BAB II
LANDASAN TEORI
A.Tinjauan Pustaka
Pembahasan landasan teori ini meliputi logam berat tembaga, bahan-bahan yang digunakan untuk menjerap dan teori tentang adsorpsi seperti berikut ini.
1. Logam Berat Tembaga (Cu)
Tembaga atau cuprum dalam tabel periodik yang memiliki lambang Cu dan nomor atom 29. Tembaga di alam tidak begitu melimpah dan ditemukan dalam bentuk bebas maupun dalam bentuk senyawa. Bijih tembaga yang terpenting yaitu pirit atau chalcopyrite (CuFeS2), copper glance atau chalcolite (Cu2S), cuprite (Cu2O), malaconite (CuO) dan malachite (Cu2(OH)2CO3) sedangkan dalam unsur bebas ditemukan di Northern Michigan Amerika Serikat.
Tembaga merupakan unsur yang relatif tidak reaktif sehingga tahan terhadap korosi. Pada udara yang lembab permukaan tembaga ditutupi oleh suatu lapisan yang berwarna hijau yang menarik dari tembaga karbonat basa, Cu(OH)2CO3. Pada kondisi yang istimewa yakni pada suhu sekitar 300OC tembaga dapat bereaksi dengan oksigen membentuk CuO yang berwarna hitam. Sedangkan pada suhu yang lebih tinggi, sekitar 1000OC, akan terbentuk tembaga(I) oksida (Cu2O) yang berwarna merah. Logam ini, apabila dalam keadaan serbuk menimbulkan bahaya api. Pada kepekatan lebih daripada 1 mg/L, tembaga masih diperbolehkan mencemari pakaian dan benda-benda yang dicuci dalam air. Kekurangan tembaga jarang terjadi pada orang sehat. Paling sering terjadi pada bayi-bayi prematur atau bayi-bayi yang sedang dalam masa penyembuhan dari malnutrisi yang berat. Orang-orang yang menerima makanan secara intravena (parenteral) dalam waktu lama juga memiliki resiko menderita kekurangan tembaga.
Sindroma Menkes adalah suatu penyakit keturunan yang menyebabkan kekurangan tembaga. Tembaga yang tidak berikatan dengan protein merupakan zat racun.
Mengkonsumsi sejumlah kecil tembaga yang tidak berikatan dengan protein dapat menyebabkan mual dan muntah. Makanan atau minuman yang diasamkan, yang bersentuhan dengan pembuluh, selang atau katup tembaga dalam waktu yang lama, dapat
tercemar oleh sejumlah kecil tembaga. Fungsi tembaga dalam tubuh jika pembebatan larutan garam tembaga digunakan untuk mengobati daerah kulit yang terbakar luas, apabila sejumlah tembaga bisa terserap dan merusak ginjal, menghambat pembentukan air kemih dan menyebabkan anemia karena pecahnya sel-sel darah merah (hemolisis).
2.Bahan koagulan aluminium sulfat atau tawas
Tawas, atau dalam bahasa Inggrisnya disebut "Alum" adalah suatu kristal sulfat dari logam-logam seperti lithium, potassium, calcium, alumunium, dan logam-logam lainnya.
Kristal tawas ini cukup mudah larut dalam air, dan kelarutannya berbeda-beda tergantung pada jenis logam dan suhu. Tawas telah dikenal sebagai flocculator yang berfungsi untuk menggumpalkan kotoran-kotoran pada proses penjernihan air. Selain itu, tawas juga digunakan sebagai deodorant, karena sifat antibakterinya. Tawas merupakan bahan perdagangan yang penting pada abad ke 15 dan dipergunakan sebagai mordan~pada pewarnaan.
Zat ini ditemukan secara besar-besaran dari kalsinasi dan "lixiviation" alunite yang didapatkan dari berbagai tempat di Timur Dekat & dari deposit alunite di Tofla. Italia.
Tawas mempunyai rumus umum M(I) M(III) (S04)2 .12 H2O. dengan K(I) adalah ion positif bervalensi satu dan M(III) adalah ion positif bervalensi tiga. Pada saat ini tawas banyak dipakai sebagai pewarna pada pakaian. pemurnian air dan “sizing" paper. Alum merupakan salah satu senyawa kimia yang dibuat dari dari molekul air dan dua jenis garam, salah satunya biasanya Al2(SO4)3. Alum kalium, juga sering dikenal dengan alum, mempunyai rumus formula yaitu K2SO4.Al2(SO4)3.24 H2O. Alum kalium merupakan jenis alum yang paling penting. Alum kalium merupakan senyawa yang tidak berwarna dan mempunyai bentuk kristal oktahedral atau kubus ketika kalium sulfat dan aluminium sulfat keduanya dilarutkan dan didinginkan. Larutan alum kalium tersebut bersifat asam. Alum kalium sangat larut dalam air panas. Ketika kristalin alum kalium dipanaskan terjadi pemisahan secara kimia, dan sebagian garam yang terdehidrasi terlarut dalam air. Alum kalium memiliki titik leleh 900OC.
Tipe lain dari alum adalah aluminium sulfat yang mencakupi alum natrium, alum amonium, dan alum perak. Alum digunakan untuk pembuatan bahan tekstil yang tahan
api, obat, dan sebagainya (http://encarta.com). Aluminium sulfat padat dengan nama lain: alum, alum padat, aluminium alum, cake alum, atau aluminium salt adalah produk buatan berbentuk bubuk, butiran, atau bongkahan, dengan rumus kimia Al2(SO4)3. x H2O, tawas sebagai penjernih air kekeruhan dalam air dapat dihilangkan melalui penambahan sejenis bahan kimia yang disebut koagulan.
Pada umumnya bahan seperti Aluminium Sulfat [Al2(SO4)3.18 H2O] atau sering disebut alum atau tawas, fero sulfat, Poly Aluminium Chlorida (PAC) dan poli elektrolit organik dapat digunakan sebagai koagulan. Untuk menentukan dosis yang optimal, koagulan yang sesuai dan pH yang akan digunakan dalam proses penjernihan air, secara sederhana dapat dilakukan dalam laboratorium dengan menggunakan tes yang sederhana (Alearts &
Santika, 1984).
Prinsip penjernihan air adalah dengan menggunakan stabilitas partikel-partikel bahan pencemar dalam bentuk koloid. Stabilitas partikel-partikel bahan pencemar ini disebabkan: a.Partikel-partikel kecil ini terlalu ringan untuk mengendap dalam waktu yang pendek (beberapa jam). b. Partikel-partikel tersebut tidak dapat menyatu, bergabung dan menjadi partikel yang lebih besar dan berat, karena muatan elektris pada permukaan, elektrostatis antara muatan partikel satu dan yang lainnya. Stabilitas partikel- partikel bahan pencemar ini dapat diganggu dengan pembubuhan koagulan. Dalam proses penjernihan air secara kimia melibatkan dua proses yaitu koagulasi dan flokulasi (Alearts & Santika, 1984).
Proses koagulasi adalah suatu proses pertumbuhan dan pencampuran dilakukan secara tepat dari suatu proses koagulan, stabilisasi dan partikel-partikel koloid tersuspensi, serta agregasi awal dari partikel-partikel terstabilisasi (Reynold, 1982). Partikel-partikel koloid yang terbentuk umumnya terlalu sulit untuk dihilangkan jika hanya dengan pengendapan secara gravitasi. Tetapi apabila koloid-koloid tersebut distabilkan dengan cara agregasi atau koagulasi menjadi partikel yang lebih besar maka koloid-koloid tersebut dapat dihilangkan dengan cepat (Metcalf & Eddy, 1978).
Terdapat tiga mekanisme koagulasi yaitu komponen lapisan ganda (doeble layer compression), adsorbsi (adsorption) dan absorbsi oleh polimer (absorption by polymer).
Koagulasi merupakan proses penambahan bahan kimia (koagulan) yang memiliki
kemampuan untuk menjadikan partikel koloid tidak stabil sehingga partikel siap membentuk flok. Flokulasi merupakan proses pembentukan dan penggabungan flok dari partikel-partikel tersebut yang menjadikan ukuran dan beratnya lebih besar sehingga mudah mengendap. Flokulan yang digunakan untuk penjernihan air yaitu NaOH. Hal ini karena pengotor banyak mengandung ion positif sehingga dengan penambahan polimer yang bersifat negatif dapat mengikat flok lebih besar dan proses pengendapan lebih cepat (Soeparman & Suparmin, 2002).
Terdapat tiga tahap penting pada proses pengolahan air dengan penambahan zat kimia seperti tawas yaitu: tahap pembentukan inti endapan, tahap flokulasi, tahap pemisahan flok dengan cairan. Koagulasi dan flokulasi merupakan suatu proses yang umum dilakukan dalam pengolahan limbah cair industri. Koagulasi adalah proses penambahan bahan kimia atau koagulan kedalam air limbah yang bertujuan untuk mengurangi daya tolak menolak antar partikel koloid, sehingga partikel-partikel tersebut dapat bergabung menjadi flok-flok kecil. Flokulasi adalah proses penggabungan flok-flok kecil sehingga menjadi flok-flok yang lebih besar sehingga akan mudah mengendap. Biasanya pengolahan air dengan menggunakan tawas ini, dilakukan pada awal proses pengolahan air kotor. Tawas ditambahkan ke dalam air sehingga menyebabkan partikel-partikel tersuspensi akan mengendap dan kemudian air dapat diolah lebih lanjut. Salah satunya dengan proses filtrasi. Kemudian didesinfeksi lalu dapat dikonsumsi.
Tawas merupakan alumunium sulfat yang dapat digunakan sebagai penjernih air seperti sedimentasi (water treatment) karena tawas yang dilarutkan dalam air mampu mengikat kotoran-kotoran dan mengendapkan kotoran dalam air sehingga menjadikan air menjadi jernih. Tawas dikenal sebagai koagulan didalam pengolahan air limbah. Sebagai koagulan tawas sangat efektif untuk mengendapkan partikel yang melayang baik dalam bentuk koloid maupun suspensi. Selain digunakan sebagai penjernih air, tawas juga dapat digunakan sebagai zat aditif untuk antiperspirant (deodorant).
Tawas sendiri adalah kelompok garam rangkap berhidrat berupa kristal dan bersifat isomorf. Tawas ini dikenal dengan nama potassium aluminium sulfat dodekahidrat atau KAl(SO4)2.12 H2O. Tawas ini dipasaran dibedakan atas 2 jenis berdasarkan bentuknya,
yaitu tawas butek dan tawas bening. Tawas atau alum ini dibuat melalui dua cara yaitu : 1. Proses Bauxite dengan proses bauxite ini tawas dibuat langsung dari bauxite dan asam sulfat, dimana bauxite mengandung kurang lebih 50% Al(OH)3. 2. Proses Al(OH)3
dengan proses Al(OH)3 ini tawas dibuat dari Al(OH)3 yang direaksikan dengan asam sulfat membentuk alum sulfat. Prosedur pembuatannya yang pertama dilakukan adalah dengan menimbang Al(OH)3 sebanyak 100 gram dengan 300 mL air. Air ini digunakan untuk mengencerkan tawas sehingga tawas tersebut berubah dari padatan menjadi larutan, karena tawas dalam bentuk padatan akan sulit bereaksi dengan asam sulfat encer.
Kemudian ditambahkan 200 mL asam sulfat pekat 98% secara perlahan-lahan dan diaduk pelan-pelan selama kurang lebih 60 menit sampai homogen. Penggunaan asam sulfat disini berfungsi sebagai reaktan. Proses pencampuran tersebut dilakukan di ruang asam, hal ini dilakukan karena salah satu bahan pembuat tawas adalah asam sulfat pekat yang merupakan zat kimia berbahaya yang apabila terhisap dapat mengganggu kesehatan dan proses pencampuran tersebut menghasilkan reaksi eksoterm (mengeluarkan panas) sehingga bersifat eksplosif dan dapat meledak. Setelah semua bahan dicampurkan, kemudian diaduk agar homogen. Setelah itu tunggu beberapa saat, kemudian cetak pada wadah yang telah disediakan. Pada saat dikemas ke dalam wadah, tawas tidak boleh terlalu dingin. Jika terlalu dingin, tawas akan mengkristal dan mengendap karena kelarutannya rendah dalam suasana dingin, akibatnya tawas sulit untuk dicetak.
Untuk menguji tawas yang telah dibuat dapat dilakukan dengan menggunakan air limbah (air yang sudah tidak jernih lagi) yaitu dengan cara tawas ditambahkan dengan koagulan, koagulan tersebut memiliki kemampuan untuk menjadikan partikel koloid tidak stabil sehingga partikel siap membentuk flok. Setelah itu ditambahkan flokulan yang terbuat dari polimer, flokulan yang digunakan untuk penjernihan air yaitu NaOH. Hal ini karena pengotor banyak mengandung ion positif sehingga dengan penambahan polimer yang bersifat negatif dapat mengikat flok lebih besar dan proses pengendapan lebih cepat.
Lalu campuran tersebut diaduk dan dibiarkan beberapa saat hingga kotoran-kotoran yang terdapat di air mengendap semuanya. Tawas yang baik adalah tawas yang mampu mengikat banyak kotoran-kotoran dan mengendapkannya sehingga air menjadi jernih.
3. Bahan penjerap tanah alofan.
Alofan termasuk kelompok alumino silikat alam yang bersifat amorf dengan patikel utamanya berbentuk bola berongga dengan diameter 3,5 – 5 nm (Iyoda et al.,2011a).
Tipe permukaannya dibentuk oleh –Si-OH, yang disebut permukaan silanol, dan – Al-OH, yang disebut permukaan aluminol. Biasanya senyawa dengan permukaan silanol dan aluminol tersebut memiliki luas permukaan yang sangat besar (Tan, 1982). Alofan dikalisifikasikan sebagai bahan yang bersifat “short range-ordered” karena memilki struktur yang berulang pada skala molekul dan komposisinya relatif teratur. Bahan
“short range-ordered” umumnya terbentuk sangat cepat melalui proses kristalisasi, dimana “inti” benih kristal terjadi dengan mudah dan banyak benih yang dibentuk.
Besarnya jumlah benih disebabkan pembentukan mikrokristal yang memiliki lebar dimensi sekitar 10-1000 Å (Wada, 1989).
Alofan memiliki komposisi kimia Al2Si2O5.nH2O. Rasio Si : Al alofan bervariasi antara 1 : 1 sampai 2 : 1. Semakin tua alofan maka perbandingan Si : Al lebih dari 2. Alofan dengan perbandingan Si : Al = 1 : 1 disebut alofan kaya Si, sedangkan alofan dengan perbandingan 2 : 1 disebut alofan kaya Al. Alofan kaya Al paling sering ditemukan pada andisol sedangkan alofan kaya Si jarang ditemukan (Parfit, 2009).
Munir (1996) memberikan gambaran tentang ciri-ciri alofan, yaitu:
a. Kandungan bahan piroklastik (bahan vulkanik) tinggi (lebih dari 80%).
b. Kandungan bahan organik lebih dari 1% dengan sedikit Al yang dapat ditukar.
c. Kapasitas tukar kation (KTK) lebih dari 150 meq/100 g pada pH 8,2.
d. Luas permukaan besar dan mempunyai kemampuan menahan air.
e. pH pengukuran 1 gram tanah andisol dengan 50 cc NaF 1N selama 2 menit menunjukkan besaran lebih dari 9,4.
Struktur alofan yang terdiri dari SiO4 , Al(OH)3 , dinding dan lubang kecil-kecil seperti pada gambar 2 berikut ini.
Gambar 2. Struktur Alofan (Iyoda et al, 2011b
Tanah-tanah yang banyak mengandung alofan dicirikan oleh nilai kerapatan lindak (berat volume) yang rendah dan plastisitas yang tinggi, meskipun tanah tersebut bersifat tak lekat sewaktu basah. Kapasitas menangkap air meningkat dengan adanya alofan.
Peningkatan kapasitas jerapan dapat dilakukan dengan aktivasi kimia dan fisika.
Widjonarko, dkk. (2003) melakukan aktivasi kimia pada alofan alam Tawangmangu dengan aktivator H2SO4 3N dan NaOH 3N, dan pengaruhnya terhadap luas permukaan dan keasaman alofan dengan melakukan variasi waktu kontak 1 jam, 3 jam dan 5 jam.
Hasil dari penelitian tersebut menunjukkan bahwa NaOH 3N mampu meningkatkan luas permukaan spesifik dan keasaman total lebih besar dari H2SO4 3N dengan waktu optimum 5 jam.
Heraldy, dkk. (2004) melakukan jerapan ion logam seng (Zn) limbah elektroplating dengan penjerap alofan alam Gunung Lawu, Tawangmangu. Sulistyarini (2012) juga telah melakukan aktivasi kimia pada alofan alam dari gunung Arjuna dengan aktivator NaOH dengan variasi konsentrasi 1M, 2M dan 3M serta membandingkan pengaruhnya terhadap luas permukaan alofan yang diaktivasi dan tanpa aktivasi kimia. Hasil dari penelitian tersebut diperoleh kondisi optimum alofan yang diaktivasi NaOH 3M selama 5 jam memiliki luas permukaan 33,445 m2/g dengan prosentase penyerapan sebesar 86,901% sedangkan alofan tanpa aktivasi memiliki luas permukaan 18,229 m2/g dengan penyerapan optimum sebesar 30,541% terhadap ion logam tembaga (Cu). Sebaran tanah andisol yang terdapat pada gunung berapi di Pulau Jawa seperti pada gambar 3 berikut ini.
16
Gambar 3. Sebaran tanah andisol di Pulau Jawa
17
Gambar 3 diatas menunjukkan sebaran tanah andisol di seluruh Pulau Jawa yang tersebar dari wilayah Jawa Barat sampai Jawa Timur dan daerah-daerah itu merupakan daerah gunung berapi yang masih aktif sampai sekarang.
Pranoto et al., (2013) melakukan identifikasi, karakterisasi dan aktivasi alofan alam dari berbagai daerah (gunung Papandayan, Arjuna dan Wilis) sebagai penjerap logam berat Cr, Fe, Cd, Cu, Pb dan Mn. Penelitian dilakukan dengan aktivator NaOH (1N dan 3N) selama 1 jam, 3 jam dan 5 jam dan jerapan dilakukan secara batch dengan variasi waktu kontak 30, 60, 90 dan 120 menit. Kondisi aktivasi dan jerapan optimum untuk penjerapan logam Cr dan Cd adalah NaOH 3N selama 3 jam dan waktu kontak 120 menit, logam Fe dengan aktivator NaOH 3N selama 1 jam dan waktu kontak 30 menit, logam Pb dan Mn dengan aktivator NaOH 3N selama 5 jam dan waktu kontak 90 menit, logam tembaga (Cu) dengan aktivator NaOH 3N selama 5 jam dan waktu kontak 60 menit.
Tanah yang berkomposisi andesit merupakan tanah andisol, sedangkan alofan merupakan aluminosilikat yang terdapat dalam tanah andisol. Alofan mempunyai karakteristik sebagai penjerap yang baik, seperti porositas, daya serap dan pertukaran kation yang tinggi. Pranoto et al., (2013) memanfaatkan alofan alam dari berbagai gunung di pulau Jawa (Papandayan, Arjuna dan Wilis) untuk jerapan logam berat (Cr, Fe, Cd, Cu, Pb dan Mn) dengan metode batch. Kombinasi antara alofan alam dan lempung alam dari daerah Sokka, Kebumen, Jawa Tengah sebagai penjerap ion logam tembaga (Cu2+) dilakukan oleh Sistha (2014). Pengembangan alofan alam sebagai penjerap perlu dilakukan untuk meningkatkan kapasitas jerapannya. Bahan-bahan alam dipilih untuk memodifikasi alofan alam sebagai penjerap logam berat. Lempung dan Abu sekam dipilih sebagai campuran alofan sebagai penjerap ion logam dalam larutan, akan tetapi kelestarian tanah andisol yang banyak mengandung alofan juga harus menjadi prioritas dalam pelestarian lingkungan, oleh karena itu perlu teknologi yang tepat dalam pengelolaannya.
4. Arang aktif dari tempurung kelapa
Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Chereminisoff , komposisi kimia tempurung kelapa adalah seperti berikut: Sellulosa 26,60 %, Lignin 29,40 %, Pentosan
18
27,70 %, Solvent ekstraktif 4,20 %, Uronat anhidrid 3,50 %, Abu0,62%, Nitrogen 0,11
%, dan Air 8,01 %. Karbon aktif banyak terbuat dari material seperti kayu, serbuk gergaji, biji buah dan batok kelapa, batu bara, lignite, dan residu minyak tanah.
Pembentukan karbon aktif ini terdiri dari karbonisasi dari padatan diikuti aktivasi menggunakan uap panas.(Reynold dan Paul, 1995) Di kalangan kimiawan dan pakar lingkungan hidup, kelapa juga dapat didayagunakan sebagai adsorben/penyerap.
Untuk polutan yang masuk ke tubuh manusia seperti keracunan pestisida ataupun kation logam seperti Pb, Hg, Cd, dan sebagainya, air kelapa sangat dianjurkan untuk diminum. Hal ini dikarenakan air kelapa dapat menetralkan racun sebagaimana susu.
Untuk polutan yang masuk ke lingkungan hidup, bagian dari sabut dan tempurung kelapa sangat potensial didayagunakan sebagai adsorben terutama untuk polutan logam berat yang sangat berbahaya bagi manusia. Sebagai contoh untuk masyarakat yang air minumnya bergantung pada air sumur dapat memanfaatkan matras sabut kelapa yang telah dicelup pada zat pewarna wantex untuk menyerap logam berat mangan (Mn) dengan hasil 1 g matras wantex dapat menyerap 4,69 mg Mn. Dari penelitian lain di Universitas Lampung menyebutkan arang tempurung kelapa juga mempunyai kemampuan untuk menyerap logam berat Pb, Fe, dan Cu yang ditunjukkan pada tabel1 berikut ini.
Tabel 1. Kemampuan Arang Tempurung (Hardoko, 2006)
Adsorben Pb Fe Cu
1 Kg Arang Tempurung Kelapa 35.8 mg 15.5 mg 13.8 mg
1 Kg Arang Tempurung Kelapa (Aktivasi) 56.3 mg 43.8 mg 39.9 mg 1 Kg Arang Tempurung Kelapa (Aktivasi + ZnCl2) 72.3 mg 36.1 mg 52.7 mg
Dari tabel di atas secara umum diketahui bahwa arang tempurung kelapa yang paling efektif untuk menyerap logam berat adalah arang yang telah diaktivasi dan ditambahkan ZnCl2. Selain untuk logam berat, arang tempurung kelapa juga baik diterapkan dalam pengolahan limbah air industri dan dalam pengolahan emas (Wibisono, 2010).
19
Sebagian besar di pedesaan Sabut dan Tempurung Kelapa dimanfaatkan untuk bahan bakar, baik dalam bentuk tempurung kering atau arang tempurung. Beberapa tahun terakhir ini tempurung kelapa juga sering digunakan sebagai alat peraga edukatif (APE) seperti pada pelajaran biologi, matematika dan fisika, atau juga bisa dipakai sebagai bahan pembuatan suvenir . Tempurung Kelapa disamping dipergunakan untuk pembuatan arang, juga dapat dimanfaatkan untuk pembuatan arang aktif, yang dapat berfungsi untuk mengadsorbsi gas dan uap. Arang aktif dapat pula digunakan untuk menurunkan kadar kesadahan, kadar besi, dan kadar NaCl dalam air sumur.Dalam penelitian ini, pembuatan arang aktif dari tempurung kelapa dilakukan melalui 2 tahapan yaitu:1.metoda pengarangan dengan cara metoda drum, dan 2. Metoda pengaktifan menggunakan bahan pengaktif NaOH dan H2SO4 , beberapa hal detil tentang arang aktif seperti berikut ini.
a. Arang Aktif
Arang aktif adalah arang yang diproses sedemikian rupa sehingga mempunyai daya serap/adsorpsi yang tinggi terhadap bahan yang berbentuk larutan atau uap. Arang aktif dapat dibuat dari bahan yang mengandung karbon baik organik atau anorganik, tetapi yang biasa beredar di pasaran berasal dari tempurung kelapa, kayu dan batubara.
Pada umumnya arang aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan penjernih. Dalam jumlah kecil digunakan juga sebagai katalisator. Sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atau volume pori-pori dan luas permukaan. Daya serap arang aktif sangat besar, yaitu 25-100% terhadap berat arang aktif .
b. Struktur Arang Aktif
1. Struktur arang/karbon aktif menyerupai struktur grafit. Grafit mempunyai susunan seperti pelat-pelat yang sebagian besar terbentuk dari atom karbon yang berbentuk heksagonal. Jarak antara atom karbon dalam masing-masing lapisan 1,42 A. Pada grafit, jarak antara pelat-pelat lebih dekat dan terikat lebih teratur daripada struktur karbon aktif. Dekomposisi menghasilkan tar, metanol dan hasil samping lainnya. Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400-6000C.
2. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasaan pori-pori. Dapat dilakukan dengan uap atau CO2 sebagai aktivator.
3. Dekomposisi menghasilkan tar, metanol dan hasil samping lainnya. Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400-6000C.
20
4. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasaan pori-pori. Dapat dilakukan dengan uap atau CO2 sebagai aktivator.
Faktor-faktor yang mempengaruhi hasil destilasi kering tempurung adalah kematangan/kekerasan tempurung, suhu, tekanan dan lama destilasi .Struktur grafit dan arang aktif seperti pada gambar 4.
Gambar 4. Struktur grafit dan Struktur karbon aktif c.Sintesis Arang Aktif
Hasil dari destilasi kering diaktifasi dengan variasi suhu atau konsentrasi NaOH, hasil yang diperoleh bisa digunakan sebagai adsorben.
d.Aplikasi Arang Aktif.
Arang aktif atau karbon aktif adalah karbon dengan struktur amorphous atau mikrokristalin yang dengan perlakuan khusus dapat memiliki luas permukaan dalam yang sangat besar antara 300-2000 m2 /gram. Daya serap dari arang aktif umumnya tergantung kepada jumlah senyawaan karbon yang berkisar antara 85 sampai 95%
karbon bebas . Arang aktif dapat digunakan untuk memperbaiki kualitas air .
Proses aktifasi merupakan hal yang penting diperhatikan disamping bahan baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul- molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi ( Ajayi dan Olawale, 2009 ). Proses yang melibatkan oksidasi selektif dari bahan baku dengan udara, juga digunakan baik untuk pembuatan arang aktif sebagai pemucat maupun sebagai penyerap uap. Bahan baku dikarbonisasi pada temperatur 400-500°C untuk mengeleminasi zat-zat yang mudah menguap. Kemudian dioksidasi dengan gas pada 800-1000 OC untuk mengembangkan pori dan luas permukaan (Ami Cobb ,2012)
21
Adapun pembuatan arang aktif melalui dua cara:
1) Proses Kimia Bahan baku dicampur dengan bahan-bahan kimia tertentu, kemudian dibuat pada. Selanjutnya pada tersebut dibentuk menjadi batangan 2) dan dikeringkan serta dipotongpotong. Aktifasi dilakukan pada temperature
100OC. Arang aktif yang dihasilkan, dicuci dengan air selanjutnya dikeringkan pada temperatur 300OC Dengan proses kimia, bahan baku dapat dikarbonisasi terlebih dahulu, kemudian dicampur dengan bahan-bahan kimia. Pada aktifasi kimia ini arang hasil karbonisasi direndam dalam larutan aktifasi sebelum dipanaskan. Pada proses aktifasi kimia, arang direndam dalam larutanpengaktifasi selama 24 jam lalu ditiriskan dan dipanaskan pada suhu 600-900 OC selama 1- 2 jam.
3) Proses Fisika Bahan baku terlebih dahulu dibuat arang. Selanjutnya arang tersebut digiling, diayak untuk selanjutnya diaktifasi dengan cara pemanasan pada temperatur 1000OC yang disertai pengaliran uap. Pada aktifasi fisika ini yaitu proses menggunakan gas aktifasi misalnya uap air atau CO2 yang dialirkan pada arang hasil karbonisasi, menurut Ami Cobb ,2012, proses ini biasanya berlangsung pada temperatur 800 – 1100 OC.
5. Proses penjerapan (Adsorption)
Penjerapan adalah proses akumulasi di permukaan antara dua fase yang terjadi secara fisika dan kimia, atau proses terserapnya molekul-molekul pada permukaan eksternal atau internal suatu padatan. Akumulasi yang terjadi dapat berlangsung pada proses cair-cair, cair-padat dan padat-padat. Penjerapan biasanya terjadi pada dinding dinding pori atau pada tapak tertentu pada partikel (Warren et al., 1999;
Mahentiran, 2002). Proses penjerapan terjadi karena adanya gaya tarik-menarik dari permukaan penjerap (adsorben) dan energi kinetik molekul terjerap (adsorbat) antara dua fase yang berbeda, adapun tahapan jerapan terdiri dari tiga tahap yang dapat digambarkan seperti pada gambar 5.
22
Gambar 5. Tahap-tahap Jerapan (Connor, et al., 2013)
Proses jerapan berlangsung dalam tiga tahap: tahap 1, pergerakan molekul- molekul terjerap menuju permukaan penjerap; tahap 2, penyebaran molekul-molekul terjerap ke dalam rongga-rongga penjerap dan tahap 3, penarikan molekul-molekul terjerap oleh permukaan aktif membentuk ikatan yang berlangsung sangat cepat (Gambar 5) (Meriatna, 2008 dan Connors et al., 2013). Efektifitas jerapan sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain konsentrasi awal larutan, luas permukaan penjerap, temperatur, ukuran partikel, pH dan waktu kontak.
Mekanisme jerapan dapat dibedakan menjadi jerapan kimia (kemisorpsi) dan jerapan fisika (fisisorpsi)
a. Jerapan kimia (kemisorpsi)
Jerapan kimia terjadi karena adanya gaya-gaya kimia dan diikuti oleh reaksi kimia. Pada jerapan kimia hanya satu lapisan gaya yang terjadi. Besarnya energi jerapan kimia
± 100 kJ/mol. Jerapan jenis ini menyebabkan terbentuknya ikatan kimia sehingga diikuti dengan reaksi kimia, maka jerapan jenis ini akan menghasilkan produksi reaksi berupa senyawa yang baru. Ikatan kimia yang terjadi pada kemisorpsi sangat kuat mengikat molekul gas atau cairan dengan permukaan padatan sehingga sangat sulit untuk dilepaskan kembali (irreversibel). Dengan demikian dapat diartikan bahwa pelepasan kembali molekul yang terikat dipenjerap pada kemisorpsi sangat kecil (Alberty, 1997 dalam Sistha, 2014).
b. Jerapan fisika (fisisorpsi)
Jerapan fisika terjadi karena adanya gaya-gaya fisika. Pada jenis jerapan fisika ini, terjadi beberapa lapisan gas. Besarnya energi jerapan fisika ± 10 kJ/mol. Molekul- molekul yang dijerapan secara fisika tidak terikat kuat pada permukaan, dan
23
biasanya terjadi proses balik cepat (reversibel), sehingga mudah untuk diganti dengan molekul yang lain.
Jerapan fisika didasarkan pada gaya Van Der Waals, dan dapat terjadi pada permukaan yang polar dan non polar. Jerapan juga mungkin terjadi dengan mekanisme pertukaran ion. Permukaan padatan dapat menjerapan ion-ion dari larutan dengan mekanisme pertukaran ion. Oleh karena itu, ion pada gugus senyawa permukaan padatan penjerapnya dapat bertukar tempat dengan ion-ion terjerap. Mekanisme pertukaran ini merupakan penggabungan dari mekanisme kemisorpsi dan fisisorpsi, karena jerapan jenis ini akan mengikat ion-ion yang dijerap dengan ikatan secara kimia, tetapi ikatan ini mudah dilepaskan kembali untuk dapat terjadi pertukaran ion (Atkins, 1990 dalam Sistha, 2014).
Isoterm jerapan menunjukkan hubungan kesetimbangan antara konsentrasi ion terjerap dalam fluida dan pada permukaan penjerap, pada suhu tetap. Kesetimbangan terjadi saat laju pengikatan penjerap terhadap ion terjerap sama dengan laju pelepasannya. Proses adsorpsi isotermis atau penjerapan yang banyak terjadi di dunia ini baik secara alami atau teknologi mempunyai dua macam model yang mengikuti suatu persamaan yaitu :
a. Isoterm Langmuir
Model isoterm Langmuir diterapkan dengan asumsi bahwa seluruh permukaan penjerap mempunyai afinitas yang relatif sama atau perbedaannya tidak signifikan terhadap logam. Proses jerapan berlangsung secara kemisorpsi satu lapisan. Pada setiap situs aktif hanya ada satu molekul yang dapat dijerap, sehingga sekali molekul terjerap menempati tempat tidak ada lagi penjerapan yang terjadi pada tempat tersebut. Persamaan jerapan isoterm Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut :
( )
Keterangan :
C : konsentrasi ion terjerap pada keadaan setimbang (mg/L) x : jumlah bahan terjerap (mg/L)
k1, k2 : konstanta empiris m : masa penjerap (g)
24
b. Isoterm Freundlich
Model Isoterm Freundlich terjadi secara fisisorpsi pada lebih dari satu lapisan tunggal dengan permukaan homogen sehingga ikatan di masing-masing tempat pelekatan berbeda. Persamaan isoterm Freundlich didasarkan atas terbentuknya lapisan tunggal molekul-molekul terjerap pada permukaan penjerap. Namun, tapak-tapak aktif pada permukaan penjerap bersifat heterogen. Isoterm Freundlich diterapkan pada proses jerapan zat terlarut ke permukaan padatan.
Persamaan Freundlich dapat dituliskan sebagai berikut :
( ) Keterangan :
x : jumlah bahan terjerap (mg/l) m : massa penjerap (g)
C : konsentrasi ion terjerap pada keadaan setimbang (mg/l) k dan n : konstanta empiris
6. Asas-Asas Lingkungan
Azas- azas lingkungan terdiri azas 1 sampai dengan azas 14, pada penelitian ini terdapat dua asas yang sesuai. Asas-asas tersebut adalah asas 3 meliputi Materi, energi,
ruang, waktu dan keanekaragaman semuanya termasuk kategori sumber alam. Alofan merupakan materi sumber alam. Gambar azas 1 sampai 14 seperti gambar 6 berikut.
25
Gambar 6. Hubungan Logis antara 14 Asas Lingkungan (Watt, 1973) Pengadaan alofan sebagai bahan penjerap masih dapat diterima oleh alam hingga batas tertentu. Ketika pengadaan bahan penjerap dilakukan secara besar-besaran maka dapat mempengaruhi keseimbangan alam. Tanah alofan mengandung mineral- mineral yang dibutuhkan oleh tumbuhan untuk tumbuh dan berkembang.
Kekurangan mineral-mineral tersebut dapat mempengaruhi tingkat kesuburan tanah dan pada akhirnya menghambat pertumbuhan tanaman dan asas 4 adalah untuk semua
26
kategori sumber daya alam, kalau pengadaannya sudah mencapai optimum, pengaruh unit kenaikannya sering menurun dengan penambahan sumber alam itu sampai ke suatu tingkat maksimum. Melampaui batas maksimum ini tak akan ada pengaruh yang menguntungkan.
Asas keempat ini dinamakan asas penjenuhan, asas ini sama halnya dengan mekanisme proses jerapan dimana penambahan waktu kontak mampu meningkatkan kapasitas jerapan hingga sampai batas maksimum. Ketika sudah terlampaui batas maksimum maka penambahan waktu kontak tidak akan memberikan pengaruh yang signifikan. Bahkan, ada kemungkinan akan menurunkan kapasitas jerapannya karena terjadinya proses desorpsi.
B. Kerangka Berpikir
Tawas atau aluminium sulfat merupakan bahan kimia yang berfungsi sebagai koagulan bagi kotoran-kotoran yang terdapat dalam air limbah yang berukuran sangat kecil dan sulit dipisahkan dengan cara diendapkan atau melalui penyaringan, oleh karena itu dalam proses penjerapan sebaiknya air limbah dibersihkan dari kotoran- kotoran yang melayang-layang agar proses penjerapannya lebih baik. Besarnya konsentrasi penambahan aluminium sulfat akan menentukan banyaknya kotoran yang menggumpal menjadi pertikel yang lebih besar.
Arang aktif dari tempurung kelapa dan alofan merupakan material berpori dengan luas permukaan spesifik yang besar dan mempunyai kapasitas tukar kation yang tinggi. Alofan termasuk mineral alumino silikat (Al2O3.2SiO2.2H2O) dengan komponen utamanya adalah Si, Al dan H2O. Adanya gugus-gugus aktif berupa Si-OH, Al-OH dan –OH menyebabkan alofan bermuatan elektronegatif sehingga memungkinkan terjadinya pertukaran kation. Berdasarkan karakteristik alofan tersebut dapat digunakan sebagai penjerap ion logam berat, misalnya tembaga (Cu).
Beberapa variasi dilakukan untuk memperoleh kapasitas jerapan yang maksimal.
Salah satunya dengan kombinasi arang aktif dan alofan. Kombinasi antara arang aktif dan tanah alofan (g/g) dilakukan untuk memperoleh komposisi terbaik dengan kapasitas jerapan maksimal. Arang aktif dari tempurung kelapa dan tanah alofan diaktivasi secara fisika dengan variasi suhu kalsinasi. Semakin tinggi suhu kalsinasi maka pori akan terbuka dan luas permukaannnya semakin meningkat dengan daya serap semakin baik. Variasi waktu kontak dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan waktu kontak optimum. Waktu kontak akan berpengaruh dan sangat
27
menentukan dalam proses jerapan. Waktu kontak yang lebih lama memungkinkan proses difusi dan penempelan molekul terjerap pada permukaan penjerap berlangsung lebih baik.
Mekanisme jerapan ditentukan melalui isoterm jerapan. Penjerap dengan komposisi dan kondisi terbaik dilakukan jerapan pada serangkaian variasi konsentrasi ion logam. Konsentrasi ion logam yang terjerap dianalisis dengan persamaan Langmuir dan Freundlih untuk menentukan jenis isotermnya jerapannya. Komposisi penjerap dengan kapasitas jerapan tinggi digunakan sebagai acuan untuk membuat komposisi bahan filter arang aktif dan alofan. Proses penjernihan air dilakukan menggunakan filter arang aktif dan alofan,dengan komposisi tertentu untuk menghasilkan pengurangan kandungan logam Cu yang baik.
Efektivitas filter arang aktif dan alofan dibandingkan dengan hasil pengukuran konsentrasi tembaga ( Cu ) air limbah sebelum dan sesudah penyaringan dengan filter arang aktif dan alofan, skema atau gambaran kerangka berpikir seperti pada gambar 7.
28
Air Limbah
Tawas
Alofan Arang Aktif
Gambar 7 . Kerangka Berpikir Penjernihan
Penjerap Logam Berat Tembaga (Cu)
Persentase Penurunan Cu2+
Suhu Aktivasi
Kondisi Optimum
Efektifitas penjerapan Tembaga (Cu) Penentuan Persamaan adsorpsi
isotherm untuk Alofan
Komposisi Waktu Kontak
29
C. Hipotesis
Berdasarkan tinjauan pustaka dan kerangka pemikiran, maka dapat diajukan hipotesis sebagai berikut:
1. Konsentrasi tawas berpengaruh terhadap pengendapan kotoran yang berbentuk flok- flok dalam limbah laboratorium
2. Waktu kontak.komposisi tanah alofan - arang aktif dan suhu aktivasi berpengaruh terhadap persentase penurunan ion logam berat tembaga (Cu) dalam limbah laboratorium.
3. Bentuk persamaan adsorpsi isotermis pada kondisi optimum penjerap alam alofan sebagai penjerap ion logam berat tembaga (Cu) dapat mengikuti persamaan Langmuir atau Freundlich
