SINTESIS MATERIAL HIBRIDA EKSOPOLISAKARIDA SILIKA
DARI Spirulina sp.SEBAGAI ADSORBEN ION Pb(II) DAN Cd(II)
DALAM LARUTAN
Widyastuti
1,* Buhani
2,dan Suharso
21 Jurusan Magister Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Lampung, Indonesia
2 Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Lampung, Bandar Lampung, Lampung, Indonesia
tel/fax : 0899-5081-806, email: widyadindawione@gmail.com
ABSTRAK
Pada penelitian ini, telah dilakukan adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) terhadap adsorben eksopolisakarida (EPS) yang dimodifikasi dengan matrik silica menghasilkan hibrida eksopolisakarida-silika (HES). Material hasil sintesis dikarakterisasi melalui identifikasi gugus fungsional dengan spektrofotometer infra merah (IR), dan analisis morfologi permukaan dengan
scanningelectronmicroscope-energy dispersive x-ray(SEM-EDX). Proses adsorbsi ion Pb(II)
dan Cd(II) oleh EPS dan HES dilakukan dengan metode batch. Analisis kadar ion logam ditentukan dengan inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES).Adsorpsi ion Pb(II) and Cd(II) oleh EPS dan HES optimum pada pH 7 serta cenderung mengikuti model kinetika pseudo orde dua dan model isoterm adsorpsi Langmuir.
Kata Kunci:Eksopolisakarida,adsorpsi,hibrida-silika eksopolisakarida, ion logam Pb(II), dan Cd(II)
PENDAHULUAN
Keberadaan logam berat di sistem perairan dan distribusinya, diatur oleh kesetimbangan dinamik dan interaksi fisika-kimia [1]. Cd adalah logam berat yang berbahaya karena bersifat mobil [2], selain itu keberadaan Pb dapat mengakibatkan berbagai masalah kesehatan karena bersifat
toksik yaitu dapat terakumulasi di sistem syaraf otak,jaringan kulit, hati, pankreas, dan mitokondria [1].
Akumulasi logam berat dalam ekosistem dapat diakibatkan oleh aktivitas penambangan logam, produksi peralatan listrik, penerapan berbagai industri kimia dan pembuangan limbah kota. Dalam
SEMINAR NASIONAL KIMIA DAN PENDIDIKAN KIMIA VII
“Penguatan Profesi Bidang Kimia dan Pendidikan Kimia
Melalui Riset dan Evaluasi”
Program Studi Pendidikan Kimia Jurusan P.MIPA FKIP UNS
Surakarta, 18 April 2015
MAKALAH
PENDAMPING
KIMIA FISIK DAN
dekade terakhir keberadaan logam berat di ekosistem air semakin meningkat [3].
Oleh karena itu, perlu dilakukan upaya untuk menurunkan konsentrasi logam berat. Beberapa metode yang sering digunakan untuk mengurangi konsentrasi ion logam berat antara lain metode presipitasi, koagulasi, kompleksasi, ekstraksi pelarut, pemisahan membran, pertukaran ion, dan adsorpsi. Dari beberapa metode yang telah disebutkan, metode adsorpsi merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam menyerap ion logam dalam larutan [4].
Metode adsorpsi memiliki kelebihan dari metode yang lain karena prosesnya lebih sederhana, biayanya relatif murah, ramah lingkungan [5] dan tidak adanya efek samping zat beracun [2]. Proses adsorpsi diharapkan dapat mengambil ion-ion logam berat dari larutan.
Metode adsorpsi pada umumnya berdasarkan interaksi logam dengan gugus fungsional yang ada pada permukaan adsorben melalui interaksi pembentukan kompleks dan biasanya terjadi pada permukaan padatan yang kaya akan gugus fungsional seperti: OH, NH, SH, dan -COOH [6]. Adapun keberhasilan proses adsorpsi ion logam sangat ditentukan oleh jenis adsorben yang digunakan [7] misalnya dengan memanfaatkan material biologisebagai biosorben seperti biomass alga.
Akan tetapi ada beberapa kelemahan biomassaalga, antara lain: berat jenis yang rendah, mudahrusak karena dekomposisi oleh mikroorganisme laindan juga secara teknik sulit digunakan dalam kolomuntuk aplikasinya sebagai adsorben[8]. Salah satu
contoh adsorben yang dapat digunakan dengan baik dalam penanganan logam berat adalah eksopolisakarida [3].
Eksopolisakarida berperan dalam biosorpsi [9;6]. Eksopolisakarida dapat mengadsorpsi logam berat karena eksopolisakarida bermuatan negatif [10]. Eksopolisakarida bersifat mobil karena umumnya tersusun atas bahan organik seperti monosakarida dan disakarida [11].
Penerapan eksopolisakarida sebagai biosorben logam berat telah dilakukan dan hasil penelitian menunjukkan bahwa eksopolisakarida merupakan media yang baik untuk menyerap ion logam dan memiliki kapasitas adsorpsi yang tinggi untuk pengolahan air limbah yang mengandung ion timbal, nikel, dan seng [3]. Akan tetapi, eksopolisakarida memiliki sifat larut dalam air [2]. Oleh sebab itu, dilakukan immobilisasi eksopolisakarida dengan matriks silika gel melalui proses sol-gel yang bertujuan untuk menghomogenkan larutan namun tidak merusakstrukturnya sehingga proses immobilisasi eksopolisakarida pada matriks silika diharapkan dapat mempertahankan keaktifan gugus-gugus fungsi yang terdapat pada eksopolisakarida dan meningkatkan kapasitas adsorpsi ion-ion logam, terutama pada logam berat [12].
Hal tersebut menjadi sebuah landasan kuat atas dilakukannya penelitian ini yaitu dengan menggunakan hibrida eksopolisakarida silika dari Sprirulina sp. sebagai penyerap logam berat Cd(II) dan Pb(II). Dengan memodifikasi eksopolisakarida dari mikroalga Spirulina sp. dengan matrik silika gel diharapkan dapat mempertahankan keaktifan gugus-gugus fungsi yang terdapat pada eksopolisakarida
sehingga lebih efektif dalam mengadsorpsi ion-ion logam, terutama seperti logam-logam berat Pb(II) dan Cd(II). Hibrida eksopolisakarida silika dikarakterisasi dengan Spektrofotometer IR untuk mengetahui gugus-gugus fungsionalnya dan untuk mengetahui morfologi permukaan digunakan alat Scanning Electron Microscope (SEM) sedangkan kadar logam
berat yang terserap dianalisis dengan
Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES).
METODE PENELITIAN
AlatAlat gelas, neraca analitis, pengaduk magnet, freeze dry, Spektrofotometer IR,
Scanning Electron Microscope(SEM), Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES).
Bahan
EPS (eksopolisakarida),TEOS (tetra etil orto silika), etanol p.a merck, pH indikator
universal, kertas saring, akuades, HCl 1 M, Cd(NO3)2•4H2Op.a merck, Pb(NO3)2•4H2O
p.a merck.
Prosedur Kerja
Sintesis hibrida eksopolisakarida silika (HES)
Larutan A, sebanyak 5 mL TEOS
dicampurkan dengan 2,5 mLakuades
dimasukkan ke dalam gelas plastik, lalu diaduk dengan pengaduk magnet selama 30 menit dan ditambahkan HCl 1 M hingga pH 2. Larutan B, sebanyak0,10 gram EPS [13] dicampurkan dengan 5 mL etanol dimasukkan ke dalam gelas plastik lalu
diaduk dengan pengaduk magnet selama 30
menit. Larutan A yang telah homogen kemudian dicampur dengan larutan B disertai pengadukan menggunakan pengaduk magnet sampai larutan tersebut menjadi gel. Gel yang terbentuk didiamkan selama 24 jam lalu dicuci dengan akuades sampai pH ≈ 7.Gel dikeringkan dengan menggunakan freeze dry, selanjutnya digerus dan diayak dengan ukuran 100-200 mesh.
Karakterisasi Material
Untuk mengetahui perubahan gugus-gugus fungsional utama dalam EPS dari
Spirulina spdilakukan analisis dengan spektrofotometer IR. Analisis morfologi permukaan dari eksopolisakaridadilakukan analisis dengan spektrofotometer SEM. Kadar ion logam yang teradsorpsi pada eksopolisakaridadilakukan analisis menggunakanICP-AES.
Uji adsorpsi
Penentuan pH Optimum
EPS dan HES sebanyak 0,10 g dimasukkan ke dalam 5 Erlenmeyer. Kemudian 25 mL larutan ion Pb(II) 10 ppm yang telah diatur pHnya ditambahkan ke masing-masing Erlenmeyer. pH yang digunakan, yaitu 2, 3, 4, 5, 6, 7 dan 8, kemudian dikocok selama 30 menit dan filtratnya yang dianalisis dengan ICP-AES. Hal yang sama juga dilakukan terhadap ion logam Cd(II) [2].
Penentuan Waktu Optimum
EPS dan HES sebanyak 0,10 g dimasukkan ke dalam 5 Erlenmeyer 250 mL. Kemudian 25 mL larutan ion Pb(II) 10 ppm dengan pH optimum ditambahkan ke
masing-masing Erlenmeyer dan dikocok dengan variasi waktu dari 5, 15, 30, 60, dan 120 menit dan filtratnya yang dianalisis dengan ICP-AES. Hal yang sama juga dilakukan terhadap ion logam Cd(II) [4].
Penentuan Konsentrasi Logam Optimum EPS dan HES sebanyak 0,10 g dimasukkan ke dalam 5 Erlenmeyer 250 mL. Kemudian 25 mL larutan ion Pb(II) 5, 10, 15, 20, 25 ppm dengan pH optimum ditambahkan ke masing-masing Erlenmeyer dan dikocok selama waktu optimum, filtratnya yang dianalisis dengan ICP-AES. Hal yang sama juga dilakukan terhadap ion logam Cd(II) [4].
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis dan KarakterisasiMaterial hibrida eksopolisakarida silika disintesis melalui proses sol-gel dengan prekursor TEOS. Proses sol-gel merupakan proses yang dapat digambarkan sebagai pembentukan suatu jaringan oksida melalui reaksi polikondensasi yang progresif dari molekul prekursor dalam medium cair.
Proses sol-gel memungkinkan sintesis hibrida organik-anorganik melalui cara yang sederhana dan pada kondisi yang lunak (soft) [14].
Analisis gugus fungsi pada adsorben EPS dan HES dilakukan dengan spektrofotometer IR. Spektra IR dari adsorben disajikan pada Gambar 1, untuk mengidentifikasi gugus fungsi adsorben sebelum dan setelah dimodifikasi.
Gambar 1.SpektraIR(a) EPS ; (b) HES
Dari Gambar 1.a). dapat diamati bahwa terdapat puncak tajam pada sekitaran wilayah 1159,47 cm-1 yang menunjukkan karakteristik dari polisakarida, kemudian terjadi perubahan pita serapan pada eksopolisakarida setelah dimodifikasi dengan silika gel Gambar 1.b). terutama pada pita serapan pada frekuensi sekitaran 473,5 cm-1 diindikasikan sebagai vibrasi tekuk Si-O-Si dan pada sekitaran 796,7 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur simetri Si-O (Si-O-Si), sementara pitaserapan pada sekitaran 963,0 cm-1 merupakan vibrasi ulur Si-O pada Si-OH. Pita serapan kuat pada frekuensi sekitaran 1098,3 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur dari Si-O dari Si-O-Si. Pita pada frekuensi sekitaran 1640,7 cm-1 merupakan vibrasi asimetri C=O yang berasal dari eksopolisakarida.
Spektra IR pada HES menunjukkan adanya serapan vibrasi asimetri atom O dari gugus fungsi siloksan (Si-O-Si) pada bilangan gelombang 1080,14 cm-1.Adanya
gugus siloksan diperkuat dengan adanya serapan pada 786,96 cm-1 yang
menunjukkan vibrasi ulur simetris dari Si-O dan puncak pada 416,62 cm-1 menunjukkan
vibrasi tekuk dari Si-O dari gugus siloksan (Si-O-Si).Pada bilangan gelombang 3448,72 cm-1 muncul puncak serapan tajam
dengan pita lebar yang merupakan vibrasi ulur -OH dari gugus silanol (Si-OH). Pada daerah bilangan gelombang 2931,80 cm-1 adanya pita serapan yang berasal dari
serapan vibrasi ulur C-H dari (-CH2) alifatik.
Pada bilangan gelombang 1635,64 cm-1
muncul serapan yang menunjukkan vibrasi
O-H yang terikat pada gugus karbonil (-C=O) dari eksopolisakarida.
Dari hasil identifikasi gugus fungsional tampak bahwa pada eksopolisakarida yang sudah dimodifikasi didominasi oleh karakter spektra IR silika gel, yang menunjukkan bahwa eksopolisakarida telah berhasil disintesis.
(a) (b) Gambar 2.Hasil Scanning Electron Microscope(SEM) (a) EPS ; (b) HES
Dari gambar 2. yang ditunjuk oleh SEM untuk bentuk morfologi antara EPS dan HES. Dapat dilihat bahwa terdapat perbedaan hasil SEM, dalam HESyang diperoleh dari sintesis eksopolisakarida dengan silika gel. Hasil tersebut menunjukkan morfologi permukaan lebih homogen. Silika gel merupakan padatan anorganik yang digunakan untuk memperkaya permukaan padatan eksopolisakarida sebagai adsorben. Silika gel dipilih sebagai matrik pendukung karena memiliki permukaan yang luas dan sisi aktif seperti silanol (-SiOH) dan siloksan (-Si-O-Si) yang dapat berikatan secara kimia dengan gugus-gugus fungsi yang terdapat pada eksopolisakarida. Dari hasil analisa ini bersesuaian dengan Gambar 1.Unsur yang
paling besar terdapat dalam HES adalah Si. Hasil karakterisasi EPS dan HES dengan SEM mempunyai kesesuaian dengan karakterisasi Spektofotometer IR
pH Optimum
pH atau derajat keasaman merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi proses adsorpsi logam di dalam larutan, karena variasi pH akan berpengaruh pada muatan yang terdapat pada situs aktif EPS dan HES dan juga adanya H+ yang akan
berkompetisi dengan kation untuk berikatan dengan situs aktif.
Hasil adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) oleh EPS dan HES dengan variasi pH ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar 3.pH optimum proses adsorpsi pada adsorben EPS dan HES
(a) ion Cd(II) ; (b) ion Pb(II)
Dapat dilihat bahwa pada pH rendah adsorpsi ion logam relatif sedikit, ini terjadi karena permukaan sel adsorben bermuatan lebih positif sehingga tolak menolak antara ion logam dengan gugus fungsi pada adsorben[15]. Pada pH 7 adsorpsi relatif tinggi, hal ini dapat terjadi karena permukaan adsorben akan bermuatan negatif sehingga melalui gaya elekstrostatik akan terjadi tarik menarik yang menyebabkan peningkatan adsorpsi.
Waktu Kontak Optimum
Perlakuan ini dimaksudkan untuk mendapatkan informasi berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai penyerapan optimum ion Pb(II) dan Cd(II) oleh EPS dan HES. Interaksi EPS dan HES dengan larutan ion Pb(II) dan Cd(II) 10 ppm dilakukan pada rentang waktu 0 – 120 menit. Hasil adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II)
oleh EPS dan HES dengan variasi waktu kontak ditampilkan pada Gambar 4.
Gambar 4.Waktu optimum proses adsorpsi pada adsorben EPS dan HES
(a) ion Pb(II) ; (b) ion Cd(II)
Interaksi antara ion Pb(II), dan Cd(II) padaadsorben EPSdan HES mencapai optimum pada kisaran 15 menit dan bertambahnya waktu interaksi hingga 120 menit tidak meningkatkan kemampuan adsorpsi secara berarti. Adsorpsi ion logam meningkat sangat cepat (<15 menit), yang diduga merupakan interaksi pasif logam dengan dinding sel yang memiliki muatan negatif pada permukaan [8]. Selain itu juga dapat disebabkan oleh luas permukaan padatan yang besar [8] dan adanya berbagai jenis situs aktif yang terdapat pada sel EPS dan HES.
Konsentrasi Logam Optimum
Dengan adanya variasi konsentrasi ion logam pada adsorpsi logam menggunakan EPS dan HES didapatkan informasi tentang kapasitas adsorpsi dari EPS dan HES yang
didapat dari isoterm adsorpsinya. Logam divariasikan pada konsentrasi 0 – 25 ppm.
Hasil adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) oleh EPS dan HES dengan variasi konsentrasi kapasitas adsorpsinya masing-masing sebesar 91.61; 99.23 dan 82.04; 82.04 %pada konsentrasi optimum 25 ppm ditampilkan pada Gambar 5. dan ditampilkan secara menyeluruh dari hasil variasi pH, waktu dan konsentrasi pada Tabel 1.
Gambar 5.Konsentrasi optimum proses adsorpsi pada adsorben EPS dan HES
(a) ion Pb(II) ; (b) ion Cd(II)
Tabel 1. Data adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) pada EPS dan HES
Adsorben
Jumlah ion Logam teradsorpsi (Q) mg/g
A (%)
PH
Waktu
Konsentrasi
Pb(II)
Cd(II)
Pb(II)
Cd(II)
Pb(II)
Cd(II)
Pb(II)
Cd(II)
EPS
3,029
1,678
3,246
1,838
5,726
5,128
91,61
82,04
Tampak bahwa kapasitas adsorpsi ion logam pada adsorben EPS dan HES mengikuti urutan : Cd(II) < Pb(II). Hal tersebut dapat dijelaskan dengan meninjau sifat asam basa keras lunak (Konsep HSAB) dari Pearson [2]. Dalam hal ini Pb(II) tergolong asam madya (border line), sehingga akan berinteraksi kuat dengan gugus karboksilat dari EPS dan gugus silanol dari akuagel silika, bila dibandingkan dengan ion Cd(II) yang bersifat asam lunak.
Secara umum kapasitas adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) pada HES lebih besar dari EPS (Tabel1). Hal tersebut disebabkan oleh proses modifikasi EPSdengan silika gel menghasilkan situs-situs aktif yang lebih banyak untuk berinteraksi dengan ion logam. Situs-situs tersebut merupakan gugus fungsi dari EPS dan HES berasal dari silika gel [16].
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian disimpulkan bahwa hasil kapasitas adsorpsi ion Pb(II) dan Cd(II) pada EPS dan HES masing-masing sebesar 91.61; 99.23 dan 82.04; 82.04 %pada konsentrasi optimum 25 ppm dengan temperatur 4°C dan waktu interaksi 15 menit.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih kepada UPT Laboratorium Terpadu dan Sentra Inovasi Teknologi yang telah banyak memfasilitasi Penelitian ini.
DAFTAR RUJUKAN
[1]Ronaldo, Imelda, dan Nelly. 2013. Adsorpsi Ion Logam Cu(II) menggunakan Biomassa Alga Coklat yang Terenkapsulasi Aqua-Gel Silika. JKK. 2(3): 148-152.
[2] Erni dan Regina, H. 2011. Biosorpsi Kadmium dan Komposisi Eksopolisakarida
Azotobacter sp pada Dua Konsentrasi
CdCl2. Agrinimal. 1(1): 33-37.
[3] Amir, L., Ali, R.B., Esmael, Karimi and Solmaz, R. 2008. Adsorption Capability of
Lead, Nickel and Zinx by Exopolysaccharide and Dried Cell of Ensifer meliloti. Asian Journal of Chemistry.
20(8) : 6075-6080.
[4] Buhani, Suharso, and Sumadi. 2010.
Adsorption kinetics and Isotherm of Cd(II) Ion on Nannochloropsis sp Biomass Imprinted Ionic Polimer. Desalination. 259: 140-146.
[5] Gupta, S.S., and K.G. Bhattacharyya. 2006. Adsorption of Ni(II) on Clay. Journal
Chemist Science.295: 21-32.
[6] Stum, W. and Morgan, J.J., 1981. Aquatic Chemistry. John Wiley and Sons. New York. 323-363.
[7] Quintanilla,D.P., Sanchez, A.S., Del
Heirro,I., Fajardum., and Sierra, I. 2008. Amino and Mercapto Silica Hybrid for Cd(II) Adsorption in Aqueous Solution. Indonesian
Journal Chemist.
[8] Buhani, Suharso, and Zipora Sembiring. 2006. Biosorption of Metal Ions Pb(II), Cu(II), and Cd (II) on Sargassum duplicatum Immobilized Silica Gel Matrix. Indonesian Journal Chemist. 6(3): 245-250. [9] Santos, E. A., Pagono, R.L., Simoni, S.A.,
Airoldi,C.I, Cestari, A.R., and Viera, EFS. 2001. Amino and mercapto silica hybrid for Cd(II)adsorption in aqueous solution. Indo.
[10] Chen, J.H., Czajka, R.d., Lion, L.W., Shuler, M.L. and Ghiorse. 1995. Trace Metal Mobilization in Soil by Bacterial Polimers. Environmental Health Persfective. 103(1): 53-58.
[11] Likhosherstov, L.M., Senchenkova, S.N., Shashkov, A.S., Derevitskaya, V.A., Danilova, I.V., and Botvinko, I.V. 1991. Structure of The Major Exopolysaccharide Produced by Azotobacter beijerinckii B-1615. Carbohydr Res. 222: 233-238. [12] Liu, Y., Y. Zeng, W. Xu, C.Yang., and J.
Zhang. 2010. Biosorption of copper(II) by Immobilizing Saccharomyces cerevisiae on the Surface of Chitosan-Coated Magnetic Nanoparticles from Aqueus Solution.
Journal of Hazardous Materials. 177.
676-682.
[13] Suryani, D.P. 2013. Immobilisasi Biomassa Alga Tetraselmis sp Dengan Pelapisan Silika-Magnetit Sebagai Adsorben Ion Ni(II) dan Zn(II). (Skripsi). Universitas Lampung. Bandar Lampung.
[14] Schubert, U., and N. Husing. 2000.
Synthesis of Inorganic Material. Willey-VCH
Verlag Gmbh. D-69469 Wernbeim. Federal Republik of Germany.Science, The Physics
and Chemistry of Sol-Gel Processing.
Academic.
[15] Volesky, and Z.R.Holan. 1995. Biosorpstion
of Heavy Metals. Biotechnology Progress. 11:235-250.
[16] Buhani. 2003. Jurnal Sains dan Teknologi. 9, 2. 31-38.
TANYA JAWAB PENANYA :
