Kimia Permukaan - Spada UNS

Kimia Permukaan

KIMIA FISIKA – KELAS B

Dr Endah Retno Dyartanti, MT.

TEGANGAN PERMUKAAN

TEGANGAN PERMUKAAN MENGAKIBATKAN SERANGGA BISA BERJALAN DI ATAS AIR DAN BUTIR-BUTIR AIR BERADA DI PERMUKAAN DAUN

PIN TIDAK TENGGELAM DALAM AIR WALAUPUN MEMPUNYAI DENSITAS YANG LEBIH BESAR

PHENOMENA PERMUKAAN

 Kenapa insect atau peniti terapung diatas permukaan air, tidak tenggelam ?

 Kenapa dalam kasus yang sama tetesan air dipermukaan kaca terkumpul dalam bentuk tetesan , sementara yang

lainnya tersebar seperti lapisan film tipis.

 Kenapa air bisa merembes naik dalam tabung kapiler yang tipis?



Kenapa kita bisa membuat gelembung dari air sabun?



Salah satu sifat

permukaan yang akan

kita tinjau : Tegangan

Permukaan ( Surface

Tension,()

 = erg cm^-2 atau dyne cm^-1 = cgs

 = N m = SI

TEGANGAN PERMUKAAN

 Tegangan Permukaan : Banyaknya kerja yang dibutuhkan untuk memperluas permukaan cairan sebesar satu satuan luas

 Atau Tegangan Permukaan () adalah : Gaya yang diberikan (F) dibagi dengan luas (W) dari permukaan membran , dibagi lagi dengan 2 karena ada dua permukaan yang terlibat



Tegangan permukaan terjadi karena adanya kecendrungan permukaan cairan untuk memperkecil luas permukaan secara spontan



Molekul yang berada dalam cairan akan mengalami gaya tarik menarik (gaya van Der Wall) yang sama besar kesegala arah



Molekul dipermukaan mengalami gaya resultan yang mengarah ke dalam cairan



Akibatnya molekul dipermukaan cendrung untuk meninggalkan permukaan dan masuk kedalam cairan sehingga permukaan cendrung menyusut

9

Surface Tension is a Force!

Force: mg [N, Newton]

Force: 2L^

 units: [N/m]

L

Soap film

Surface tension is a vector, i.e. has direction

Cara menentukan Tegangan Permukaan

11

 Metoda kapiler (capillary rise)

 Metoda lempeng Wilhelmy

 Metoda cincin Du Nouy

 Metoda tekanan gelembung maksimum

Metoda Kapiler

minisku s

0

Θ = Sudut kontak cairan dengan dinding kapiler

r = jari-jari tabung kapiler h = tinggi cairan dalam

tabung kapiler

 Gaya tegangan permukaan yang bekerja disekeliling tabung (ketika cairan bersentuhan dengan permukaan dinding tabung) adalah :

 Gaya gravitasi adalah : F

^{2 =}

dimana  r 2 h = volume kolom cairan

(gaya kebawah)

F

¹ =

2  r  c o s 

(gaya keatas)



r ² h



g

 Pada keadaan setimbang : F

¹ =

F

²

2  r  c o s    r

²

h  g

r g



13

h  2



^{c o s}



Sehingga :

Contoh Soal

• Jari-jari tabung kapiler gelas 0,01 cm. Hitung tinggi kenaikan air dalam tabung kapiler ini, bila diket :

= = 72,75 dyne cm

^-₁

g = 980,7 cm det

^-

2

ρ = 1 gr cm

^-3

rg 

h  2  cos 

Jawab :

Sudut kontak air dan gelas <<<<< sehingga cos θ ≈

h   0,01cm   980,7 cm det

^2

 1g .cm

^3



h = 14,8 cm

rg 

2  72,75gram.cm. det

^2

.cm

^1



15

1, maka :

h  2  cos 

Metoda lempeng Wilhelmy

16

 Pada metoda ini digunakan lempeng mika tipis atau kaca slide mikroskop, yang digantung pada neraca.

a. Detachment method b. Metoda statik

W det W  2(x  y)

1 3

Metoda Cincin Du Nouy

• Metoda ini dapat mengukur teg.permukaan cairan- udara dan cairan-cairan

 Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat cincin dari perm.cairan adalah :

   F

2 . 2  R

 Prinsip tensiometer Du nuoy adalah : gaya yang diperlukan untuk melepaskan cincin platina/iridium sebanding dengan tegangan permukaan.

Cara mengukurnya :

1. Meja sampel digerakan ke bawah, cincin diambil dari kaitnya.

2. Cincin dibersihkan dengan dipanaskan pada nyala api etanol sampai jadi merah.

3. Cincin didinginkan terus dipasang lagi ke kaitannya.

4. Cawan petri diisi dengan sampel yang mau diuji tegangan permukaannya. Lalu ditaruh di meja sampel.

5. Meja sampel digerakkan ke atas sampai cincin tercelup kira-kira 2-3 mm di bawah permukaan cairan.

6. Meja sampel digerakkan ke bawah secara perlahan-lahan sampai cincin menarik lamela ke luar permukaan cairan.

wt_total = total weight , wt_ring = ring weight R = ring radius ,  = surface tension

• Still commonly used but values may be as much as 25% in error.

Adamson, Physical Chemistry

of Surfaces, 2nd Ed p. 22 (1976)

SURFACE TENSION MEASUREMENT -- du Nouy ring --







 wt 2 ( 2 R )

wt

_{total ring}

Drop on a Solid Surface

•Young’s equation relates interfacial tensions and contact angle

 _LV

_SV Solid, “S”

Liquid, “L”

Vapor, “V”

_SL

Contact angle, 

(reflects the degree of wetting)









_SV



_SL



_LV

 cos

Wetting Phenomena

  

 > 90^o

 = 90^o

 < 90^o

 = 0^o  =180^o

Absolute wetting No wetting

SURFAKTAN

All soaps are detergents; all detergents are surfactants.

Surfactants Surfactants

• Surfactants are molecules that

preferentially adsorb at an interface, i.e. solid/liquid (froth flotation),

liquid/gas (foams), liquid/liquid (emulsions).

• Significantly alter interfacial free energy (work needed to create or expand interface/unit area).

• Surface free energy of interface minimized by reducing interfacial area.

If enough soap is added to water the molecules arrange themselves into a structure called a micelle

Hydrophilic ( lyophobic, water-loving) head

containing a charged functional group

Hydrophobic ( lyophilic, water-fearing ) tail

containing a hydrocarbon chain

Soap Molecules

Soap Molecules

Amphiphilic Surfactants Amphiphilic Surfactants

Amphiphilic surfactants contain a non-polar portion (tail) and a polar portion (head).

S O^-Na⁺ O

O

S O O O

O O

+Na^-OO Aerosol OT

Sodium dodecylsulfate (SDS)

Classification of Surfactants Classification of Surfactants

• Anionic

• Cationic

• Zwitterionic

• Nonionic

N+ Br^-

S O^-Na⁺ O

O Sodium dodecylsulfate (SDS)

Cetylpyridinium bromide

O O

P O

O O

OCH₂CH₂N(CH₃)₃⁺ O^-

Dipalmitoylphosphatidylcholine (lecithin)

O O O O OH

Polyoxyethylene(4) lauryl ether (Brij 30)

Soap

4 nm

Unimers (monomers) Normal micelles

spherical

cylindrical

Bilayer lamella Reverse micelles

Inverted hexagonal phase

Surfactant aggregates

Surfactant aggregates

• If concentration is sufficiently high, surfactants can form aggregates in aqueous solution  micelles.

• Typically spheroidal particles of 2.5-6 nm diameter.

McBain Lamellar Micelle

Hydrocarbon Layer

Water Layer

Water Layer

Hartley Spherical Micelle

+

+

+ + +

+ +

+

- - - - -- --- - - -

-- --

Micelles

Micelles

0 2 4 6 8 10 12 14

0 Surfactant concentration1

CMC



Critical Micelle Concentration Critical Micelle Concentration

CMC

• Below CMC only unimers are present

• Above CMC there are micelles in equilibrium with unimers

• Onset of micellization observed by sudden change in measured properties of solution at characteristic surfactant concentration

 critical micelle concentration (CMC).

• soap decreases surface tension of water, making it a better wetting agent.

• soap converts greasy and oily dirt into micelles that become dispersed in water.

• soap keeps the greasy micelles in suspension and prevents them from redepositing until they can be washed away. (repulsion of the charges)

Soap: How does soap clean?

Soap: How does soap clean?

What are all of these chemicals ?

What do they do ?

What is in a box of

detergent ?

What is in a box of detergent ?

HLB and Use of Surfactants HLB and Use of Surfactants

• Amphiphilic surfactants are characterized by the hydrophilic-lipophilic balance (HLB): a relative ratio of polar and non-polar groups in the

surfactant.

• HLB number, ranging from 0-40, can be assigned to a surfactant, based on emulsification data. Semi-empirical only.

– Strongly hydrophilic surfactant, HLB  40 – Strongly lyophilic surfactant, HLB  1

oil water

C_oil C_water

C₆H₁₃COO^- C₈H₁₇COO^- C₁₀H₂₁COO^-

HLB decreases

HLB ca. 1 to 3.5 : Antifoams

HLB ca. 3.5 to 8 : Water-in-Oil Emulsifiers

HLB ca. 7 to 9 : Wetting and spreading agents HLB ca. 8 to 16 : Oil-in-Water Emulsifiers

HLB ca. 13 to 16 : Detergents HLB ca. 15 to 40 : Solubilizers

HLB and Use of Surfactants HLB and Use of Surfactants

Strongly hydrophilic Strongly Lipophilic

Question:

Why antifoaming or water-in-oil emulsifiers use low-HLB surfactants & why detergents use hi-HLB surfactants?

KIMIA FISIKA

ADSORPSI

ADSORPSI

1. Tipe Adsorpsi

2. Isoterm Adsorpsi 2.1 Adsorpsi Gas

2.2 Adsorpsi Larutan

3. Faktor-faktor yang mempengaruhi adsorpsi

4. Adsorben

ADSORPSI

• Proses yang meliputi tertariknya materi dari suatu fase dan terpusat pada permukaan fase kedua ( akumulasi antar permukaan = Interface accumulation).

• Proses akumulasi solut (gas atau cair) pada

permukaan zat padat (adsorben),

membentuk satu lapisan tipis (film)

molekul atau atom

Serupa dengan tegangan permukaan, adsorpsi adalah konsekuensi dari energi permukaan.

Dalam bulk materi,

Semua ikatan (ionik, kovalen, atau logam) yang diperlukan partikel pembentuk materi (atom/molekul) dipenuhi oleh partikel-partikel di dalam materi.

Molekul/atom permukaan,

· Gaya tarik molekuler tak seimbang (unbalance) atau tak jenuh (unsaturated).

· tidak mengalami gaya tarik ke atas  cenderung

menarik dan menahan adsorbat (gas atau cair) untuk memenuhi gaya residual

: fase teradsorbsi (adsorbat) : fase pengadsorpsi (adsorben)

ADSORPSI ABSORPSI

• Fenomena permukaan ini berlawanan dengan absorpsi ( materi mengubah fase larutan, e.g. transfer gas).

• adsorpsi ≠absorpsi

absorpsi : proses difusi materi/zat ke dalam zat cair atau padat

untuk membentuk “larutan”.

d

• pada absorpsi : molekul zat tidak hanya ditahan di permukaan tetapi menembus masuk dan

terdistribusi (tersebar) ke seluruh bagian materi (padat atau cair).

Contoh :

air diabsorpsi oleh spons

uap air diabsorpsi oleh CaCl₂  CaCl₂ hidrat

● Contoh adsorpsi :

asam asetat dalam larutan dan berbagai

macam gas diadsorpsi oleh arang (charcoal)

• Adsorbat : materi yang teradsorbsi

• Adsorben : materi yang mengadsorbsi.

contoh : karbon aktif (activated carbon)

resin penukar ion (ion exchange resin)

• Proses adsorpsi

 terdapat dalam berbagai sistem

 banyak digunakan dalam aplikasi industri, seperti : synthetic resins, water purification.

 Untuk menghilangkan materi terlarut dari fase larutan (materi nonvolatile, nonbiodegradable)

adsorpsi

SORPSI

• Jika belum diketahui dengan pasti apakah prosesnya adalah adsorpsi atau absorpsi  diberi istilah Sorpsi

• Sorpsi meliputi kedua proses adsorpsi atau absorpsi.

• Desorpsi adalah proses kebalikan sorpsi.

• ion exchange, dan kromatografi kolom  proses sorpsi, adsorbat secara selektif ditransfer dari fase cair ke permukaan partikel padat yang rigid dan tak larut yang tersuspensi dalam tabung atau dikemas dalam kolom.

1. Tipe adsorpsi

• Adsorpsi adalah (gaya) tarik fisik atau ikatan ion-ion dan molekul di atas permukaan molekul yang lain.

• Sifat ikatan tergantung pada jenis substansi yang terlibat, tetapi proses adsorpsi diklasifikasikan dalam :

1) physisorption (karakteristik : gaya van der Waals)

2) Chemisorption (karakteristik : ikatan kovalen)

1.1. ADSORPSI FISIK [PHYSISORPTION ]

 adsorbat melekat pada permukaan hanya melalui interaksi Van der Waals (interaksi intermolekuler yang lemah).

 Karakteristik :

 Suhu lingkungan rendah, selalu di bawah suhu kritik adsorbat;

 Entalpi (kalor adsorpsi) rendah : ΔH < 20 kJ/mol;

 Energi pengaktifan (activation energy) rendah.

 Gaya tarik tidak pada tempat spesifik, adsorbat relatif bebas bergerak pada permukaan  adsorpsi berlangsung dalam multilayer

 Keadaan energi adsorbat tidak berubah.

 Keseimbangan adsorpsi reversibel.

Adsorpsi Fisik

· Energi yang menyertai adsorpsi = energi pencairan gas (gaya van der Waals)

· Penggunaan :



penentuan luas permukaan adsorben



analisis kromatografi (KLT, Kolom, KCKT/HPLC)



pemurnian gas, perlindungan korosi

Adsorpsi H₂ pada Nikel : peristiwa fisik / kimia Suhu rendah  fisik

Suhu tinggi  kimia

· Contoh : adsorpsi N₂ pada besi pada 80 K, adsorpsi gas oleh arang

1.2. ADSORPSI KIMIA [CHEMISORPTION ]

• molekul melekat pada permukaan melalui pembentukan ikatan kimia yang kuat; dapat berupa ikatan kovalen antara adsorbat dan permukaan (adsorben)

• Karakteristik :

 Suhu tinggi

 Entalpi tinggi :50 kJ/mol <ΔH< 800 kJ/mol.

 Kalor adsorpsi  kalor reaksi kimia  ikatan kimia pembentukan senyawa permukaan

 Derajat spesifisitas tinggi  adsorpsi monolayer

 Molekul adsorbat tidak bebas bergerak pada permukaan

 Terdapat kenaikan densitas elektron pada antar permukaan adsorben-adsorbat.

 Jarang reversibel ; hanya terjadi pada suhu tinggi

• Contoh : adsorpsi O₂ dan CO pada wolfram adsorpsi O₂ pada Ag, Au, Pt

adsorpsi H₂ pada Ni (suhu tinggi)

• Penggunaan chemisorption : dalam reaksi terkatalisis.

 sangat penting untuk katalisis heterogen (jika katalis dalam fase padat) — terutama katalis logam transisi.

 Dalam beberapa contoh, kedua reagen kimia (reaktan) akan mengikat permukaan katalitik (adsorben) ikatan kimia terbentuk dan elektron bergerak menjauh dari ikatan chemisorption  molekul (produk) kemudian terdesorpsi dan bebas meninggalkan permukaan.

Adsorpsi Kimia

ADSORBAT

• materi/zat yang diikat pada permukaan adsorben.

• Berdasarkan jenis adsorbat,  adsorpsi padat – gas

 adsorpsi padat – solut (larutan)

• Jumlah adsorbat yang teradsorpsi tergantung faktor-faktor :

a) tipe adsorben

b) adsorbat : tipe, ukuran, konsentrasi.

c) suhu

d) tekanan

·

Jika adsorben dan adsorbat kontak cukup lama  akan tercapai kesetimbangan antara :

- jumlah adsorbat yang teradsorbsi dan

- jumlah adsorbat (“yang tertinggal”) dalam larutan/gas

·

Hubungan kesetimbangan  isoterm adsorpsi

2. Isoterm Adsorpsi

yaitu hubungan antara jumlah adsorbat yang teradsorpsi pada adsorben dengan tekanan (untuk gas) atau konsentrasi (untuk zat cair) pada suhu konstan.

 Ada 5 tipe isoterm adsorpsi (lihat gambar)

Kurva Adsorpsi Isoterm

TIPE I

Jumlah adsorbat/gram adsorben meningkat relatif cepat ~ tekanan/ konsentrasi

menjadi lebih lambat begitu permukaan tertutup oleh molekul adsorbat.

· Adsorpsi kimiawi : adsorpsi Tipe I

· Adsorpsi fisik : meliputi semua Tipe.

Kurva Adsorpsi Isoterm

TIPE II TIPE III

B

Adsorpsi isoterm TIPE II – III :

· Multimolekuler, multilayer  lapisan molekul ganda Teori Brunauer, Emmet, Teller (BET) :

· Menentukan luas permukaan adsorben dengan cara menentukan titik B pada kurva TIPE II, yaitu saat tepat terjadi adsorpsi lapisan molekul tunggal.

Kurva Adsorpsi Isoterm

TIPE IV TIPE V

Adsorpsi Isoterm TIPE IV – V :

· Adsorpsi multilayer  pembentukan saluran satu lapisan molekul

· Contoh : kondensasi gas pada pori dan kapiler.

• Persamaan matematik pertama untuk isoterm ini diperkenalkan oleh Freundlich dan Küster (1894)  merupakan rumus empirik murni untuk adsorbat gas.

x = jumlah yang diadsorbsi m = massa adsorben

P = tekanan adsorbat

k dan n = tetapan empirik untuk tiap pasangan adsorben-adsorbat pada suhu tertentu.

· Persamaan ini mempunyai asymptotic maximum

· Jika suhu naik, tetapan k dan n berubah  mencerminkan pengamatan empirik :

 jumlah adsorpsinya meningkat lebih lambat

 dibutuhkan tekanan yang lebih tinggi untuk menjenuhkan permukaan.

2.1. ADSORPSI GAS

• Pada dasarnya semua zat padat (solid) dapat mengadsorpsi gas dalam jumlah tertentu  Hukum adsorpsi hanya dapat diterapkan jika adsorben mempunyai luas permukaan yang besar untuk sejumlah massa tertentu.

• Contoh :

silika gel dan arang/karbon  sangat efektif sebagai pengadsorpsi (adsorbing agent) karena : - strukturnya sangat porous

- permukaan kontak luas

Adsorpsi gas

• Jumlah adsorpsi dapat ditingkatkan dengan mengaktifkan adsorben melalui beberapa cara.

Contoh :

arang kayu dipanaskan 350^o C – 1000^o C

1g arang mengadsorpsi CCl₄ 0,011g 1,48g (24

oC)

• Aktivasi : membuka ruang/pori antar molekul

untuk adsorpsi  melepaskan (desorpsi) molekul gas yang terikat

• Jumlah gas yang teradsorpsi tergantung :

- Sifat adsorben, luas permukaan adsorben - Sifat adsorbat : suhu kritik gas

- Suhu dan tekanan

·

suhu kritik gas >  mudah dicairkan  mudah teradsorpsi

·

Adsorpsi gas oleh zat padat selalu disertai pelepasan panas  panas/kalor adsorpsi (heat of adsorption)

·

^{Suhu :}

suhu meningkat  jumlah gas teradsorpsi menurun.

contoh : 1 g arang pada 600 mmHg mengadsorpsi 10 cc N₂ (0^o C);

20 cc N₂ ( -29^o C); 45 cc N₂ ( -78^o C)

Tabel. Volume gas-gas (NTP) yang diadsorbsi 1 g arang pada 288 K

makin mudah dicairkan

PERSAMAAN FREUNDLICH UNTUK ADSORPSI GAS

Y = k . P ^1/n

Y = x/m : jumlah adsorbat (volum gas) teradsorpsi per massa adsorben

P : Tekanan gas

k & n : tetapan empirik  tergantung sifat gas, adsorben, suhu.

log Y = 1/n log P + log Persamaan regresi (garis lurus) :k

Y  log Y 1/n : arah lereng (slope) X  log P log k : intersep

Jumlah zat teradsorpsi  tekanan gas PERSAMAAN FREUNDLICH :

Bentuk logaritme :

Persamaan adsorpsi Langmuir

• Berdasarkan teori kinetik gas

• Asumsi :

1. Gas yang teradsorpsi  lapisan satu molekul tunggal (monomolekul layer).

2. Molekul yang teradsorpsi terlokalisir kedudukannya  tak ada interaksi antar molekul

3. Proses adsorpsi = 2 proses yang berlawanan

• kondensasi molekul gas pada permukaan (adsorpsi)

• penguapan molekul dari permukaan (desorpsi)

Definisi lain :

· q_e = massa materi teradsorbsi (pada kesetimbangan)

per massa adsorben  X/m

· C_e = konsentrasi kesetimbangan dalam larutan/ gas jika jumlah yang teradsorbsi = q_e.

· q_e/C_e  hubungan yang tergantung pada

tipe adsorpsi : multi-layer, kimia, fisik, dll.

·

Lebih umum untuk model multi-layer.

·

^{Asumsi :}



isoterm Langmuir berlaku untuk tiap layer dan tidak terjadi transmigration antar layer.



Energi adsorpsi untuk tiap layer sama, kecuali untuk layer pertama.

isoterm BET (Brunauer, Emmett and Teller) :

Isoterm Adsorpsi

2.2. Adsorpsi larutan

• Permukaan zat padat dapat mengadsorpsi : a. zat dari larutan (solut)

b. pelarut

• Contoh adsorpsi solut :

 karbon aktif  asam asetat dalam air,

amonia dari larutan amonium hidroksida,

fenolftalein dari larutan asam/basa,

zat warna, dll.

 Sol AgCl (baru)  ion Ag⁺ atau Cl^-

 Sol As₂S₃  ion S^2-

Karbon aktif lebih efektif mengadsorpsi non elektrolit daripada elektrolit.

BM adsorbat makin tinggi  jumlah adsorpsi makin besar.

Zat padat anorganik  mengadsorpsi elektrolit lebih mudah daripada non elektrolit.

Adsorpsi pelarut  fenomena Adsorpsi negatif : Kecenderungan adsorben untuk menarik pelarut dari larutan tertentu  konsentrasi solut > (setelah adsorpsi).

Contoh : KCl encer + arang  adsorpsi negatif KCl pekat + arang  adsorpsi positif

 Suhu naik  adsorpsi berkurang

 Luas permukaan adsorben makin besar  adsorpsi bertambah

 Melibatkan keseimbangan antara :

Jumlah zat teradsorpsi  konsentrasi solut dalam larutan

Y = k . C ^1/n

Y : massa zat/solut teradsorpsi per massa adsorben

= x/m

C : konsentrasi solut k & n : tetapan empirik PERSAMAAN

FREUNDLICH :

Prinsip Adsorpsi Solut = Adsorpsi Gas

• Y  gram atau mol adsorbat (solut) per gram adsorben.

• C  mol per liter larutan

Bandingkan dengan persamaan untuk adsorpsi gas : Y = k . P^1/n

• Y  volum gas (cc) per gram adsorben

• C  P  tekanan gas dalam sistem (mmHg)

log Y = 1/n log C + log k 1/n : arah lereng log k : intersep

Bentuk persamaan regresi/ garis lurus antara log Y vs log C :

Isoterm adsorpsi spesifik untuk karbon aktif.

• sumbu horizontal  konsentrasi (mg/mL)

• sumbu vertikal  jumlah karbon yang diperlukan (mg/g)

3. Faktor-faktor yang mempengaruhi jumlah adsorpsi  dan isoterm :

a. Adsorbat : Kelarutan

· Umumnya, kelarutan solut meningkat  jumlah adsorpsi turun (Hukum “Lundelius”)

· Ikatan solut-solid bersaing dengan gaya tarik solut-solven.

· Faktor-faktor yang mempengaruhi kelarutan :

 Ukuran molekul (BM tinggi – kelarutan rendah),

 ionisasi (kelarutan minimum jika senyawa tidak bermuatan),

 polaritas (polaritas meningkat  kelarutan lebih tinggi karena air adalah solven polar).

pH

 pH mempengaruhi muatan permukaan adsorben dan juga muatan solut.

 Umumnya, untuk materi organik jika pH turun  adsorpsi meningkat.

Suhu

 Adsorpsi bersifat eksotermik  Hnegatif

 Dalam reaksi adsorpsi dihasilkan panas  jika T meningkat, jumlah adsorpsi turun.

c. Adsorben :

 Tiap permukaan padat mempunyai kapasitas untuk mengadsorpsi solut.

 Untuk pengolahan air limbah/ air  karbon aktif adalah adsorben pilihan

b. Adanya solut lain  kompetisi untuk tempat adsorpsi yang terbatas 

menurunkan jumlah adsorpsi

Faktor-faktor yang mempengaruhi jumlah adsorpsi :

4. ADSORBEN

Karakteristik dan persyaratan umum :

• pada umumnya berbentuk sferik pellets, rods, moldings, atau monoliths dengan diameter hidrodinamik antara 0,5 – 10 mm.

• harus mempunyai daya tahan abrasi yang tinggi,

• Stabilitas termal tinggi,

• diameter pori kecil  area permukaan kontak lebih luas  kapasitas permukaan untuk adsorpsi lebih tinggi.

• Adsorben juga harus mempunyai struktur pori yang jelas mampu dengan cepat membawa uap-uap gas.

Sebagian besar adsorben untuk industri dibagi dalam 3 kelompok :

1. Oxygen-containing compounds – bersifat hidrofilik dan polar, meliputi : silika gel dan zeolit.

2. Carbon-based compounds – bersifat hidrofobik dan non-polar, meliputi : karbon aktif dan grafit.

3. Polymer-based compounds – gugus fungsi polar atau non-polar dalam matriks polimer yang

porous.

SILIKA GEL

• Bersifat inert, nontoksik, polar dan stabil secara dimensional (< 400 °C)

• Bentuk amorf SiO₂, dibuat dengan reaksi antara natrium silikat dan asam sulfat yang dilanjutkan dengan beberapa after-treatment process seperti aging, pickling, dll.  metode after treatment mengakibatkan distribusi

ukuran pori bervariasi.

• Penggunaan :

a) pengeringan udara (e.g.

oksigen, gas alam).

b) adsorpsi hidrokarbon berat (polar) dari gas alam.

c) analisis kromatografi

Zeolit

• Aluminosilikat kristalin alami atau sintetik yang mempunyai jaringan pori berulang dan melepaskan air pada suhu tinggi.

• Zeolit alami bersifat polar.

• Penggunaan : pengeringan udara, penghilangan CO₂ dari gas alam, penghilangan CO dari reforming gas, pemisahan udara, catalytic cracking, serta sintesis katalitik dan reforming.

Struktur molekuler mikro-porous zeolit, ZSM-5

KARBON AKTIF

• Zat padat amorf, mikrokristalin dengan kisi grafit, sangat porous.

• Dibuat dalam bentuk pellet atau serbuk.

• Bersifat non-polar, mudah terbakar.

• Dibuat dari bahan-bahan berkarbon : batubara (bituminous, subbituminous, dan lignite), tanah humus, kayu, atau tempurung buah (i.e., kelapa).

• Proses pembuatannya terdiri dari 2 fase : Karbonasi dan Aktivasi.

• Aktivasi pada suhu 300 – 1000 ^oC

 Penggunaan :

 - Adsorpsi zat organik dan adsorbat non polar (penjernihan kristal)

 - Pengolahan air (water treatment), gas limbah, dan air limbah

 - Adsorben dalam sediaan obat antidiare (Norit), antidotum universal

Adsorpsi Isoterm karbon aktif – nitrogen menunjukkan perilaku mikroporous tipe I

KARBON AKTIF

¨ Luas permukaan karbon aktif sangat besar  mikroporus dan makroporus .

¨ Luas : 300-1500 m²/gram.

Increasing magnification

Contoh : Adsorpsi Gas

1.

Berikut ini data adsorpsi CO oleh 2,964 g arang aktif pada 0^oC. Tekanan P adalah mm Hg, sedangkan x adalah volume gas dalam cc, diukur pada kondisi standar.

P x

73 7,5

180 16,5

309 25,1

540 38,1

882 52,3

a. Tentukan tetapan k dan n

b. Jika tekanan gas terukur adalah 340 mmHg, berapa cc gas CO yang diadsorpsi oleh 1 g arang aktif ?

P X (vol) X/2,964 log P

(mmHg) (cc) (Y) log Y (log X)

73 7,5 2,5304 0,4032 1,8633

180 16,5 5,5668 0,7456 2,2553

309 25,1 8,4683 0,9278 2,4900

540 38,1 12,8543 1,1090 2,7324

882 52,3 17,6451 1,2466 2,9455

Slope (B) 0,7816 Intersep (A) -1,0342

r 0,9984