STUDI PENGGUNAAN BIOSORBEN SEKAM PADI UNTUK PEMULIHAN LOGAM Cd DALAM LARUTAN AIR SECARA BIOSORPSI, FLOTASI, DAN ELEKTROLISIS
Fahyuddin1) 1)
Program Studi Pendidikan Kimia FKIP Universitas Haluoleo Kendari 93231
ABSTRAK
Telah dilakukan studi penggunaan sekam padi untuk biosorben dalam pemulihan logam berat Cd dari larutan air melalui proses biosorpsi dan elektrolisis. Ion logam Cd diadsorpsi pada biomassa sekam padi yang kemudian dielusi kembali. Eluat yang mengandung ion logam Cd dielektrolisis untuk mendapatkan (pemulihan) bubuk logam Cd yang terdeposit pada katoda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sekam padi dapat digunakan sebagai adsorben dengan kapasitas adsorpsi terhadap logam Cd adalah 24,8 (mg/g) pada berat kering biomassa. Efisiensi adsorpsi sekitar 84%. Akan tetapi, pemulihan logam Cd dengan metode biosorpsi dan elektrolisis masih rendah yaitu sekitar 68%.
Kata kunci : biosorpsi, sekam padi, elektrolisis, logam Cd, pemulihan. ABSTRACT
A study on using rice husk for biosorbent in the recovery of Cd heavy metals from aqueous solution through a biosorption and electrolysis process has been conducted. The Cd metal ions adsorbed on the biomass rice husk were then re-eluted. Eluate that contains the Cd metal ions was electrolysed to recover Cd metal powder deposited on the cathode. The results showed that the rice husk can be used as an adsorbent with the adsorption capacity of Cd metal was 24.8 (mg/g) in dry weight biomass. Adsorption efficiency was about 84%. However, the recovery of Cd metal by the biosorption and electrolysis method was still low at around 68%.
Key words: biosorption, rice husk, electrolysis, Cd metals, recovery Diterima: 1 Agustus 2010
Disetujui untuk dipublikasikan: 20 Oktober 2010
1. Pendahuluan
Sejumlah kasus keracunan logam berat telah menewaskan ribuan manusia. Penyebab keracunan adalah konsumsi makanan yang terkontaminasi oleh logam berat hasil buangan industri. Untuk mencegah kasus keracunam logam berat, maka pembuangan limbah industri yang mengandung logam toksik (Pb, Cd, dan Hg) ke dalam saluran air atau sistem pembuangan kotoran harus diatur agar tidak membahayakan kehidupan organisme
termasuk manusia. Buangan industri yang khusus mengandung logam toksik seperti Pb dan Cd harus dikontrol dengan ketat karena logam-logam berat tersebut terakumulasi dalam jaringan organisme hidup ([1], [2]). Logam berat toksit dalam limbah cair harus dipisahkan sebelum limbah cair industri dibuang kepembuangan terakhir.
Banyak metode yang digunakan oleh sejumlah industri untuk mengolah limbah cair yang mengandung logam berat agar menjadi aman terhadap lingkungan. Metode yang paling umum digunakan oleh sebagian besar industri untuk menghilangkan logam terlarut dalam limbah adalah pengendapan kimia. Beberapa metode atau proses pengolahan limbah alternatif adalah osmosis balik (reverse osmosis), elektrodialisis, dan penukar ion. Metode-metode tersebut tujuan utamanya hanya mentransformasi logam terlarut ke dalam bentuk yang pekat sebelum ke pembuangan terakhir, yang biasanya dibuang ke daratan. Hasil pemekatan logam dari limbah tetap akan menjadi ancaman terhadap lingkungan karena pada akhirnya juga dibuang ke lingkungan. Dengan demikian, teknik pengolahan limbah dengan pemekatan tersebut tidak dapat menyelesaikan masalah, karena logam dapat terus menjadi ancaman bagi lingkungan.
Menurut Butter et al [3], metode yang sangat logis untuk pengolahan limbah cair yang terkontaminasi logam berat adalah kombinasi antara pemisahan (ekstraksi) dan pemulihan (recovery). Logam hasil pemulihan dapat digunakan kembali dalam industri, sehingga tidak menjadi ancaman terhadap lingkungan. Metode tersebut terdiri dari dua tahap, yaitu logam diadsorpsi ke dalam suatu suspensi sel bebas dari biomassa yang sudah mati. Biomassa yang mengandung logam kemudian dielusi untuk memisahkan logam yang disebut desorpsi. Akhirnya logam berat dapat diperoleh kembali (recovery) dari eluat secara elektrolisis ([3], [4], [5]).
Fenomena biosorpsi terjadi karena interaksi ion logam dengan gugus fungsi dalam polimer organik pada permukaan sel [6]. Hal ini dapat terjadi karena polimer organik mempunyai gugus fungsi seperti karboksil, amin, fosfat, dan amida yang dapat mengikat logam dalam larutan ([7], [8]).
Biomassa yang baik untuk pemisahan logam berat dalam limbah adalah biomassa yang melimpah [6] dan murah serta memiliki kapasitas adsorpsi yang besar [3]. Ketentuan
tersebut sesuai dengan biomassa sekam padi yang keberadaannya sangat melimpah dan murah.
Sekam padi merupakan biomassa yang menjadi limbah hasil penggilingan padi, akan tetapi penggunaanya untuk pemisahan logam berat secara biosorpsi belum banyak dilaporkan. Sekam padi mengandung polimer organik karbohidrat, protein, dan lemak. Senyawa polimer organik tersebut mengandung gugus fungsi seperti: karboksil, amin, dan fosfat yang dapat berinteraksi dengan ion logam. Berdasarkan hal tersebut maka sekam padi diduga dapat digunakan sebagai biosorben logam berat seperti Cd dalam larutan air. Kapasitas absorpsi sekam padi dapat ditentukan dari persen logam Cd yang diperoleh kembali (pemulihan) dari larutan air secara biosorpsi, flotasi dan elektrolisis.
Berdasarkan uraian di atas, maka dalam penelitian ini akan dilakukan pemulihan logam Cd dalam larutan air secara biosorpsi, flotasi, dan elektrolisis.
2. Metode Penelitian
2.1.Penyiapan Biomassa
Sekam padi dihaluskan sampai membentuk bubuk kemudian ditambahkan sedikit air dan diblender selama 1 menit agar homogen. Adonan sekam padi dicuci dengan natrium sulfat 1 M. Biomassa dipisahkan dari larutan pencuci dengan sentrifuge. Endapan biomassa ditambahkan sedikit formalin dan kemudian disimpan pada suhu 4oC agar tidak terkontaminasi. Sampel biomasa ditentukan berat keringnya.
2.2.Penentuan Kapasitas Adsorpsi Maksimum
Sebanyak 10 mg biomassa (berat kering) ditambahkan ke dalam larutan logam dengan konsentrasi bervariasi yaitu 0-50 mg/L. Campuran dikocok dengan shaker sehingga terjadi kesetimbangan. Kemudian disaring menggunakan membran nylon 0,45 µm dan biomassa tertinggal pada kertas saring.
Percobaan biosorpsi dilakukan dua cara. Pertama, larutan ion logam Cd ditambahkan pada suspensi biomassa sampai pada konsentrasi yang diinginkan. Diaduk dengan menggunakan pengaduk magnet selama 3 jam. Konsentrasi suspensi biomassa yang digunakan untuk proses biosorpsi logam dalam larutan air adalah 1 g/L biomassa
(berat kering). Biomassa dipisahkan dengan teknik sedimentasi. Filtrat dianalisis untuk menentukan efisiensi logam yang terekstraksi.
Kedua, biomassa kering ditambahkan ke dalam 25 ml buffer sehingga konsentrasi biomassa 1 mg/ml (berat kering). Ion logam Cd ditambahkan pada suspensi biomasa.
2.3.Elusi Logam
Padatan kental (biomassa-logam) hasil pemisahan dimasukan dalam penyaring vakum diameter 50 mm. Untuk menahan padatan (biomassa) digunakan penyarin nilon dengan ukuran 45 µm yang didukung dengan plastik berpori 65 µm Tekanan diberikan 0,03-0,17 bar untuk mengalirkan pelarut, biomassa tertinggal pada filter. Ditambahkan pelarut sampai volume eluat 800 mL. Hasil elusi dianalisis untuk untuk penentuan efisiensi elusi.
2.4.Elektrolisis
Eluat dielektrolisis menggunakan sel katoda berputar untuk memperoleh kembali logam Cd. Elektroda dipasang pada sistem sel elektrolsis kemudian dicelupkan dalam tabung yang berisi eluat lalu diberikan potensial. Analit terdeposit pada katoda.
2.5.Evaluasi
Efisiensi adsorpsi merupakan persen dari jumlah logam yang terikat dalam biomassa terhadap jumlah logam mula-mula.
Jumlah logam yang diadsorpsi oleh biomassa ditentukan dengan persamaan berikut:
Metal uptake (q) = (Ci - Cf) . V/M (1)
Keterangan: Ci adalah konsentrasi ion logam awal, Cf adalah konsentrasi ion logam pada
saat kesetimbangan (mg/L), V adalah volume larutan sampel (L), M adalah berat kering biomassa yang ditambahkan (g).
Jumlah logam yang terikat secara biosorpsi berhubungan langsung dengan logam yang diadsorpsi pada permukaan sel. Logam yang teradsorpsi dicocokkan pada model isoterm adsorpsi Langmuir [6]:
q = (b Cf qmax)/(1 + b Cf) (2)
Keterangan: q adalah jumlah adsorbat yang teradsorb per satuan massa adsorben (mg/g), b adalah tetapan Langmuir yang berkaitan dengan laju adsorpsi (1/mg), Cf adalah adalah
konsentrasi adsorbat pada kesetimbangan (mg/L), dan qmax adalah tetapan Langmuir yang
berkaitan dengan kapasitas adsorpsi (mg/g). 3. Hasil dan Pembahasan
Keasaman (pH) larutan dioptimasi untuk menghasilkan kesetimbangan ikatan yang maksimum. Biosorpsi logam kadmium terjadi pada pH yang cukup sempit yaitu pH 5,5-8 (optimum pada pH 6,0). Proses optimasi pH adsorpsi menggunakan 10 mg sekam padi dan konsentrasi larutan Cd 1 ppm. Volume larutan adalah 30 mL sehingga jumlah logam Cd adalah 30 µg.
Keasamaan (pH) merupakan hal penting untuk pembentukan kompleks dan efisiensi ekstraksi logam untuk tujuan pemekatan atau pemisahan. Nilai pH larutan akan menentukan keberadaan ion logam dalam larutannya. Biomassa mengandung sejumlah gugus yang dapat membentuk ikatan dengan logam. Gugus aktif tersebut akan terprotonasi pada pH yang rendah dan pada pH yang tinggi konsentrasi ion hidroksida meningkat.
Keasaman (pH) yang memberikan adsorpsi maksimum digunakan untuk menentukan kapasitas adsorpsi logam Cd oleh biomassa sekam padi. Grafik hubungan antara jumlah standar logam Cd yang teradsorpsi ditunjukkan pada Gambar 1.
Berdasarkan Gambar 1, sekam padi mempunyai kapasitas adsorpsi terhadap logam kadmium( Bmax) adalah = 24,8 mg g
-1
pada berat kering biomassa. Pengukuran jumlah logam yang teradsorpsi dilakukan secara tidak langsung. Biomassa yang telah mengikat logam dipisahkan dengan teknik flotasi dan penyaringan. Jumlah logam dalam filtat ditentukan secara spktrofotometri serapan atom (SSA). Jumlah yang teradsorpsi merupakan selisih antara jumlah logam mula-mula (konsentrasi standar) dengan sisa logam yang tidak teradsorpsi oleh biomassa dalam filtrat.
Adsorpsi ion logam oleh biomassa secara umum disebut biosorpsi. Ion logam akan terikat pada gugus-gugus kimia (sisi aktif) yang terdapat pada dinding sel biomassa.
Gambar 1. Grafik kapasitas adsopsi sekam padi terhadap logam Cd dalam larutan air (sekam padi 10 mg)
Pengikatan ion pada dinding sel biomassa yang masih hidup maupun mati merupakan proses pasif. Proses biosorpsi merupakan pertukaran ion yang terjadi pada gugus kimia spesifik pada dinding sel [4]. Pengikatan logam pada permukaan sel mati adalah sangat cepat dan dapat terjadi kesetimbangan dalam satu menit [9].
Pengikatan kation logam dari larutan dengan biomassa sekam padi merupakan reaksi kesetimbangan. Prinsip dasar mekanisme pengikatan logam kadmium oleh biomassa sekam padi merupakan interaksi ionik antara kation logam dengan gugus fungsi bermuatan negatif secara berulang pada dinding sel [4]. Banyaknya ion yang teradsorpsi akan selalu sebanding dengan banyaknya gugus aktif yang terdapat dalam sel sekam padi. Oleh karena itu hubungan kapasitas adsorpsi sekam padi dengan jumlah logam yang teradsorpsi merupakan hubungan yang linier. Hubungan antara kapasitas adsorpsi sekam padi dengan banyaknya logam Cd yang teradsorpsi (µg/mg) ditunjukkan pada Gambar 2.
Pemisahan logam secara biosorpsi dalam percobaan ini meliputi penggunaan biomassa sekam padi sebagai suspensi sel bebas dalam tabung reaksi yang diaduk. Dalam beberapa percobaan biosorpsi, biomassa diimmobilisasi dalam bentuk bulatan-bulatan kecil atau lapisan-lapisan tipis, sehingga mudah penanganannya selama fase pemisahan biomassa dari larutan daripada suspensi sel bebas ([9], [10], [11]). Akan tetapi penggunaan
0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 Standar Cd (ppm ) K a p a s it a s a d s o rp s i s e k a m p a d i (u g /m g )i
biomassa terimmobilisasi mempunyai sejumlah kekurangan seperti meningkatkan biaya untuk preparasi biomassa. Ketika biomassa diimmobilisasi, sejumlah permukaan ikatan aktif yang dengan mudah diakses oleh ion logam dalam
Gambar 2. Hubungan antara kapasitas adsorpsi sekam padi dengan banyaknya logam Cd teradsorpsi
larutan berkurang karena sejumlah gugus aktif akan berada pada bagian dalam dari lapisan tipis atau bulatan biomassa. Untuk mendapatkan gugus aktif, kation logam harus berdifusi ke dalam padatan lapisan tipis biomassa. Proses ini memakan waktu 100 kali lebih lama dibandingkan jika kation logam berdifusi dalam larutan untuk mendapatkan gugus aktif pada dinding sel dalam sel bebas [12].
Proses Elusi
Pemisahan fasa merupakan proses pemisahan biomassa sekam padi yang telah mengikat logam dengan fasa cairan. Proses ini relatif sulit ketika biosorben yang digunakan adalah suspensi sel bebas. Dua teknik pemisahan fasa telah dikembangkan yaitu teknik flotasi dan sedimentasi. Dalam percobaan digunakan teknik flotasi untuk memisahkan fasa padat dan cairan. Dispersi udara saat flotasi telah terbukti sukses untuk pemulihan biomasa yang telah mengandung logam kadmium dan timbal. Hasil penelitian
24.5 24.6 24.7 24.8 24.9 25.0 25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 244 246 248 250 252 254 256
Logam Cd teradsorpsi (ug)
K a p a s it a s a d s o rp s i (u g C d /m g b io m a s a )
ini menunjukkan bahwa dengan teknik flotasi yang dibantu dengan penyaringan dapat memperoleh 93% padatan. Teknik flotasi dapat menggunakan beberapa zat aditif untuk meningkatkan pemulihan padatan dan membuat kenyal padatan. Akan tetapi, penggunaan zat aditif untuk mencapai proses flotasi yang efektif dapat mengurangi gugus aktif dalam dinding sel biomassa ([9], [10]). Hal ini ditunjukkan dengan berkurangnya kapasitas adsorpsi biomassa yang digunakan kembali setelah kation logamnya dipisahkan dengan proses elusi. Biomassa sekam padi dapat digunakan beberapa kali untuk mengadsorpsi ion logam setelah logam yang teradsorpsi dielusi. Efektifitas penggunaan biomassa hasil pemulihan atau pada tahap selanjutnya sangat tergantung pada proses pemulihan padatan. Tabel 1 menunjukkan persen pemulihan biomassa dan kapasitas adsorpsi biomassa sekam padi setelah digunakan berkali-kali (hasil regenerasi dalam beberapa siklus).
Tabel 1. Efisiensi adsorpsi kadmium serta pemulihan biomassa dari beberapa siklus adsorpsi dan elusi
Siklus Proses Biosorpsi Logam Cd
Adsorpsi Cd (%) Pemulihan Biomasa (%)
1 (Biomassa awal) 84 90
2 (Biomasa regenerasi) 72 88
3 (Biomasa regenerasi) 42 84
4 (Biomasa regenerasi) 26 75
5 (Biomasa regenerasi) 18 71
Tahap elusi atau desorpsi ion logam dari biosorben mempunyai dua tujuan utama yaitu pertama untuk meregenerasi biomassa sehingga dapat digunakan lagi untuk siklus selanjutnya. Kedua, untuk memekatkan logam kadmium dalam eluat untuk dipulihkan secara elektrolisis.
Proses Elektrolisis
Siklus dari biosorpsi/elusi dapat menghasilkan pemekatan logam dalam larutan menjadi 32 kali. Pemulihan logam kadmium dari larutan elektrolit dengan konsentrasi rendah memerlukan suatu sel elektrokimia dengan transfer massa tinggi seperti sel katoda berputar [5]. Sel katoda berputar telah diaplikasikan dalam industri untuk pemulihan logam kadmium sampai konsentrasi 10 ppm. Untuk dapat menghasilkan bubuk halus kadmium pada katoda larutan dijaga pada pH yang tinggi. Larutan elektrolit dengan pH tinggi dapat mencegah bubuk logam yang menempel pada katoda menjadi larut kembali. Larutan
elektrolit natrium sulfat yang mengandung buffer borat dengan pH 10 dapat menghasilkan bubuk logam Cd pada katoda secara maksimal. Secara teori, pada pH 10, logam Cd dapat mengendap sebagai kadmium hidroksi, akan tetapi dalam larutan ditambahkan sedikit reagen etilendiamin sehingga ion logam dalam larutan akan ada dalam bentuk kompleks dengan etilen diamin.
Dalam penelitian ini diperoleh pemulihan logam kadmium sekitar 68%. Nilai tersebut masih rendah dari yang diharapkan mendekati 100%. Pemulihan yang rendah diduga karena kondisi larutan elektrolit seperti pH dan pengganggu lain yang mempengaruhi reduksi ion logam pada katoda. Selain itu dapat juga disebabkan oleh kinerja sel katoda berputar yang kurang maksimal. Ion kadmium pada pH 10 sebagian mengendap dalam bentuk hidroksidanya.
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1. Biomassa sekam padi telah diidentafikasi dapat berfungsi sebagai biosorben untuk mengadsorpsi logam Cd dalam larutan air.
2. Kapasitas adsorpsi biosorben sekam padi untuk logam Cd adalah 24,8 mg/g (berat kering).
3. Pemulihan logam Cd dari larutan air secara biosorpsi dan elektrolisis masih rendah yaitu 68%.
Berdasarkan hasil penelitian yang diperoleh, maka disarankan perlu dilakukan optimasi secara menyeluruh terhadap semua variabel yang mempengaruhi proses elektrolisis untuk meningkatkan pemulihan.
Daftar Pustaka
[1] [2]
Foulkes, E. C. 2000. Transport of Toxic Heavy Metals Across Cell Membranes,
In Proceedings of the Society for Exper. Bio. and Medic. 223, 234-240.
Lu, F. C. 1995. Basic Toxicology; Fundamental Target Organs And Risk
[3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]
Penilaian Resiko). Jakarta: UI Press.
Butter, T.J., Evison, L.M., Chancock, I.C., et al. 1998. The Removal and Recovery of Cadmium from Dilute Aqueous Solutions by Biosorption and Electrolysis at Laboratory Scale. Wat Res. 32(2), 400-406.
Hancook, I. C., Evison, L., Matis, K. A., and Holland F. 1995. The Removal and Recovery of Cadmium by Biosorption, Flotation, and Electrolysis, In 2nd European Recycling Workshop, 29-30 June 1994. Brussels.
Walsh, C. F. 1992. The Role of the Rotating Cathode Cylinder Electrode Reactor in Metal Ion Removel, In Electrochemistry for a Cleaner Enviromental. New York: The Electrosynthesis Company.
Volesky, B. 1990. Removal and Recovery of Heavy Metals by Biosorption. In Volesky, B. (ed). Biosorption of Heavy Metals, Boca Raton: CRC Press. Fourest, E. and Roux, J. C. 1999. Heavy Metal Biosorption by Fungal Mycelial
by-Products: Mechanisms and Influence of pH. Appl. Icrobiol.Biot. 37, 399-403.
Salinas, E., de Orellano, M. E., Rezza, I., et al. Removal of Cadmium and Lead from Dilute Aqueous Solutions by Rhodotorula rubra. Bioresource Tecnol. 72, 107-112.
Gadd, G. M. 1990. Biosortion. Chem.and Ind. 13, 421-426.
Brierley, C.L , Brierley, J. A. and Davidson, M. S. 1989. Applied Microbial Process for Metals Recovery and Removal from Wastewater. In Metal Ions
and Bacteria (edited by [1] Beveridge, T.J. and Doyle, R. J. New York:
Wiley.
Macaskie, L. E. and Dean, A.C. R. 1989. Microbial Metabolism, Desolubilization, and Deposition of Heavy Metals: Metal Uptake by Immobilized Cells and Application to the Detoxification of Liquid Waste. In
Biological Waste Treatment. New York.
Gourdon, R., Rus, E., Bhende, S. and Sofer, S.S. 1990. A Comparative Studi of Cadmium Uptake by Free and Immobilized Cells from Activated Sludge. J.
Environ. Sci Health. 8, 1019-1036.
