KONDISI KESETIMBANGAN ADSORPSI HASIL DAN PEMBAHASAN

B. KARAKTERISTIK ATAPULGIT

Karakteristik atapulgit dan arang aktif dilakukan untuk mengetahui kemampuan penjerapannya. Untuk melihat sifat-sifat adsorben maka dilakukan karakterisasi terhadap adsorben yang meliputi warna visual, bentuk visual bahan dan ukuran partikel. Hasil karakterisasi ini disajikan pada Tabel 8. Tabel 8. Karakterisasi atapulgit dan arang aktif Karakteristik Jenis Adsorben Warna Bentuk Ukuran Partikel Atapulgit Putih keabu-abuan Serbuk 150 mesh Arang aktif Hitam Serbuk 150 mesh Berdasarkan Tabel 8, dapat diketahui bahwa atapulgit dan arang aktif yang digunakan dalam penelitian ini mempunyai ukuran partikel 150 mesh dan berbentuk butiran serbuk. Karakteristik ini memudahkan proses adsorpsi untuk pemisahan bahan dengan konsentrasi yang kecil dari campuran yang mengandung bahan lain yang berkonsentrasi tinggi Bernasconi et al, 1995. Bentuk adsorben yang berupa butiran serbuk sangat baik digunakan untuk proses adsorpsi campuran cair, selain itu adanya pori dan luas permukaan yang besar pada atapulgit membuat proses penjerapan menjadi lebih cepat. Menurut Ketaren 1986, daya penjerapan terhadap warna akan lebih efektif jika adsorben tersebut mempunyai bobot jenis yang rendah, kadar air tinggi, ukuran partikel halus dan pH adsorben mendekati netral.

C. KONDISI KESETIMBANGAN ADSORPSI

Kondisi keseimbangan merupakan kondisi saat proses pemisahan komponen tertentu dari suatu fase fluida berpindah ke permukaan adsorben yang mendekati jenuh dan pemisahan yang dikehendaki tidak dapat lagi berlangsung. Sesuai dengan hukum laju reaksi yang menyatakan bahwa laju reaksi mengikuti laju perubahan konsentrasi pereaksi maka laju reaksi adsorpsi minyak sawit kasar ditentukan berdasarkan penurunan nilai konsentrasi -karoten selama berlangsungnya reaksi adsorpsi. Penurunan nilai -karoten dalam olein menyatakan peningkatan konsentrasi -karoten dalam adsorben. Pada penelitian ini digunakan arang aktif sebagai adsorben pembanding. Kondisi kesetimbangan didapat dari hubungan antara konsentrasi -karoten dalam olein dengan lama adsorpsi berlangsung. Hubungan antara penurunan nilai konsentrasi -karoten dengan waktu adsorpsi dapat dilihat pada Gambar 7. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Lama Adsorpsi me nit Ko n se n tr a si β -k ar ot e n d al am ol e in μg m l Gambar 7. Hubungan antara penurunan nilai konsentrasi -karoten dalam olein dengan lama adsorpsi ○, atapulgit 40 ºC; □, atapulgit 50 ºC; ∆, atapulgit 60 ºC; ●, arang aktif 40 ºC; ■, arang aktif 50 ºC; ▲, arang aktif 60 ºC Berdasarkan Gambar 7 dapat diketahui bahwa semakin lama waktu reaksi maka terjadi penurunan nilai konsentrasi -karoten dalam olein sampai kondisi setimbang terpenuhi dan tidak terjadi penurunan nilai konsentrasi - karoten. Penurunan nilai konsentrasi -karoten ini disebabkan adanya penjerapan -karoten oleh adsorben. Konsentrasi -karoten dalam olein yang menurun seiring dengan lamanya waktu menyebabkan konsentrasi -karoten yang dijerap dalam adsorben meningkat sehingga adsorben mengalami kondisi yang tidak mampu menjerap lagi. Kondisi tersebut merupakan kondisi setimbang dimana adsorben mengalami kapasitas jenuh penjerapan. Pada proses ini semakin tinggi suhu, maka warna olein akan semakin pucat dan warna pada adsorben akan semakin pekat akibat ion Al 3+ pada permukaan partikel adsorben yang dapat mengadsorpsi partikel zat warna. Perubahan warna olein dan adsorben dapat dilihat pada Lampiran 4. Kondisi kesetimbangan yang diperoleh berbeda pada masing-masing suhu reaksi. Pada adsorpsi -karoten menggunakan atapulgit semakin tinggi suhu reaksi, maka konsentrasi -karoten dalam olein semakin menurun dan waktu yang dicapai untuk memberikan pengaruh yang sama terhadap penurunan konsentrasi -karoten pada suhu reaksi yang tinggi lebih cepat dibandingkan pada suhu reaksi yang rendah. Kondisi kesetimbangan pada arang aktif lebih baik dibandingkan atapulgit. Hal ini dapat dilihat dari nilai konsentrasi -karoten dalam olein yang lebih rendah dibandingkan konsentrasi -karoten dalam olein dengan menggunakan atapulgit dan waktu yang dicapai semakin cepat. Nilai konsentrasi -karoten dalam olein pada kondisi kesetimbangan untuk masing-masing suhu adsorben dan jenis adsorben ditunjukkan pada Tabel 9. Tabel 9. Nilai konsentrasi -karoten dalam olein pada kondisi kesetimbangan untuk masing-masing suhu adsorpsi dan jenis adsorben Jenis Adsorben Suhu Reaksi C Waktu Reaksi menit Konsentrasi β-karoten dalam olein μgml 40 33 249 50 31 264 Atapulgit 60 25 210 40 22 45 50 22 60 Arang Aktif 60 19 85 Berdasarkan Tabel 9 dapat diketahui kondisi keseimbangan pada masing-masing suhu berdasarkan jenis adsorben. Pada adsorpsi -karoten menggunakan atapulgit, kondisi kesetimbangan semakin meningkat seiring peningkatan suhu. Hal ini membuktikan bahwa suhu mempengaruhi laju adsorpsi dan kondisi kesetimbangan proses adsorpsi tersebut. Peningkatan laju tersebut disebabkan adanya penjerapan -karoten secara fisik dari olein ke adsorben. Hui 1996 menyatakan teori dari pemucatan secara adsorpsi bahwa proses adsorpsi pada suhu yang rendah, seperti pemucatan bleaching, lebih disebabkan oleh ikatan intermolekular daripada pembentukan dari ikatan kimia baru. Molekul yang terfisisorpsi tetap mempertahankan identitasnya dan tidak menghasilkan pemutusan ikatan. Proses adsorpsi paling mudah terjadi apabila energi bebas Gibbs paling rendah, dimana adsorben dan adsorbat memiliki kepolaran yang sama sehingga adsorbat cenderung teradsorpsi karena energi bebas Gibbsnya rendah. Selain itu, -karoten terjerap oleh adsorben akibat interaksi hidrofobik antara adsorben dan -karoten Baharin et al., 1998. Keadaan demikian memungkinkan terjadinya ikatan van der walls. Ikatan van der walls merupakan antaraksi berbagai dipol-dipol secara kolektif. Antaraksi dipol- dipol ini menimbulkan tarik menarik antara muatan yang berlainan tanda dan tolak menolak antara muatan yang sama. Molekul non polar saling ditarik oleh antaraksi dipol-dipol yang lemah yang disebut gaya London Fessenden dan Fessenden, 1994. Struktur atapulgit terdiri dari rantai silika ganda yang berikatan dengan okigen membentuk tetrahedral, yang merupakan gugus non polar, aluminium dan magnesium berikatan dengan oksigen, gugus hidroksil dan gugus OH membentuk oktahedral yang merupakan gugus polar Grim, 1989. Adanya gugus polar dan non polar pada atapulgit menyebabkan adsorben ini tergolong ke dalam adsorben semi polar. Menurut Chu et. al. 2004 ikatan yang kurang polar merupakan ikatan antara silika dengan oksigen Si-O-Si yang disebut siloksan. -karoten yang merupakan molekul non polar akan dijerap oleh gugus siloksan. Gugus siloksan inilah yang berinteraksi dengan awan elektron yang banyak terdapat pada ikatan ganda terkonjugasi dari molekul -karoten melalui ikatan dipol- dipol. Kemungkinan ikatan van der walls antara -karoten dan atapulgit ditunjukkan pada Gambar 8. Si O Si δ+ δ- tarikan δ+ H CH 3 C δ- C CH 3 CH 3 Gambar 8. Ikatan van der walls antara -karoten dan atapulgit Pada adsorpsi -karoten menggunakan atapulgit, konsentrasi beta karoten di dalam olein pada kondisi kesetimbangan mencapai nilai yang meningkat pada kenaikan suhu adsorpsi dari 40 – 50 °C dan menurun pada kenaikan suhu adsorpsi dari 50 – 60 °C. Hal ini disebabkan adanya adsorpsi komponen dalam olein seperti α-tokoferol yang mempunyai berat molekul lebih rendah dibandingkan -karoten, tetapi laju penjerapan pada proses ini tetap meningkat. Pada suhu 60 ºC terlihat kondisi keseimbangan dan laju yang semakin meningkat. Hal ini diakibatkan adanya oksidasi pada asam lemak tak jenuh dari olein dan menghasilkan ikatan rangkap. Pada arang aktif proses adsorpsi secara fisik terjadi karena daya tarik atau perbedaan polaritas dari permukaan arang aktif lebih besar dibandingkan daya tarik yang menahan -karoten dalam olein. Perbedaan polaritas ini menyebabkan adsorbat melekat sedemikian kuat pada arang aktif. Pori dan luas permukaan adsorben mempengaruhi kecepatan adsorpsi, semakin besar pori dan luas permukaan maka reaksi adsorpsi terjadi semakin cepat. Keadaan inilah yang menyebabkan daya jerap dari arang aktif lebih besar dibandingkan daya jerap atapulgit. Konsentrasi -karoten di dalam olein menggunakan arang aktif semakin menurun seiring peningkatan suhu. Hal ini disebabkan arang aktif cenderung mengadsorpsi molekul yang berantai lurus, selain itu arang aktif dapat menyerap zat warna sebanyak 95-97 persen dari total zat warna yang terdapat dalam minyak dan dapat digunakan dalam jumlah yang sangat kecil Ketaren, 1986. Adanya perbedaan kondisi kesetimbangan tersebut membuktikan bahwa suhu dan jenis bahan adsorben mempengaruhi laju adsorpsi dan kondisi kesetimbangan proses adsorpsi tersebut. Penggunaan arang aktif pada proses adsorpsi -karoten olein sawit kasar lebih baik dibandingkan penggunaan atapulgit. Pada atapulgit, semakin tinggi suhu maka maka konsentrasi -karoten dalam fase padat atau atapulgit meningkat sedangkan konsentrasi -karoten dalam arang aktif menurun. Walaupun peningkatan suhu dapat meningkatkan jumlah pori-pori mikro pada arang aktif, tetapi laju penjerapan -karoten pada arang aktif semakin rendah. Hal ini diakibatkan aktivitas penjerapan yang terjadi tidak hanya menjerap - karoten saja, tetapi juga zat-zat warna yang dihasilkan akibat oksidasi yang terdapat dalam olein sehingga arang aktif cepat jenuh dan kurang menjerap - karoten, selain itu arang aktif lebih cepat menjerap molekul yang berantai lebih lurus. Bila struktur molekul dari dua macam zat sama, maka yang berat molekulnya lebih besar akan lebih banyak diserap oleh arang aktif. Tetapi, apabila struktur molekulnya tidak sama maka adsorpsinya lebih dipengaruhi oleh susunan molekul Djatmiko et al., 1985. Adanya penjerapan zat warna lain oleh arang aktif maka arang aktif tidak tergolong ke dalam adsorben selektif untuk -karoten. Besarnya kapasitas adsorpsi dari atapulgit dan arang aktif ini ditampilkan pada Gambar 9. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 Konse ntrasi β-karoten dalam olein μgml Ko n se n tr a si β -k a r o ten d a la m a d so rb en μ g g Gambar 9. Hubungan antara nilai konsentrasi -karoten dalam olein dengan konsentrasi -karoten dalam adsorben ○, atapulgit 40 ºC; □, atapulgit 50 ºC; ∆, atapulgit 60 ºC; ●, arang aktif 40 ºC; ■, arang aktif 50 ºC; ▲, arang aktif 60 ºC Berdasarkan Gambar 9 terlihat bahwa konsentrasi -karoten dalam olein yang menurun seiring dengan lamanya waktu menyebabkan konsentrasi - karoten yang dijerap dalam adsorben meningkat sehingga adsorben mengalami kondisi yang tidak mampu menjerap lagi. Kondisi tersebut merupakan kondisi setimbang dimana adsorben mengalami kapasitas jenuh penjerapan. Perpindahan adsorbat ke permukaan adsorben dipengaruhi langsung oleh viskositas dan laju alir, secara tidak langsung oleh ukuran partikel adsorbat. Mekanisme penyebaran ini terdiri dari tahap difusi ke permukaan adsorben dan difusi ke dalam pori adsorben. Pada Gambar 9 menunjukkan gambaran bentuk permukaan molekul teradsorpsi dan banyaknya kuantitas yang diadsorpsi pada suhu yang lebih tinggi.. Kurva tersebut mempunyai nilai n ≥ 1, yang menggambarkan proses adsorpsi yang tidak mempunyai kecenderungan atau berbentuk cekung ke atas, sehingga zona perpindahan massa di dalam proses tersebut lebih panjang dan desorpsinya akan memerlukan suhu yang lebih rendah. Zona perpindahan massa dapat diartikan sebagai daerah dimana sebagian besar perubahan konsentrasi berlangsung. Lebar zona perpindahan massa bergantung pada laju perpindahan massa, laju aliran dan bentuk kurva kesetimbangan. Jika zona perpindahan massa pada hamparan cukup panjang dapat mengakibatkan penggunaan adsorben yang tidak efisien dan dapat menambah biaya energi untuk melakukan regenerasi adsorben McCabe et al., 1989. Pada proses industri bentuk kurva yang paling dikehendaki berbentuk tak mampu balik dibandingkan bentuk kurva sangat cenderung, tak cenderung, dan linear. Hal ini dikarenakan kuantitas yang diadsorpsi tidak bergantung pada konsentrasi adsorbat dan mengurangi biaya energi untuk regenerasi McCabe et al., 1999. Indeks efisiensi adsorpsi n mempengaruhi proses adsorpsi yang terjadi. Bentuk isoterm berhubungan dengan nilai efisiensi dari adsorpsi. Semakin tinggi nilai n maka proses penjerapan yang terjadi akan semakin lambat. Pada atapulgit dan arang aktif, peningkatan suhu meningkatkan efisiensi proses adsorpsi yang terjadi. Nilai n akan dibahas lebih lanjut pada kinetika adsorpsi.

D. KINETIKA ADSORPSI Β-KAROTEN