarta, 21 Juni 2017 Yang menyatakan,
vii
MOTTO
Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan (QS. Al-Insyirah: 6)
Hiduplah seperti pohon kayu yang lebat buahnya; hidup di tepi jalan dan dilempari orang dengan batu, tetapi dibalas dengan buah
(Abu Bakar Sibli)
Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah
(Thomas Alva Edison)
Learn from yesterday, Live for today, And hope for tomorrow
viii kasih sayang yang tak terhingga semasa hidupnya dan memberikan rasa rindu yang berarti serta Ibu Poniyem, terimakasih atas limpahan do’a dan kasih sayang yang tak terhingga dan selalu memberikan yang terbaik.
3. Kakak-kakak saya, Mas Parwanto, Mbak Puryanti, Mbak Fitri Wahyuningsih, Mas Jemiran serta tidak lupa keponakan saya yang lucu-lucu Reyhan Abi Putra dan Rasyid Alvaro Putra yang telah memberikan kasih sayang, semangat, nasehat, dukungan dan do’anya selama ini yang tiada henti -hentinya.
4. Sahabat-sahabat tercinta Vutri Mandasari, Linda Tri Astuti, Dewi Ira Puspita Sari, dan Nikma Ulya yang selalu memberikan saran, masukan, semangat, dan dukungannya.
5. Rekan-rekan satu penelitian Karlinda, Setifani, Lucky, Puspa, Hernanda, Aruminah, dan Herlinda TYS yang selalu memberikan saran dan
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir Skripsi (TAS) yang telah penulis lakukan dengan judul “Studi Kinetika Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) oleh Silika Gel dari Bagasse Tebu”, shalawat serta salam tak lupa tercurahkan kepada Nabi Muhammad SAW yang kita nantikan sya’atnya di yaumil akhir kelak.
Dalam penyusunan tugas akhir skripsi ini, penulis tidak terlepas dari pihak-pihak yang telah memberikan bantuan, bimbingan, serta dukungan. Oleh sebab itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Prof. Dr. Sutrisna Wibawa, M.Pd. selaku Rektor Universitas Negeri Yogyakarta.
2. Dr. Hartono selaku Dekan FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta yang telah memberikan ijin penelitian.
3. Drs. Jaslin Ikhsan, M. App. Sc., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Pendidikan Kimia UNY, Ketua Prodi Kimia UNY, sekaligus Dosen Pembimbing yang telah memberi banyak saran, nasihat, bimbingan, dan keceriaan dalam penelitian ini.
x
5. Prof. Dr. Endang Widjajanti LFX, M.S selaku Dosen Pembimbing Akademik yang telah memberikan bimbingan kepada penulis selama masa kuliah berlangsung.
6. Seluruh Dosen, Staf, dan Laboran Jurusan Pendidikan Kimia FMIPA UNY yang telah banyak membantu selama perkuliahan dan penelitian.
7. Keluarga dan sahabat yang selalu mendoakan, mendukung, dan memberi semangat dalam melaksanakan kegiatan dan penyelesaian Tugas Akhir Skripsi.
8. Seluruh pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir Skripsi ini.
Demikian laporan tugas akhir skripsi ini, penulis mengharap kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan tugas akhir ini. Semoga tugas akhir skripsi ini dapat digunakan sebagaimana mestinya dan bermanfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.
xi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...i
ABSTRAK ... ii
ABSTRACT ... iii
HALAMAN PERSETUJUAN ... iv
HALAMAN PENGESAHAN ... v
HALAMAN PERNYATAAN ... vi
MOTTO ... vii
B. Identifikasi Masalah ... 3
C. Pembatasan Masalah ... 4
xii
C. Kerangka Berfikir ... 27
BAB III METODE PENELITIAN... 29
A. Subjek dan Objek Penelitian ... 29
B. Variabel Penelitian ... 29
C. Alat dan Bahan Penelitian ... 30
1. Alat Penelitian... 30
2. Bahan Penelitian ... 30
D. Prosedur Penelitian ... 31
E. Pengelolaan Data ... 34
1. Teknik Pengumpulan Data... 34
2. Teknik Analisis Data ... 34
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 41
A. Hasil Penelitian ... 41
1. Hasil Sintesis Silika Gel dari Bagasse Tebu ... 41
2. Hasil Analisis secara Difraksi Sinar-X (XRD) ... 42
3. Hasil Analisis secara Spektroskopi FTIR ... 42
4. Hasil Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) oleh Silika Gel dari Bagasse Tebu pada Variasi Waktu Kontak ... 43
5. Hasil Perhitungan Kinetika Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) ... 44
B. Pembahasan ... 47
1. Sintesis Silika Gel dari Bagasse Tebu ... 47
2. Hasil Analisis secara Difraksi Sinar-X ... 51
3. Hasil Analisis secara Spektroskopi FTIR ... 51
4. Kinetika terhadap Adsorpsi Anion NO3- ... 53
5. Model Kinetika Adsorpsi Anion NO3- ... 54
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 60
A. KESIMPULAN ... 60
B. SARAN ... 61
DAFTAR PUSTAKA ... 62
xiii
DAFTAR TABEL
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Struktur Kimia Silika Gel ... 9 Gambar 2. Difraktogram Silika Gel Hasil Sintesis dari Bagasse Tebu... 42 Gambar 3. Spektra FTIR (a) Kiesel Gel 60 dan (b) Silika Gel dari Bagasse Tebu
... 43 Gambar 4. Grafik Hubungan antara Jumlah Anion Nitrat (NO3-) terikat (%) dengan waktu (menit) ... 44 Gambar 5. Grafik Model Kinetika Lagergren Pseudo-First-Order Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) ... 44 Gambar 6. Grafik Model Kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) ... 45 Gambar 7. Grafik Model Kinetika Elovich Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) ... 45 Gambar 8. Grafik Model Kinetika Persamaan Difusi Intra Partikel Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) ... 46 Gambar 9. Grafik Model Kinetika Boyd terhadap Pengikatan Anion Nitrat (NO3-)
xv
DAFTAR LAMPIRAN
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Pupuk merupakan salah satu sumber nutrisi bagi suatu tumbuhan. Unsur yang terdapat di dalam pupuk sebagai unsur hara makro adalah Nitrogen (N), Fosfor (P), dan Kalium (K). Nitrogen merupakan salah satu unsur dalam pupuk yang diperlukan dalam jumlah banyak, namun keberadaannya dalam tanah sangat mobile sehingga mudah menguap (Nainggolan et al., 2009). Salah satu anion yang diserap oleh tanaman dalam bentuk nitrogen adalah anion nitrat (NO3-).
Menurut Abdulrachman et al. (2009) terdapat tiga faktor yang belum banyak dijadikan sebagai dasar pertimbangan dalam penetapan kebutuhan pupuk di lapangan. Ketiga faktor tersebut yaitu: (a) kapasitas tanah untuk mensuplai hara, (b) daya ikat dan melepas hara dari dalam tanah, dan (c) mobilitas hara dari pupuk yang digunakan. Ketiga faktor tersebut mempengaruhi efisiensi pemanfaatan pupuk oleh tanaman. Peningkatan efisiensi pemupukan dapat dilakukan dengan cara memperbaiki teknik aplikasi pemupukan dan perbaikan sifat fisik dan kimia pupuk. Menurut Nainggolan et al. (2009) salah satu cara untuk mengurangi kehilangan nitrogen adalah dengan cara membuat pupuk tersebut dalam bentuk slow release fertilizer (SRF). Ada banyak hibrida dan adsorben yang dapat
2
Adsorpsi adalah proses terikatnya suatu molekul yang berada sebagai fasa gas atau fasa cair atau dalam larutan pada permukaan suatu padatan. Molekul yang terikat pada permukaan padatan disebut adsorbat, sedangkan padatan yang menahan atau mengikat disebut adsorben (Masel, 1996). Pada proses adsorpsi mencakup dua hal penting yaitu kinetika adsorpsi dan termodinamika adsorpsi. Kinetika adsorpsi ditinjau berdasarkan laju adsorpsi sedangkan termodinamika adsorpsi ditinjau berdasarkan kapasitas adsorpsi dan energi adsorpsi yang terlibat (Purwaningsih, 2009). Kinetika adsorpsi selalu dikaitkan dengan waktu kontak antara adsorbat dengan adsorben yang merupakan suatu proses yang menyeluruh tentang konsentrasi awal, akhir, dan waktu yang dibutuhkan untuk perubahan dari konsentrasi awal ke konsentrasi akhir (Ikhsan et al., 2013)
3
terdapat kandungan kimia seperti SiO2 (60,96%), K2O (9,02%), MgO (8,65%), P2O5 (8,34%), CaO (5,97%), Na2O (0,70%), MnO (0,48%), Al2O3 (0,09%), Fe2O3 (0,09%), dan kandungan yang hilang dalam proses pembakaran (5,70%). Kandungan silika dalam abu bagasse yang cukup tinggi menjadikan abu bagasse berpotensi sebagai bahan baku pembuatan silika gel yang mempunyai nilai tambah secara ekonomi. Pembuatan silika gel dilakukan melalui proses ekstraksi basa (NaOH) dan proses sol-gel. Hasilnya memperlihatkan adanya gugus Si-O-Si, Si-O, Si-OH dimana gugus-gugus tersebut merupakan gugus dari silika gel (Ika, 2013).
Berdasarkan uraian singkat di atas, maka melalui penelitian ini mengkaji laju adsorpsi nitrat oleh adsorben silika, menggunakan permodelan kinetika. Dengan demikian, penelitian ini dilakukan untuk mengukur kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagase tebu.
B. Identifikasi Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, pokok permasalahan yang dapat diidentifikasi dalam penelitian ini adalah:
1. jenis adsorben yang digunakan dalam penelitian, 2. jenis adsorbat yang diteliti dalam penelitian,
4
C. Pembatasan Masalah
Berdasarkan identifikasi masalah di atas, maka perlu diberikan pembatasan masalah yaitu:
1. jenis adsorben yang digunakan dalam penelitian ini adalah silika gel dari bagasse tebu,
2. jenis adsorbat yang digunakan dalam penelitian ini adalah anion nitrat (NO3-),
3. variasi waktu yang digunakan selama proses adsorpsi adalah 5 menit, 15 menit, 30 menit, 60 menit, 120 menit, 180 menit, 24 jam, 48 jam, 72 jam dan 96 jam.
4. Model kinetika yang digunakan untuk analisis data pada penelitian ini adalah Lagergren Pseudo-First-Order, Lagergren Pseudo-Second-Order, Elovich, difusi intra-partikel, dan Boyd.
D. Perumusan Masalah
Berdasarkan pembatasan masalah di atas, maka dapat ditentukan rumusan masalah sebagai berikut:
1. bagaimana karakteristik silika gel dari bagasse tebu?
2. bagaimana pengaruh waktu kontak dalam adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu?
5
E. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. mengetahui karakteristik silika gel dari bagasse tebu,
2. mengetahui pengaruh waktu kontak dalam adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu,
3. mengetahui model kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu.
F. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang dapat diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagi peneliti
a. memberikan informasi tentang karakter silika gel dari bagasse tebu yang telah disintesis,
b. memberikan informasi tentang pengaruh waktu kontak terhadap sifat adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh silika gel dari bagasse tebu,
c. memberikan informasi tentang model kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh silika gel dari bagasse tebu.
2. Bagi masyarakat
6 3. Bagai akademisi
7
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
A. Deskripsi Teori
1. Bagasse Tebu
Tebu atau saccharum officinarum (sugarcane) termasuk dalam tanaman jenis rumput-rumputan yang mana air dari batangnya dimanfaatkan untuk bahan baku gula dan vetsin. Tanaman ini hanya tumbuh di daerah tropis. Tanah yang dibutuhkan untuk perkembangan tebu adalah alluvial, grumosol, latosol dan regusol dengan ketinggian 0-600 m dpl (Kementerian Pertanian, 2016).
Tebu merupakan bahan baku utama dalam pembuatan gula. Bagian tebu yang diambil sebagai bahan dasar pembuatan gula adalah cairan yang terdapat pada batang tebu. Pada proses ekstraksi (pemerahan) cairan tebu menghasilkan hasil sampling berupa ampas (bagasse) tebu (Maiwita et al., 2014). Dalam proses produksinya, tebu menghasilkan 90% ampas tebu, 5% molase dan 5% air. Dengan persentase jumlah ampas tebu yang mencapai 90% per batangnya, hal ini menjadi dampak negatif bagi produsen gula jika tidak mampu mengelola limbah yang dihasilkan, seperti penutupan pabrik karena permasalahan pengelolaan limbah (Amie & Nugraha, 2014).
8
larut (serabut, epidermis, dll.) dan juga hasil samping dari pengolahan tebu menjadi gula (Makfoeld et al., 2006). Pada proses penggilingan tebu, dilakukan lima kali proses penggilingan dari mulai batang tebu sampai dihasilkan ampas tebu (Purnawan et al., 2012). Sebagian besar ampas tebu digunakan sebagai bahan bakar ketel (boiler) untuk memproduksi energi, sedangkan sisanya terhampar di lahan pabrik sebagai limbah padat yang merugikan lingkungan jika tidak dimanfaatkan (Ariningsih, 2014). Menurut Schwantes et al., (2015) dari satu pabrik dihasilkan ampas tebu sekitar 35 – 40% dari berat tebu yang digiling. Sebelum dihasilkan abu bagasse, bagasse tebu yang telah kering, terlebih dahulu digiling dan dilakukan pembakaran menggunakan furnace.
9 2. Silika Gel
Silika adalah senyawa hasil polimerisasi dari asam silikat dengan formula umum SiO2. Senyawa silika di alam dapat ditemukan dalam beberapa bahan alam, seperti pasir, kuarsa, gelas, dan sebagainya. Silika yang terdapat di alam sebagai senyawanya berstruktur kristalin, sedangkan sebagai senyawa sintesis berstruktur amorph (Sulastri & Kristianingrum, 2010). Silika gel merupakan salah satu bahan anorganik yang memiliki kelebihan sifat, yaitu memiliki kestabilan tinggi terhadap pengaruh mekanik, temperatur, dan kondisi keasaman. Kelebihan sifat silika gel ini menyebabkan silika gel banyak digunakan sebagai adsorben, material pendukung katalis, dan lain-lain (Sriyanti et al., 2005).
Menurut Oscik (1982: 188), silika gel memiliki rumus kimia secara umum yaitu SiO2.x H2O. Struktur satuan mineral silika pada dasarnya mengandung kation Si4+ yang terkoordinasi secara tetrahedral dengan anion O2-. Namun demikian, susunan tetrahedral SiO4 pada silika gel tidak beraturan seperti yang tergambar dibawah ini.
10
Silika gel merupakan suatu bentuk dari silika yang dihasilkan melalui penggumpalan sol natrium silikat (Na2SiO3). Sol mirip agar-agar ini dapat didehidrasi sehingga berubah menjadi padatan atau butiran mirip kaca yang bersifat tidak elastis (Ummah et al., 2013). Silika gel adalah padatan anorganik yang mempunyai gugus silanol (Si-OH) dan gugus siloksan (Si-O-Si) di permukaan dan mempunyai luas permukaan yang besar . Di samping itu, silika gel mempunyai pori-pori yang luas, berbagai ukuran partikel dan area permukaan yang khas (Kristianingrum et al., 2011).
3. Proses Sol Gel
Proses sol-gel adalah proses pembuatan polimer anorganik atau keramik dari larutan melalui transformasi dari prekursor cairan menjadi sol dan akhirnya membentuk sebuah struktur jaringan yang disebut dengan “gel”. Secara tradisional, pembentukan sol dapat didefinisikan
secara lebih umum sebagai suspensi koloid. Dalam proses sol-gel, ada banyak cara yang berbeda untuk sebuah gel dapat terbentuk. Terkadang, prekursor yang sama dapat terbentuk struktur yang berbeda hanya dengan perubahan kecil sesuai dengan kondisi (Danks et al., 2016).
11
proses pembentukan silika gel akan menyebabkan reaksi kondensasi terhadap ion silikat. Menurut Nuryono & Narsito (2005), pembentukan gel bergantung pada pH atau konsentrasi proton dalam larutan dan tidak bergantung pada jenis asam. Pada penambahan asam menyebabkan semakin tinggi konsentrasi proton (H+) dalam larutan natrium silikat dan sebagian gugus siloksi (Si-O-) membentuk gugus silanol (Si-OH). Menurut Indriyanti et al., (2011), pembentukan silika gel pada pH=7 terjadi sangat cepat dan dalam waktu hanya beberapa menit dan menghasilkan gel yang padat. Silika gel pada pada pH=7 ada dalam bentuk SiO2 yang bertanggung jawab terhadap pembentukan ikatan siloksan. Tetapi SiO2 akan berubah menjadi Si(OH)4 jika pH lebih rendah (asam). Dengan berkurangnya ikatan siloksan maka gel yang dihasilkan akan kurang rigid (padat). Apabila dalam pH basa, ikatan siloksan yang terbentuk lemah. Prinsip dasar dari proses sol-gel ini adalah perubahan atau transformasi dari spesies Si-OR dan SiOH menjadi siloksan (Si-O-Si). Silika gel yang mempunyai gugus silanol bebas (-Si-OH) dan gugus siloksan (-Si-O-Si-) diketahui mampu mengadsorpsi ion logam keras (Purwaningsih, 2009).
12
terbentuk gel. Setelah menjadi gel, hasil yang diperoleh yaitu berupa silika gel kemudian dilakukan karakterisasi dengan FTIR dan XRD (Yusuf et al., 2014).
Pada pembuatan silika yang dilakukan melalui proses sol-gel memiliki beberapa keunggulan. Keunggulan tersebut antara lain pembuatannya mudah, dapat disimpan dalam waktu yang lama, dapat digunakan kembali, memiliki daya tahan yang baik terhadap perubahan-perubahan pelarut kimia, bersifat inert, sifat adsorpsi dan pertukaran ion yang baik, serta dapat digunakan untuk prekonsentrasi atau pemisahan analit karena proses pengikatan analit pada permukaan silika yang bersifat reversible, karakteristik fasanya dapat diatur dengan suhu sintering untuk mendapatkan fasa amorf, kristobalit, dan tridimit (Mar’atus S. & Saputro, 2012). Dibandingkan metode lain, imobilisasi pada proses sol-gel lebih sederhana dan cepat karena reaksi pengikatan berlangsung secara bersamaan dengan proses terbentuknya padatan. Selain itu, teknik imobilisasi melalui proses sol-gel lebih mudah di lakukan di laboratorium karena reaksi dapat dilakukan pada temperatur kamar (Wogo et al., 2011).
4. Unsur Hara Nitrat (NO3-)
13
amonium. Untuk pertumbuhan tanaman, Nitrogen yang diserap oleh tanaman tergantung dari spesies tanaman dan juga faktor lingkungan (Hasiholan et al., 2000). Nitrogen mudah hilang dari tanah sehingga perlu dikurangi kehilangannya dengan membentuk pupuk dalam bentuk tersedia lambat (slow release). Bentuk nitrogen yang diadsorpsi oleh tanaman berbeda-beda. Unsur hara NH4+ dan NO3- mempengaruhi kualitas tanaman sehingga ada tanaman yang tumbuh lebih baik bila diberi NH4+, ada yang lebih baik tumbuh bila ditambah NO3-, dan ada pula tanaman yang tidak berpengaruh oleh bentuk nitrogen tersebut. Nitrogen yang diserap dalam tanaman dirubah menjadi –N, -NH-, -NH2. Bentuk reduksi ini kemudian dirubah menjadi senyawa yang lebih kompleks dan akhirnya menjadi protein bagi tanaman (Nainggolan et al., 2009).
14
efisiensi pemberian pupuk nitrogen sesuai dengan kebutuhan tanaman dan ketersediaan unsur hara di dalam tanah (Triyono et al., 2013).
5. Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses terikatnya suatu molekul yang berada sebagai fasa gas atau fasa cair atau dalam larutan pada permukaan suatu padatan. Molekul yang terikat pada permukaan padatan disebut adsorbat, sedangkan padatan yang menahan atau mengikat disebut adsorben. Proses ketika molekul berikatan disebut dengan adsorpsi. Proses pelepasan molekul dari permukaan adsorben disebut desorpsi (Masel, 1996).
Menurut penelitian yang dilakukan oleh (Mar’atus S. & Saputro, 2012), dalam proses adsorpsi dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti waktu kontak, karakteristik adsorben, pH, kelarutan adsorbat, temperatur, dan massa adsorben. Waktu kontak merupakan hal yang sangat mempengaruhi proses adsorpsi, hal ini dikarenakan waktu kontak memungkinkan terjadinya proses difusi dan penempelan molekul adsorbat kecuali setelah mencapai waktu optimum. Hal ini dikarenakan semakin lama waktu kontak maka zat yang teradsorpsi juga semakin banyak.
6. Kinetika Adsorpsi
15
model kinetika adsorpsi yang telah dikembangkan, dapat digunakan sebagai sarana memprediksi laju adsorpsi suatu adsorbat pada adsorben tertentu (Holle et al., 2013). Kinetika adsorpsi menggambarkan laju pengambilan adsorbat oleh adsorben pada bertambahnya waktu kontak merupakan salah satu parameter yang menggambarkan efsiensi adsorpsi (Sulastri et al., 2014).
Kinetika adsorpsi selalu dikaitkan dengan waktu kontak antara adsorbat dan sorben, yang merupakan suatu proses yang menyeluruh tentang konsentrasi awal, akhir, dan waktu yang dibutuhkan untuk perubahan dari konsentrasi awal ke konsentrasi akhir. Untuk proses adsorpsi, diperlukan persamaan laju reaksi yang tergantung pada kapasitas adsorpsi suatu adsorben, dan informasinya diharapkan dapat melengkapi informasi proses adsorpsi dan mekanisme reaksi adsorpsi berdasarkan data eksperimen (Ikhsan et al., 2013).
Data kinetika yang diperoleh di dalam penelitian dapat dianalisa dengan beberapa model persamaan kinetika adsorpsi. Beberapa model persamaan kinetika yang dapat digunakan yaitu persamaan Lagergren
Pseudo First Oder, Persamaan Lagergren Pseudo Second Order,
Persamaan Elovich, Persamaan Difusi Intrapartikel, dan Persamaan Boyd. a. Persamaan Lagergren Pseudo-First-Order
Secara umum, persamaan Kinetika Lagergren Pseudo-First-Order dinyatakan sebagai berikut:
dqt
16
Persamaan diatas kwaktuemudian di integral dengan batas-batas t=0 sampai t=t, dan ��=0 sampai qt=qt, maka persamaan kinetika Lagergren Pseudo-First-Order menjadi:
log q − qt = log q − ,k t
Keterangan: q = kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (mg g-1) qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t (mg g-1) k = konstanta laju reaksi pseudo order satu (menit-1) t = waktu (menit)
Persamaan tersebut dapat digunakan sebagai model data eksperimen kinetika dengan cara memplotkan log q − qt versus t yang akan menghasilkan garis lurus jika reaksi sorpsi berorder total satu.
b. Persamaan Lagergren Pseudo-Second-Order
Untuk persamaan mekanisme reaksi order kedua dalam suatu adsorpsi, persamaan laju kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order dinyatakan sebagai berikut:
��
� = ��− ��
Persamaan diatas kemudian di integral dengan batas-batas t=0 sampai t=t, dan ��=0 sampai qt=qt, maka persamaan kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order menjadi:
��− �� = ��+ �
�
17
Jika k�� = h, maka persamaan diatas dapat dituliskan sebagai �
�� = ℎ + ���
Keterangan: q = kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (mg g-1) qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t (mg g-1) k = konstanta laju reaksi pseudo order dua (g mg-1 menit-1)
t = waktu (menit)
Model kinetika ditentukan berdasarkan dengan nilai kolerasi (r) yang lebih tinggi yang diperoleh dari persamaan garis dari grafik hubungan log(qe-qt) versus waktu (t) untuk Lagergren PseudoFirst-Order dan t/qt versus waktu (t) untuk Lagergren Pseudo-Second-Order (Ho & McKay, 1998).
c. Persamaan Elovich
Persamaan Elovich berasumsi bahwa permukaan padat sesungguhnya merupakan heterogen. Persamaan Elovich dapat dinyatakan sebagai berikut:
��
� = −���
Integrasi dari persamaan diatas dengan batas kondisi ��= 0 pada t = 0 dan �� = �� maka diperoleh persamaan Elovich sebagai berikut:
��= ln + ln �
Keterangan �� = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t α = laju adsorpsi awal (mg/(g min))
18
Jika dilakukan plot antara �� versus ln (t), maka akan diperoleh nilai α dan β (Munifah et al., 2011).
d. Persamaan Difusi Intrapartikel
Model difusi intra partikel digunakan untuk mengidentifikasi mekanisme adsorpsi dan untuk memprediksikan tahapan reaksi (Ejikeme et al., 2014). Persamaan difusi intra-partikel digunakan untuk mendeskripsikan kinetika sorpsi yang dapat dinyatakan melalui rumus berikut
qt= k t / + C
Keterangan k = konstanta laju difusi intra-partikel (mgg-1min-1(1/2)) qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t (mg g-1)
C = menggambarkan ketebalan dari batas lapisan
Jika dilakukan plot antara qt versus t / , maka akan didapatkan garis lurus dengan slope k dan intersep C ketika mekanisme adsorpsi mengikuti proses difusi intra-partikel (Imaga & Abia, 2015). Tiga tahapan untuk menggambarkan proses adsorpsi yaitu:
1) Perpindahan sorbat yang bergerak menuju permukaan luar adsorben melalui difusi molekuler atau dikenal dengan difusi eksternal (atau difusi film),
2) difusi internal, dimana terjadi perpindahan sorbat dari permukaan adsorben menuju bagian dalam gugus aktif adsorben,
19 e. Boyd
Model Boyd digunakan untuk memprediksikan tahap lambat yang sesungguhnya dalam proses adsorpsi. Persamaan kinetika Boyd dapat dinyatakan sebagai berikut (Nethaji et al., 2013)
� = − , − ln − �
dimana � = �� �
�
⁄
Keterangan: qe = kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (mg g-1) qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t (mg g-1) mendominasi reaksi (Ejikeme, et al., 2014).
7. Spektroskopi FTIR
20
teknik emisi (emission), teknik fluoresensi (fluorescence). Komponen medan listrik yang banyak berperan dalam spektroskopi umumnya
Hanya komponen medan listrik seperti dalam fenomena transmisi, pemantulan, pembiasan, dan penyerapan. Penyerapan gelombang elektromagnetik dapat menyebabkan terjadinya eksitasi tingkat-tingkat energi dalam molekul. Dapat berupa eksitasi elektronik, vibrasi, atau rotasi.
Penemuan inframerah ditemukan pertama kali oleh William Herschel pada tahun 1800. Penelitian selanjutnya diteruskan oleh Young, Beer, Lambert dan Julius melakukan berbagai penelitian dengan menggunakan spektroskopi inframerah. Pada tahun 1892 Julius menemukan dan membuktikan adanya hubungan antara struktur molekul dengan inframerah dengan ditemukannya gugus metil dalam suatu molekul akan memberikan serapan karakteristik yang tidak dipengaruhi oleh susunan molekulnya.
Rumus yang digunakan untuk menghitung besarnya energi yang diserap oleh ikatan pada gugus fungsi adalah:
E = h. v = h. Cλ = h. Cv
Keterangan: E= energi yang diserap (erg)
h= tetapan Planck (6,62x10-27 erg det-1) v= frekuensi (Hz)
C = kecepatan cahaya (3x1010 cm/det) = panjang gelombang (cm)
21
Menurut Yusuf et al. (2014), gugus silanol (Si−OH) dan gugus siloksan (Si−O−Si) merupakan sisi aktif pada permukaan silika gel yang
dapat digunakan pada keperluan adsorpsi. Karakterisasi menggunakan spektroskopi inframerah ini bertujuan untuk mengetahui adanya gugus silanol (Si−OH), siloksan (Si−O−Si), dan gugus-gugus lain. Menurut Indriyanti et al., (2011), Setiap gugus fungsional mempunyai karakteristik bilangan gelombang tertentu. Sehingga keberhasilan sintesis adsorben ini didasarkan pada analisis spektroskopi inframerah yang dapat dijadikan dasar analisis kualitatif.
Serapan karakteristik senyawa-senyawa karbon-silikon (Sastrohamidjojo, 1992: 102) ditunjukan pada tabel berikut
Tabel 1. Serapan karakteristik senyawa-senyawa organo-silikon
Gugus Fungsional Frekuensi (cm-1) Panjang Gelombang( m)
22
X- Ray Diffraction (XRD) merupakan metode karakterisasi yang dapat memberikan informasi tentang susunan atom, molekul atau ion dalam bentuk padat/ kristal. Analisis berdasarkan kepada pengukuran transmisi dan difraksi dari sinar-X yang dilewatkan pada sampel padat. Difraksi sinar-X suatu teknik yang digunakan untuk menentukan sistem kristal, kualitas kristal, dan identifikasi campuran dan analisis kimia (Tutu et al., 2015). Difraksi sinar-X (XRD) merupakan metode yang penting
23
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Hanafi & Nandang (2010), pola difraksi analisa XRD abu bagasse pada suhu pengabuan 500, 600, 700 dan 800°C dievaluasi dengan membandingkan nilai d dari puncak-puncak pada sampel dengan puncak-puncak standar SiO2, dimana fasa SiO2 ditemukan pada daerah 2θ = 20 – 27°. Bentuk dari puncak SiO2 yang memilki kekristalan tinggi ditunjukkan dengan bentuk puncak yang menajam pada 2θ = 20– 25°, puncak ini akan semakin tinggi ketika suhu pengabuan dinaikkan. Hal ini sesuai dengan teori pertumbuhan kristal yang akan naik dengan peningkatan suhu pemanasan sampai terbentuknya kristal secara sempurna. Dengan demikian, kenaikkan intensitas puncak SiO2 menandakan adanya pertumbuhan kristal. Derajat kekristalan bentuk SiO2 pada suhu pengabuan 500 dan 600°C adalah rendah dibandingkan dengan kekristalan pada suhu pengabuan 700 dan 800°C, artinya pada daerah ini fasa SiO2-amorf masih mendominasi bentuk SiO2 yang dihasilkan. Demikian juga sebaliknya derajat kekristalan bentuk SiO2 pada suhu pengabuan 700 dan 800°C adalah tinggi dibandingkan dengan kekristalan pada suhu pengabuan 500 dan 600°C, artinya pada daerah ini fasa SiO2-kritalin mendominasi bentuk kristal yang dihasilkan.
9. Spektroskopi UV-Vis
24
elektromagnet, maka sebagian dari cahaya akan diserap sesuai dengan struktur molekul senyawa tersebut. Serapan cahaya oleh molekul dalam daerah spektrum UV-Vis tergantung pada struktur elektronik dari molekul (Atun, 2016: 7).
Serapan Cahaya oleh molekul dalam daerah spektrum ultraviolet dan terlihat tergantung pada strukstur elektronik dari molekul. Spektra ultraviolet dan terlihat dari senyawa-senyawa organik berkaitan erat transisi-transisi diantara tingkatan-tingkatan tenaga elektronik. Disebabkan karena hal ini, maka serapan radiasi ultraviolet/ terlihat sering dikenal sebagai spektroskopi elektronik. Pengukuran adsorbansi dilakukan pada panjang gelombang maksimum, dimana pada panjang gelombang tersebut adsorbansinya maksimum (Hendyana, et al., 1994: 176). Panjang gelombang maksimum tersebut dapat ditentukan dari spektrum adsorpsi. Spektrum adsorpsi adalah grafik yang menyatakan hubungan antara adsorbansi dengan panjang gelombang. Sprektrum ini dpat dibuat dengan menyalurkan nilai absorbansi dari suatu larutan standar dengan konsentrasi tertentu pada berbagai panjang gelombang. Berdasarkan spektrum ini, panjang gelombang yang memberikan nilai absorbansi terbesar dapat ditentukan. Apabila kurva ideal, akan diperoleh kurva simetri dengan puncak sempit.
25
kalibrasi, dibuat larutan (standar) induk yang kemudian diencerkan sesuai variasi konsentrasi yang dikehendaki. Larutan-larutan encer ini diukur absorbansinya/ transmitansinya pada panjang gleombang maksimum. Secara matematik, apabila sistem terjadi secara ideal maka akan diperoleh suatu garis lurus hubungan antara absorbansi (atau transmitansi) dengan konsentrasi, menurut hukum Lambert-Beer didefinisikan sebagai berikut (Sastrohamidjojo, 2007: 15).
�� � = � � = ℇ � � Dimana A: absorbansi
ℇ: koefisien ekstingsi molar b: panjang jalan sinar C: konsentrasi
B. Penelitian yang Relevan
Penelitian yang dilakukan oleh Nuryono dan Narsito (2005) yang berjudul “Pengaruh Konsentrasi Asam Terhadap Karakter Silika Gel Hasil
Sintesis dari Natrium Silikat” menyebutkan bahwa karakter silika gel yang
26
berstruktur amorf, dan menunjukkan pola yang mirip dengan silika gel (Kieselgel)G 60 yang diproduksi oleh Merck.
Nazriati et al. (2011) berjudul Sintesis Silika Aerogel dengan Bahan Dasar Abu Bagasse menyatakan bahwa abu bagasse dapat dimanfaatkan
sebagai bahan dasar untuk mensintesis silika aerogel. Karakteristik silika aerogel yang dihasilkan dengan memvariasikan komposisi SA:TMCS:HMDS memiliki luas permukaan antara 50-488 m2/g, volume pori 0,2-0,9 m3/g, sudut kontak 48-119, dan silika aerogel yang dihasilkan termasuk mesopori. Silika aerogel ini berpotensi sebagai penyangga katalis, adsorben senyawa organik, dan hydrogen storage.
Jaslin Ikhsan et al. (2015) berjudul Pengaruh pH Pada Adsorpsi Kation Unsur Hara Ca2+ dan K+ oleh Silika Dari Lumpur Lapindo bahwa
adsorpsi kation secara signifikan dipengaruhi oleh pH. Semakin tinggi pH, semakin tinggi pula persentase kation terikat oleh silika. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, adsorpsi kation bergeser ke pH yang lebih besar karena konsentrasi kation yang lebih besar membutuhkan gugus aktif permukaan (SiO¯ ) dalam konsentrasi lebih besar, dan untuk itu pH sistem harus lebih tinggi.
Schwantes, et al. (2015) berjudul Nitrate Adsorption Using Sugar Cane Bagasse Physicochemically Changed menyatakan bahwa waktu
27
Penelitian ini bertujuan melakukan sintesis silika gel dari bagasse tebu. Sintesis silika gel dilakukan melalui proses sol-gel dengan mengasamkan larutan natrium silikat hasil ekstrasi dari bagasse tebu. Silika gel hasil sintesis digunakan untuk proses adsorpsi anion nitrat (NO3-) dengan dilakukan pengaruh variasi waktu kontak. Data adsorpsi anion nitrat (NO3-) yang diperoleh diolah untuk menentukan model kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu.
C. Kerangka Berfikir
28
Untuk memperoleh silika gel, bagasse tebu yang mengandung silika cukup tinggi tersebut disintesis dengan metode sol-gel. Hasil sintesis tersebut kemudian dikarakterisasi dengan spektroskopi FTIR dan difraksi sinar-X (XRD). Karakterisasi dengan spektroskopi FTIR dilakukan untuk mengetahui adanya gugus silanol (Si−OH) dan siloksan (Si−O−Si) yang ada pada silika
29
BAB III
METODE PENELITIAN
A. Subjek dan Objek Penelitian
1. Subjek Penelitian
Subjek penelitian ini adalah silika gel dari bagasse tebu. 2. Objek Penelitian
Objek Penelitian ini adalah kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu.
B. Variabel Penelitian
1. Variabel Bebas
Variabel bebas dalam penelitian ini adalah variasi waktu kontak proses adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh adsorben silika gel dari bagasse tebu yaitu 5 menit, 10 menit, 15 menit, 30 menit, 60 menit, 120 menit, 180 menit, 24 jam, 48 jam, dan 96 jam.
2. Variabel Terikat
Variabel terikat dalam penelitian ini adalah kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh silika gel dari bagasse tebu.
3. Variabel Kontrol
30
C. Alat dan Bahan Penelitian
1. Alat Penelitian
a. Spektrofotometer FTIR b. Difraksi sinar-X
c. Spektrofotometer UV-Vis d. Oven
e. Muffle furnace
f. Timbangan analitik
g. Perangkat penyaring Buchner h. pH indikator universal
i. pH meter j. Termometer k. Teflon
l. Magnetic stirer dan pemanas
m. Shaker
n. Ayakan 200 mesh
o. Lumpang dan alu porselen p. Alat-alat gelas
2. Bahan Penelitian
a. Bagasse tebu dari penjual minuman sari tebu di Sunday Morning b. HCl dan NaOH untuk pemisahan silika
31 e. Aquades
f. Aquades bebas ion (aquademineralisata) g. Kertas saring Whatman No.42
D. Prosedur Penelitian
1. Sintesis Silika Gel dari Bagasse Tebu a. Preparasi Sampel Bagasse Tebu
1) Sampel bagasse tebu dijemur hingga kering kemudian dibakar dan ditumbuk hingga halus.
2) Sampel dikalsinasi di dalam muffle furnace dengan suhu 600°C selama 5 jam sampai menjadi abu.
3) Sampel hasil kalsinasi di tumbuk dan diayak dengan ayakan ukuran 200 mesh hingga diperoleh abu bagasse yang halus. b. Pembuatan Natrium Silikat dari Abu Bagasse Tebu
1) Dua puluh gram abu bagasse tebu yang telah halus dimasukkan ke dalam teflon kemudian ditambahkan 1L larutan HCl 0,1 M. 2) Campuran diaduk dengan magnetic stirer selama 2 jam dan
dibiarkan selama semalam.
3) Campuran disaring dengan menggunakan penyaring Buchner dan dicuci dengan menggunakan aquademineralisata hingga netral. 4) Abu hasil pencucian dikeringkan dengan oven pada suhu 80°C
32
5) Enam gram abu hasil pencucian direaksikan dengan larutan 200 ml NaOH 1M dalam wadah teflon.
6) Campuran dipanaskan pada suhu ± 90°C selama 1 jam sambil diaduk dengan magnetic stirer.
7) Filtrat dipisahkan dari endapannya dengan menyaring campuran menggunakan kertas saring Whatman No.42. Cairan yang diperoleh adalah larutan natrium silikat (Na2SiO3).
c. Pembuatan Silika Gel
1) Larutan Na2SiO3 hasil sintesis, ditambahkan dengan HCl 1M secara perlahan-lahan sambil diaduk dengan magnetic stirer hingga pH netral dan terbentuk gel.
2) Campuran larutan dibiarkan selama 18 jam, kemudian disaring dengan penyaring Buchner dan dicuci dengan aquades hingga netral.
3) Silika gel yang diperoleh, di oven pada suhu 80°C sampai massa konstan.
2. Karakterisasi Secara Spektroskopi FTIR dan Difraksi Sinar-X a. Spektroskopi FTIR
33 b. Difraksi sinar-X
Pengukuran difraksi sinar-X menggunakan instrumen Rigaku Miniflex Benchtop X-ray Difraction. Sampel diletakkan pada sample holder dalam alat difraktometer sinar-X. Sampel kemudian disinari menggunakan sinarX, dimana selama proses penyinaran sampel dirotasi dengan kecepatan 60 rpm. Sudut pembacaan dalam pengukuran difraksi sinar-X diperoleh grafik intensitas versus sudut difraksi (2θ).
3. Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) Oleh Silika Gel dari Bagasse Tebu Eksperimen Adsorpsi yang dilakukan berdasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh Ikhsan dkk. (2005, 2006).
1) Sebanyak 0,2 gram adsorben silika gel dimasukkan dalam 200 mL larutan NO3-0,001 M dengan suhu dipertahankan konstan 25°C dan pH 5.
2) Mengaduk campuran suspensi dengan shaker.
34
E. Pengelolaan Data
1) Teknik Pengumpulan Data
Data yang diperoleh dari penelitian ini berupa data kualitatif maupun kuantitatif.
a. Data Kualitatif
Data kualitatif hasil karakterisasi dengan spektroskopi FTIR untuk mengetahui gugus-gugus fungsi yang terkandung di dalam silika gel dari bagasse tebu. Selain itu juga data kualitatif hasil karakterisasi dengan difraksi sinar-X untuk mengetahui kristalinitas dan kemurnian silika gel.
b. Data Kuantitatif
Data kuantitatif diperoleh dari pengukuran konsentrasi anion nitrat (NO3-) dengan UV-Vis. Data yang diperoleh berupa data konsentrasi nitrat (NO3-) sebelum dan sesudah adsorpsi. Data yang diperoleh dianalisis untuk membandingkan besar % terikat dan laju ikat.
2) Teknik Analisis Data
Pada penelitian ini, teknik analisis data yang dilakukan dengan metode spektroskopi UV-Vis, yaitu:
a. Penentuan persamaan garis dari hasil analisis kurva standar Rumus persamaan umum garis lurus:
35
a = N ΣN Σ 2− Σ− Σ Σ2 b =
N Σ − Σ Σ
N Σ 2 − Σ 2
keterangan: a = koefisien kemiringan garis (slope) b = intersep
x = konsentrasi larutan standar y = absorbansi larutan standar N = banyaknya data
b. Penentuan konsentrasi anion NO3- dan jumlah anion NO3- terikat Untuk menentukan konsentrasi larutan NO3- setelah adsorpsi dapat dilakukan dengan mensubstitusikan persamaan garis regresi linier yang telah diperoleh. Kemudian masing-masing harga absorbansi larutan sampel disubstitusikan ke dalam persamaan:
y = ax + b x = −
Berdasarkan persamaan di atas maka konsentrasi larutan NO3- dalam larutan dapat ditentukan. Perhitungan dilakukan secara otomatis oleh program komputerisasi dari alat spektrofotometer ultraviolet tampak (UV-Vis). Sedangkan untuk menghitung jumlah % terikat dihitung dengan menggunakan data konsentrasi sisa tersebut. Jumlah % terikat dengan persamaan berikut:
% terikat = C C− C r
r x %
c. Pengolahan dengan model kinetika
36
Order atau Lagergren Pseudo Second Order. Persamaan tersebut
digunakan sebagai model data kinetika adsorpsi. Menurut Ho & McKay (1998) model persamaan kinetika adsorpsi adalah sebagai berikut:
1) Model Kinetika Lagergren Pseudo-First-Order
Secara umum, persamaan Kinetika Lagergren Pseudo-First-Order dinyatakan sebagai berikut:
dqt
dt = k q − qt
Persamaan diatas kemudian di integral dengan batas-batas t=0 sampai t=t, dan ��=0 sampai qt=qt, maka persamaan kinetika Lagergren Pseudo-First-Order menjadi:
log q − qt = log q − ,k t
Keterangan: q = kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (mg g-1)
qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t
(mg g-1)
k = konstanta laju reaksi pseudo order satu (menit-1)
t = waktu (menit)
37
versus t yang akan menghasilkan garis lurus jika reaksi sorpsi berorder total satu.
2) Model Kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order
Untuk persamaan mekanisme reaksi order kedua dalam suatu adsorpsi, persamaan laju kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order dinyatakan sebagai berikut:
��
� = ��− ��
Persamaan diatas kemudian di integral dengan batas-batas t=0 sampai t=t, dan ��=0 sampai qt=qt, maka persamaan kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order menjadi:
��− �� = ��+ �
�
�� = k�� + ���
Jika k�� = h, maka persamaan diatas dapat dituliskan sebagai �
��= ℎ + ���
Keterangan: q = kapasitas adsorpsi pada saat kesetimbangan (mg g-1)
qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t
(mg g-1)
k = konstanta laju reaksi pseudo order dua (g mg-1 menit-1)
38
Model kinetika ditentukan berdasarkan dengan nilai kolerasi (r) yang lebih tinggi yang diperoleh dari persamaan garis dari grafik hubungan log(qe-qt) versus waktu (t) untuk Lagergren PseudoFirst-Order dan t/qt versus waktu(t) untuk Lagergren Pseudo-Second-Order.
3) Persamaan Evolich
Persamaan Elovich berasumsi bahwa permukaan padat sesungguhnya merupakan heterogen. Persamaan Elovich dapat dinyatakan sebagai berikut:
��
� = −���
Integrasi dari persamaan diatas dengan batas kondisi ��= 0 pada t = 0 dan ��= �� maka diperoleh persamaan Elovich sebagai berikut:
��= ln + ln �
Keterangan �� = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t α = laju adsorpsi awal (mg/(g min))
39 4) Persamaan Difusi Intrapartikel
Persamaan difusi intra-partikel digunakan untuk mendeskripsikan kinetika sorpsi yang dapat dinyatakan melalui rumus berikut
qt = k t / + C
Keterangan k = konstanta laju difusi intra-partikel (mgg-1min-1(1/2))
qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t
(mg g-1)
C = menggambarkan ketebalan dari batas lapisan Jika dilakukan plot antara qt versus t / , maka akan didapatkan garis lurus dengan slope k dan intersep C ketika mekanisme adsorpsi mengikuti proses difusi intra-partikel (Imaga & Abia, 2015).
5) Boyd
Model Boyd digunakan untuk memprediksikan tahap lambat yang sesungguhnya dalam proses adsorpsi. Persamaan kinetika Boyd dapat dinyatakan sebagai berikut (Nethaji et al., 2013)
�= − , − ln − �
dimana � = �� �
�
⁄
40
qt = kapasitas adsorpsi pada saat waktu ke-t (mg g-1)
F = Fraksi larutan yang teradsorp saat waktu ke-t Bt = Fungsi matematika pada F
41
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
A. Hasil Penelitian
1. Hasil Sintesis Silika Gel dari Bagasse Tebu
Pada penelitian ini telah dilakukan sintesis silika gel dari bagasse tebu. Bagasse tebu diperoleh dari pedagang minuman sari tebu di Sunday Morning. Tujuan dari penelitian yaitu untuk mengetahui karakter silika gel dari bagasse tebu yang telah disintesis, mengetahui pengaruh waktu kontak terhadap adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh silika gel dari bagasse tebu, dan mengetahui model kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) oleh silika gel dari bagasse tebu.
42
hingga pH = 7 dan terbentuk gel. Silika gel hasil sintesis dari bagasse tebu tersebut kemudian dikarakterisasi dengan spektroskopi FTIR dan difraksi sinar-X (XRD).
2. Hasil Analisis secara Difraksi Sinar-X (XRD)
Silika gel hasil dari sintesis dari bagasse tebu dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD). Karakterisasi XRD ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui bentuk struktur padatan dari silika gel yang terbentuk. Hasil karakterisasi secara difraksi sinar-X (XRD) dari silika gel dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Difraktogram Silika Gel Hasil Sintesis dari Bagasse Tebu
3. Hasil Analisis secara Spektroskopi FTIR
43
pabrik, dilakukan perbandingan spektra FTIR silika gel hasil sintesis dengan spektra Kiesel Gel tipe 60. Perbandingan spektra tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Spektra FTIR (a) Kiesel Gel 60 dan (b) Silika Gel dari Bagasse Tebu
4. Hasil Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-) oleh Silika Gel dari Bagasse Tebu pada Variasi Waktu Kontak
44
Gambar 4. Grafik Hubungan antara Jumlah Anion Nitrat (NO3-) terikat (%)
dengan waktu (menit)
5. Hasil Perhitungan Kinetika Adsorpsi Anion Nitrat (NO3-)
Kinetika adsorpsi anion nitrat (NO3-) dengan adsorben silika gel dari bagasse tebu digambarkan melalui model kinetika Lagergren
Pseudo-First-Order, Lagergren Pseudo-Second-Order, Elovich, dan
Persamaan difusi intra partikel. Model kinetika Lagergren Pseudo-First-Order ditentukan dengan grafik hubungan antara log q − qt dengan wantu (menit). Grafik model kinetika Lagergren Pseudo-First-Order dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik Model Kinetika Lagergren Pseudo-First-Order Pengikatan Anion Nitrat (NO3-)
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
%
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
45
Model kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order ditentukan dengan grafik hubungan antara t/qt dengan waktu (menit). Grafik model kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Grafik Model Kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order Pengikatan Anion Nitrat (NO3-)
Model kinetika Elovich ditentukan dengan grafik hubungan antara �� dengan ln (t). Grafik model kinetika Elovich dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Grafik Model Kinetika Elovich Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) y = 1,821E+05x - 1,063E+07
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
46
Model kinetika Persamaan Difusi Intra Partikel ditentukan dengan grafik hubungan antara qt versus t / . Grafik model kinetika persamaan difusi intra partikel dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Grafik Model Kinetika Persamaan Difusi Intra Partikel Pengikatan Anion Nitrat (NO3-)
Model kinetika Boyd ditentukan dengan grafik hubungan antara Bt versus t. Grafik model kinetika Boyd dapat dilihat pada Gambar 9.
Gambar 9. Grafik Model Kinetika Boyd terhadap Pengikatan Anion Nitrat (NO3-) y = -2,973E-07x + 1,097E-05
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Bt
47
B. Pembahasan
1. Sintesis Silika Gel dari Bagasse Tebu
Sintesis silika gel dari bagasse tebu dilakukan melalui beberapa tahapan. Tahap pertama dalam sintesis ini yaitu preparasi sampel. Preparasi sampel dimulai dari bagasse tebu dikeringkan di bawah sinar matahari. Hal ini dilakukan untuk menghilangkan kandungan air yang ada di dalam bagasse tebu dengan cara penguapan air dari permukaan. Bagasse tebu yang telah kering selanjutnya dibakar. Hasil pembakaran kemudian dikalsinasi pada suhu 600°C selama 5 jam. Penentuan suhu tersebut didasarkan pada penelitian yang dilakukan oleh Hanafi & Nandang (2010), yang menyatakan bahwa silika dalam abu yang dihasilkan dengan suhu pengabuan 500-600°C berbentuk amorf sedangkan pada suhu pengabuan 700-800°C berbentuk kristal. Menurut (Mar’atus S. & Saputro, 2012), proses kalsinasi tersebut dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan fraksi organik dari bagasse tebu, sehingga yang tertinggal hanya fraksi anorganiknya saja. Dari proses kalsinasi tersebut dihasilkan abu berwarna abu-abu yang kemudian dilanjutkan dengan dihaluskan dengan mortar dan alu. Abu yang telah halus kemudian di ayak dengan ayakan 200 mesh untuk mendapatkan ukuran abu yang homogen.
48
Pencucian ini dilakukan dengan tujuan untuk menghilangkan kadar pengotor berupa oksida logam seperti Na2O, K2O, CaO, MgO, Fe2O3, dan senyawa karbon organik yang ada di dalam abu bagasse tebu. Abu bagasse yang telah netral dan bebas dari pengotor selanjutnya dikeringkan dengan oven pada suhu 80°C sampai massa abu konstan. Langkah selanjutnya, abu bagasse di masukkan ke dalam teflon yang direaksikan dengan NaOH 1 M dan dilakukan pengadukan konstan menggunakan magnetic stirrer selama 1 jam dengan suhu ±90°C. Selanjutnya campuran didiamkan selama semalam untuk memaksimalkan terbentukknya natrium silikat. Campuran kemudian disaring untuk memisahkan antara residu dengan filtratnya. Filtrat dari hasil penyaringan tersebut merupakan natrium silikat (Na2SiO3). Menurut Yusuf et al. (2014), mekanisme pembentukan natrium silikat adalah sebagai berikut:
Gambar 10. Mekanisme Pembentukan Natrium Silikat
49
ion hidroksil (OH-) bertindak sebagai nukleofil dan menyerang atom Si dalam SiO2 yang bermuatan elektrodepositif. Kemudian atom O yang bermuatan elektronegatif akan memutuskan ikatan rangkap dan akan membentuk intermediet. Intermediet tersebut selanjutnya akan melepaskan ion H+. Pada atom O akan terjadi pemutusan ikatan rangkap kembali dan membentuk SiO32-. Tahap ini akan terjadi dehidrogenasi, dimana ion hidroksil yang kedua (OH-) akan berikatan dengan ion hidrogen (H+) dan membentuk molekul air. Selanjutnya molekul SiO3 2-yang terbentuk bermuatan negatif akan diseimbangkan oleh dua ion Na+ yang ada sehingga akan terbentuk natrium silikat (Na2SiO3).
50
gugus siloksi (Si-O-) dengan bantuan katalis asam untuk membentuk ikatan siloksan (Si-O-Si). Proses ini terjadi dengan cepat dan terus-menerus untuk membentuk jaringan silika yang amorf. Mekanisme reaksi pembentukan ikatan siloksan pada proses pembentukan jaringan gel dapat dilihat pada Gambar 11 .
Gambar 11. Mekanisme reaksi pembentukan ikatan siloksan pada proses pembentukan jaringan gel
Setelah gel terbentuk pada pH 7, gel disaring dan dicuci dengan aquademineralisata. Pembentukan gel dilakukan pada pH 7 dikarenakan silika mempunyai sifat kelarutan yang tinggi pada pH ˃ λ. Jika HCl
51 2. Hasil Analisis secara Difraksi Sinar-X
Hasil sintesis silika gel dari bagasse tebu pada gambar 2 (halaman 42) menunjukkan bahwa masih adanya pengotor di dalam silika gel. Hal ini dikarenakan masih kurangnya pencucian dengan aquademineralisata yang mengakibatkan munculnya puncak-puncak tajam pada difraktogram. Berdasarkan hasil uji XRD diperoleh bahwa puncak landai muncul pada kisaran 2θ = 22,9484°, hal ini menunjukkan bahwa silika gel yang dihasilkan bersifat amorf. Berdasarkan penelitian dari Sapei et al. (2015) puncak landai pada kisaran 2θ = 22° merupakan karakteristik silika amorf. Menurut Yusuf et al. (2014), terbentuknya puncak landai dikarenakan sinar-X yang ditembakkan oleh alat XRD tidak mampu didifraksikan secara sempurna oleh struktur yang amorf sehingga sudut difraksi sinar-X yang dibaca oleh alat menjadi tidak beraturan akibat terjadinya penghamburan. Sehingga berdasarkan difaktogram hasil karakterisasi menggunakan XRD menunjukkan bahwa silika gel hasil sintesis dari bagasse tebu mempunyai struktur amorf bukan kristalin. Menurut Indriyanti et al. (2011), struktur silika yang amorf dapat diaplikasikan sebagai adsorben dibandingkan apabila strukturnya kristal, hal ini dikarenakan struktur amorf mempunyai luas permukaan yang lebih besar.
3. Hasil Analisis secara Spektroskopi FTIR
52
siloksan (Si-O-Si) merupakan sisi aktif pada permukaan silika gel yang dapat digunakan untuk keperluan adsorpsi (Yusuf et al., 2014). Hasil FTIR silika gel hasil sintesis dari bagasse tebu selanjutnya dibandingkan dengan hasil FTIR kiesel silika gel 60G untuk mengetahui keberhasilan proses sintesis. Hasil karakterisasi spektroskopi FTIR silika gel hasil sintesis dari bagasse tebu dan kiesel gel 60G dapat dilihat pada Gambar 3 (halaman 43).
Berdasarkan hasil spektroskopi FTIR silika gel pada Gambar 3 tersebut maka dapat diinterpretasikan seperti pada Tabel 2.
Tabel 2. Interpretasi Hasil Spektrum FTIR Silika Gel Hasil Sintesis dari Bagasse Tebu dan Kiesel Gel 60G
No. Gugus Fungsi
Bilangan Gelombang (cm-1) Silika Gel
2. Vibrasi ulur simetris dari ≡
Si-O pada ≡Si-O-Si≡ 794,67 800,85 3. Vibrasi ulur asimetris dari ≡
Si-O pada ≡Si-O-Si≡ 1087,85 1097,17 4. Vibrasi ulur ≡ –OH dari
Si-OH 3425,58 3462,86
5. Vibrasi tekuk –OH dari
molekul air 1635,64 1637,09
6. Vibrasi Ulur C-H 2931,80 -
53
kemiripan dengan spektra silika Kiesel gel 60. Puncak utama yang diyakini sebagai gugus fungsi dari silika gel adalah vibrasi ulur gugus –OH (gugus hidroksil) dari ≡Si-OH yang muncul pada bilangan gelombang 3425,58 cm-1. Dengan demikian maka di dalam sampel diyakini terdapat gugus hidroksil yang menunjukkan ikatan ≡Si-OH atau silanol. Puncak kedua yang diyakini menunjukkan gugus fungsi dari silika adalah gugus siloksan (≡Si-O-Si≡) yang muncul pada bilangan gelombang 1087,85 cm-1. Adanya gugus fungsi ≡Si-O-Si≡ diperkuat dengan adanya puncak pada bilangan gelombang 462,92 cm-1 yang menunjukkan adanya ikatan ≡Si-O (Suka et al., 2008). Selain gugus fungsi yang dimiliki oleh silika gel, spektrum FTIR silika gel hasil sintesis juga terdapat gugus fungsi yang lain yang berasal dari pengotor, yang tidak dapat dibersihkan seluruhnya. Sehingga secara keseluruhan dapat disimpulkan bahwa silika gel dari bagasse tebu memiliki kemiripan dengan gugus fungsi Kiesel gel 60.
4. Kinetika terhadap Adsorpsi Anion NO3
54
gram adsorben (silika gel hasil sintesis) ke dalam 200 mL larutan anion NO3- 0,001 M dengan variasi waktu kontak 5, 10, 15, 30, 60, 120, 180, 1440, 2880, dan 5760 menit pada suhu 30°C serta pH 5.
Laju adsorpsi anion NO3- ditampilkan dalam grafik hubungan antara jumlah anion NO3- terikat (%) dengan waktu kontak adsorpsi (menit) yang ditunjukkan pada Gambar 4 (halaman 44). Berdasarkan pada Gambar 4 maka dapat diketahui bahwa besarnya anion nitrat yang terikat oleh adsorben silika gel pada waktu 5-5760 menit hampir sama yaitu antara 71%-83%. Adapun perbedaan pada besar kecilnya hasil absorbansi pada Lampiran 6 (halaman 87) dapat dikarenakan pergeseran pH yang kurang stabil. Penentuan waktu optimum pada adsorpsi anion NO3- dapat diketahui berdasarkan persentase tertinggi pengikatan anion NO3- yaitu sebesar 83,18% yang terjadi pada 2880 menit atau 2 hari. Pada waktu kontak 5 menit terlihat bahwa anion nitrat yang teradsorp sedikit, kemudian sedikit meningkat pada waktu kontak 10 menit, dan selanjutnya jumlah yang teradsorpsi meningkat secara signifikan hingga mencapai waktu kontak optimum. Menurut Mohamad (2013), Setelah tercapai kesetimbangan adsorpsi anion nitrat mengalami kestabilan prosentase adsorbat, hal ini dikarenakan sudah terpenuhinya gugus aktif permukaan adsorben.
5. Model Kinetika Adsorpsi Anion NO3
55
tentang konsentrasi awal, akhir, dan waktu yang dibutuhkan untuk perubahan dari konsentrasi awal ke akhir. Pada proses adsorpsi, diperlukan persamaan laju reaksi yang bergantung pada kapasitas adsorpsi suatu adsorben, dan informasinya diharapkan dapat melengkapi informasi proses adsorpsi dan mekanisme reaksi (Ikhsan et al., 2013). Model kinetika adsorpsi digunakan untuk menentukan laju pengikatan (k) dan mekanisme adsorpsi anion NO3- dengan berbagai varisasi waktu kontak. Model kinetika adsorpsi yang digunakan pada data penelitian ini adalah Lagergren Pseudo-First-Order, Lagergren Pseudo-Second-Order, Elovich, dan Persamaan difusi intrapartikel. Model kinetika
Pada model kinetika Lagergren diperoleh persamaan garis lurus yang dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6 (halaman 44 & 45). Persamaan garis lurus tersebut kemudian diinterpretasikan sehingga akan diperoleh parameter kinetika adsorpsi seperti pada Tabel 3 yang akan menentukan orde reaksi pengikatan pada silika gel.
Tabel 3. Parameter Kinetika Lagergren pada Adsorpsi Anion Nitrat
Model Kinetika Parameter Nilai
56
Berdasarkan parameter koefisien korelasi (R) pada Tabel 3 di atas, kinetika adsorpsi mengikuti persamaan Lagergren Pseudo-Second-Order. Hal ini dikarenakan harga koefisien korelasi (R) pada Kinetika
Lagergren Pseudo-Second-Order mendekati satu, yaitu 0,9976. Selain itu juga dapat dilihat bahwa nilai dari qe perhitungan yang mendekati qe eksperimen adalah kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order. Tingginya harga koefisien korelasi (R)hasil dalam penelitian ini meyakinkan bahwa reaksi pengikatan anion nitrat pada sorben silika gel bereaksi melalui reaksi berorder dua. Proses adsorpsi yang mengikuti model kinetika Lagergren Pseudo-Second-Order mempunyai arti bahwa kecepatan
adsorpsi silika gel terhadap anion nitrat per satuan waktu berbanding lurus dengan kuadrat kapasitas adsorben yang masih kosong (qe-qt). Tingginya tingkat penyerapan (h) menunjukkan bahwa adsorpsi berlangsung dengan cepat. Adsorpsi anion nitrat oleh adsorben silika gel yang cepat dimungkinkan karena melimpahnya ketersediaan situs aktif dan struktur berpori pada sorben silika gel yang meyebabkan luas permukaan menjadi besar (Ejikeme et al., 2014). Konstanta laju ikat (k2) yang terjadi sesuai dengan model Lagergren Pseudo-Second-Order yaitu sebesar − , x min-1.
Plot qt versus ln t digunakan untuk mengidentifikasi model kinetika Elovich (Gambar 7). Grafik kinetika Evolich menggambarkan garis linier dengan slope 1/β dan intersep
�ln diaman α adalah laju
adsropsi awal dan β adalah luas permukaan dan energi aktivasi.
57
mengindikasikan jumlah situs aktif pada permukaan sorben yang dapat menyerap adsorbat. Sedangkan
�ln menunjukkan jumlah adsorpsi
pada saat ln t = 0 atau t = 1 menit dimana nilainya digunakan untuk memahami perilaku adsorpsi pada tahap awal (Zuas et al., 2014). Berdasarkan pada Tabel 4, didapatkan bahwa laju adsorpsi awal (α) sebesar -6,054 x 10-14 mg g-1 min-1. Sedangkan besarnya luas permukaan dan energi aktivasi (β) adalah -1,415 x 106 g mg-1. Persamaan Elovich mengasumsikan bahwa permukaan padat sebenarnya adalah heterogen (Munifah et al., 2011).
Tabel 4. Parameter model kinetika Elovich
Model Kinetika Parameter Nilai
α (mg g-1 min-1) − , x −
Elovich β (g mg-1) − , x
R2 0,9578
R 0,9787
Model difusi intra-partikel dapat digunakan untuk menjelaskan mekanisme adsorpsi. Proses adsorpsi terdiri dari beberapa tahap, yaitu pergerakan partikel dari luar adsorben ke permukaan adsorben dan diikuti oleh difusi molekul ke dalam pori. Difusi intra partikel umumnya merupakan proses yang lambat dan dianggap sebagai tahap penentu laju dalam proses adsorpsi (Ho, Ng, & McKay, 2000).
Tabel 5. Parameter model kinetika difusi intra-partikel pada proses adsorpsi anion nitrat
Model Kinetika Parameter Nilai
kid1 (mg g-1 min-0,5) -2,973x −
C1 (mg g-1) 1,097 x −
Difusi Intra Partikel R12 0,9413
58
kid2 (mg g-1 min-0,5) − , x −
C2 (mg g-1) , x −
R22 0,958
R2 0,9788
59
laju transfer massa molekul anion nitrat dari luar ke dalam adsorben silika gel (Zuas et al., 2014).
