Pembuatan Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon (1-Fenil-3-Metil-5-Pirazolon) Sebagai Adsorben Ion Logam Berat.
PEMBUATAN KOMPOSIT KARBON AKTIFNANOMAGNETIT-PIRAZOLON (1-FENIL-3-METIL-5PIRAZOLON) SEBAGAI ADSORBEN ION LOGAM KADMIUM
DEWI PRATIWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pembuatan Komposit
Karbon
Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon(1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
sebagai
Adsorben Ion Logam Kadmium adalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan
tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang
diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks
dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Juli 2016
Dewi Pratiwi
NIM G451130091
RINGKASAN
DEWI PRATIWI. Pembuatan Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon
(1-fenil-3-metil-5-pirazolon) sebagai Adsorben Ion Logam Berat. Dibimbing oleh
ETI ROHAETI dan DEDEN SAPRUDIN.
Kadmium merupakan salah satu logam berat yang bersifat toksik. Oleh
karena itu penting untuk mengurangi jumlah ion logam kadmium di lingkungan
terutama lingkungan perairan. Salah satu cara untuk mengurangi logam berat
adalah dengan proses adsorpsi menggunakan suatu adsorben. Karbon aktif
merupakan salah satu adsorben logam berat. Namun, kapasitas adsorpsi karbon
aktif relatif rendah dan belum bisa mengadsorpsi logam berat secara selektif. Oleh
karena itu, penambahan atau pemodifikasian karbon aktif dilakukan untuk
meningkatkan kapasitas adsorpsi karbon aktif. Nanomagnetit digunakan untuk
meningkatkan kapasitas adsorpsi karbon aktif dan proses adsorpsi yang dilakukan
mudah. Ligan spesifik diperlukan untuk meningkatkan selektivitas penjerapan
karbon aktif. Ligan yang dapat digunakan diantaranya yaitu pirazolon.
Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat adsorben yang selektif terhadap
ion logam kadmium. Adsorben dibuat dengan tiga bahan yaitu karbon aktif
(komersial), nanomagnetit (hasil sintesis menggunakan metode hidrotermal), dan
pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon). Ketiga bahan kemudian dikompositkan
dengan mensintesis komposit karbon aktif-nanomagnetit menggunakan metode
hidrotermal kemudian mensintesis komposit karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon
dengan cara impregnasi pirazolon pada komposit karbon aktif-nanomagnetit.
Respons Surface Method (RSM) digunakan untuk memperoleh persen adsorpsi yang
optimum. Penentuan kondisi optimum dilakukan pada tiga adsorben yaitu karbon
aktif, komposit karbon aktif-nanomagnetit, dan komposit karbon aktif-nanomagnetitpirazolon. Kondisi optimum yang diperoleh adalah pada pH 6, bobot 500 mg, dan
waktu kontak 25 menit untuk karbon aktif. Sedangkan komposit karbon aktifnanomagnetit diperoleh kondisi optimum pada pH 4, bobot 500 mg, dan waktu
kontak 5 menit. Kondisi optimum komposit karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon
pada pH 8, bobot 500 mg, dan waktu kontak 25 menit.
Hasil penelitian menunjukkan kapasitas adsorpsi komposit karbon-aktifnanomagnetit-pirazolon lebih rendah dibandingkan dengan komposit karbon aktifnanomagnetit namun lebih tinggi dibandingkan dengan karbon aktif. Sehingga
dapat disimpulkan bahwa komposit karbon aktif-nanomagnetit merupakan
adsorben terbaik dari karbon aktif dan karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon untuk
adsorpsi ion logam kadmium, tembaga, dan timbal. Namun, ketiga adsorben tidak
menunjukkan adsorbsi yang selektif terhadap salah satu logam berat.
Kata kunci: adsorben, isoterm adsorpsi, karbon aktif, komposit , metode respon
permukaan, nanomagnetit, pirazolon
SUMMARY
DEWI PRATIWI. Synthesis of Activated Carbon-Nanomagnetite-Pyrazolone(1phenyl-3-methyl-5-pyrazolone) Composite as Metal Adsorbent of Ion Cadmium.
Supervised by ETI ROHAETI and DEDEN SAPRUDIN.
Cadmium is a toxic heavy metal. Therefore, it is important to reduce the
amount of cadmium metal ions at water environtment. One of the ways to reduce
the heavy metal is adsorption process using an adsorbent. Activated carbon is one
of the heavy metal adsorbent. However, the adsorption capacity of activated
carbon low and can not selectively adsorb heavy metals. Therefore, addition or
modification of activated carbon can improve that adsorption capacity.
Nanomagnetite was used to enhance the adsorption capacity of activated carbon
and adsorption process was carried out easily. A specific ligand is needed to
improve the selectivity of the entrapment of activated carbon. One of the ligand
could be used is pyrazolone.
The aim of this study was to make selective adsorbent for cadmium metal
ions. The adsorbent was made with three chemicals namely activated carbon
(commercial), nanomagnetite (synthesized by hydrothermal method), and
pyrazolone (1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolone). These three chemicals were then
composited to synthesize activated carbon-nanomagnetite composite by
hydrothermal method and then synthesize the active carbon-nanomagnetitepyrazolone composite by impregnation of pyrazolone on activated carbonnanomagnetite composite. Response Surface Method (RSM) was used to obtain
the optimum adsorption percent. Determination of the optimum conditions was
conducted in three adsorbents, activated carbon, activated carbon-nanomagnetite
composite, and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone composite. The
optimum conditions were obtained at pH 6, adsorbent dossage 500 mg, and
adsorption time was 25 minutes for activated carbon. While activated carbonnanomagnetite composite obtained at pH 4, 500 mg, adsorption time of 5 minutes,
and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone composite at pH 8, adsorbent
dossage 500 mg, and adsorption time was 25 minutes.
The results showed the adsorption capacity of the activated carbonnanomagnetite-pyrazolone composite was lower than the activated carbonnanomagnetite composite but higher than the activated carbon. It could be
concluded that the activated carbon-nanomagnetite composite was the best
adsorbent than activated carbon and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone
composite for the adsorption of metal ions cadmium, copper, and lead. However,
the three adsorbents didn’t indicate the selective adsorbent toward one of heavy
metals.
Keyword:
activated carbon, adsorbent, adsorption isotherm,
nanomagnetite, pyrazolone, respon surface method
composite,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PEMBUATAN KOMPOSIT KARBON AKTIFNANOMAGNETIT-PIRAZOLON (1-FENIL-3-METIL-5PIRAZOLON) SEBAGAI ADSORBEN ION LOGAM KADMIUM
DEWI PRATIWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
2
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis:
Sri Sugiarti, PhD
3
Judul Tesis : Pembuatan Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon (1fenil-3metil-5-pirazolon) sebagai Adsorben Ion Logam Kadmium
Nama
: Dewi Pratiwi
NIM
: G451130091
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Eti Rohaeti, MS
Ketua
Dr Deden Saprudin, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Magister Kimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Dyah Iswantini Pradono, MScAgr
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 13 Juni 2016
Tanggal Lulus:
4
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 hingga Januari
2016 ini ialah adsorpsi ion logam Cd(II), dengan judul Pembuatan Komposit
Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon) sebagai
Adsorben Ion Logam Kadmium.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Dr Eti Rohaeti MS dan Bapak Dr
Deden Saprudin MSi selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu
dan pikiran beserta dukungan moril dan materil hingga terselesaikannya tulisan
ini. Ibu Sri Sugiarti PhD selaku penguji luar komisi. Ibu Prof Dr Dyah Iswantini
MscAgr dan Ibu Dr Gustini Sabirin MS selaku ketua dan sekretaris program magister
kimia serta seluruh dosen Pascasarjana Kimia atas segala bimbingan dan ilmu yang
diberikan.
Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan
Tinggi (Dikti) Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan yang telah memberikan
bantuan dana berupa beasiswa BPPDN untuk menempuh kuliah di Sekolah
Pascasarjana IPB dan semua pihak khususnya teman-teman kimia pascasarjana
angkatan 2013 serta kepada seluruh staf Laboratorium Kimia Analitik IPB (Om
eman, Pak Dede, Bu Nunung, dan Pak Kosasih) yang telah membantu dan
memberikan dukungan serta motivasi dalam penyelesaian karya ilmiah ini.
Ungkapan terima kasih untuk yang teristimewa kepada Ayahanda
Chazuardi, Ibunda Rina, Mas Herry Sujatmianto, Along Arif Rahman, Chafiz
Rizki, Dedek Tsaqif Chairurraziqin, Along Windiawati, Destria Chasi Kirani,
Arzachel Adya Rahman serta seluruh keluarga atas segala doa, motivasi dan kasih
sayangnya serta dukungan moril maupun materil. Ucapan terimakasih juga
disampaikan kepada seluruh rekan dan sahabat yang tidak dapat penulis sebutkan satu
persatu yang telah membantu dalam penyelesaian tesis ini. Penulis juga
menyampaikan permohonan maaf apabila selama studi dan pelaksanaan penelitian
maupun penulisan karya ilmiah ini terdapat tutur kata, sikap, serta perbuatan yang
kurang berkenan. Semoga hasil penelitian dan tulisan ini dapat bermanfaat sebagai
bahan informasi dalam kemajuan ilmu pengetahuan alam dan teknologi.
Bogor, Juli 2016
Dewi Pratiwi
5
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
ix
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
3
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Karbon Aktif
Nanomagnetit
Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
Isoterm Adsorpsi
Kadmium (Cd)
3
3
4
5
6
7
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan
Alat
Prosedur Kerja
Sintesis Nanomagnetit
Sintesis Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit
Sintesis Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon
Penentuan Kondisi Optimum Percobaan
Penentuan Isoterm Adsorpsi
Penentuan Pengaruh Ion Logam Cu(II) dan Pb(II)
8
8
8
8
9
9
9
9
9
10
10
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Sintesis dan Karakterisasi Adsorben
Kondisi Optimum Adsorpsi Cd(II)
Isoterm Adsorpsi
Pengaruh Ion Logam Cu(II) dan Pb(II)
11
11
13
17
19
5 SIMPULAN DAN SARAN
20
DAFTAR PUSTAKA
21
LAMPIRAN
24
RIWAYAT HIDUP
44
6
7
DAFTAR TABEL
1 Rancangan Percobaan optimasi CCD untuk adsorpsi Cd oleh KA, KANM, KA-NM-PZ
2 Pola nilai hkl magnetit dan komposit KA-NM hasil sintesis
3 Kapasitas adsorpsi dan persen adsorpsi KA, KA-NM, dan KA-NM- PZ
pada ragam pH, bobot adsorben, dan waktu
4 Persen adsorpsi, dan kapasitas adsorpsi adsorben KA, KA-NM, dan
KA-NM-PZ
5 Parameter isoterm Langmuir dan Freundlich
10
12
14
17
18
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
Struktur kristal magnetit
Struktur 1-fenil-3-metil-5-pirazolon
Difraktogram serbuk hasil sintesis
Spektrum FTIR KA, NM, Pirazolon, KA-NM dan KA-NM-PZ
Perbandingan kapasitas adsorpsi dan persen adsorpsi terhadap ion
logam Cd(II) untuk beberapa adsorben
6 Kontur plot persen adsorpsi Cd(II) oleh KA (a), KA-NM (b), dan KANM-PZ (c) pada ragam pH, waktu, dan bobot adsorben
7 Isoterm adsorpsi model Langmuir (a) dan Freundlich (b) pada adsorpsi
Cd(II) oleh KA, KA-NM, dan KA-NM-PZ
8 Pengaruh ion logam Cu(II) dan Pb(II) pada kapasitas adsorpsi Cd(II)
4
5
11
12
15
16
18
19
DAFTAR LAMPIRAN
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Diagram alir penelitian
Kurva kalibrasi
Data analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
Standar magnetit JCPDS No. 19-0629
Data hasil analisis XRD perhitungan kristalinitas NM
Data hasil analisis XRD perhitungan kristalinitas KA-NM
Penentuan pola h2+k2+l2 NM hasil sintesis
Penentuan ukuran kristal NM hasil sintesis
Penentuan pola h2+k2+l2 komposit KA-NM
Penentuan ukuran kristal komposit KA-NM hasil sintesis
Data hasil estimasi koefisien regresi dan analisis ragam pengolahan
CCD menggunakan minitab
20 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA
25
26
28
31
32
33
34
35
36
37
38
40
8
21 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA-NM
22 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA-NM-PZ
23 Perhitungan persentase penurunan kapasitas adsorpsi adsorben terhadap
adsorpsi ion logam Cd(II)
41
42
43
9
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat kadmium (Cd) diketahui bersifat toksik dan dalam jumlah
tertentu dapat menimbulkan efek terhadap kesehatan manusia. Environtmental
Protection Agency (EPA 2012) memberikan batas maksimum kadar logam Cd
dalam air minum sebesar 0.005 mg/L sementara World Health Organization
(WHO 2011) sebesar 0.003 mg/L. Waalkes (2003) menyatakan bahwa logam Cd
bersifat karsinogenik dan dapat menyebabkan kanker paru-paru. Selain itu, logam
Cd juga dapat berpengaruh terhadap ginjal, hipertensi, dan kerapuhan tulang
(Sudarmaji et al. 2006). Logam Cd dapat masuk dan terakumulasi dalam tubuh
manusia melalui makanan, minuman, dan lingkungan air maupun udara. Oleh
karena itu, penting untuk mengurangi konsentrasi logam Cd yang terdapat di
lingkungan terutama lingkungan perairan. Pengurangan konsentrasi logam Cd
diantaranya dilakukan cara adsorpsi oleh suatu adsorben.
Karbon aktif merupakan salah satu adsorben yang banyak digunakan untuk
mengurangi logam berat dalam lingkungan air. Pertimbangan digunakannya
karbon aktif sebagai adsorben dikarenakan luas permukaannya yang tinggi,
struktur mikro pori, dan adanya gugus fungsi yang terdapat pada permukaan
adsorben. Struktur pori karbon aktif dapat dimodifikasi melalui fungsionalisasi
permukaan karbon aktif sehingga dapat dengan mudah mengadsorpsi ion logam
berat. Fungsionalisasi permukaan karbon aktif telah dilakukan oleh Jia dan
Thomas (2000) dengan cara oksidasi menggunakan asam nitrat dan Machida et al.
(2012) menggunakan larutan ammonium peroksidisulfat yang dapat meningkatkan
kapasitas adsorpsi karbon aktif. Modifikasi kimia atau biologi pada permukaan
karbon aktif juga telah diakui sebagai cara yang efektif untuk meningkatkan
kapasitas adsorpsi karbon aktif (Mahmoud et al. 2012). Beberapa peneliti yang
melakukan modifikasi kimia dan biologi, seperti Lu et al. (2014) melakukan
modifikasi permukaan karbon aktif menggunakan asam peroksida yang dapat
meningkatkan kapasitas adsorpsi logam Hg(II). Oleh karena itu, peningkatan
kapasitas adsorpsi dengan modifikasi adsorben karbon aktif sangat menarik untuk
dilakukan.
Nanomagnetit yang diimobilisasi pada karbon aktif dapat meningkatkan
luas permukaan karbon aktif sehingga kapasitas adsorpsinya juga meningkat.
Zach-Maor et al. (2012) dalam studinya memperoleh kapasitas adsorpsi karbon
aktif sebesar 68% sedangkan karbon aktif yang dimodifikasi nanomagnetit
menghasilkan kapasitas adsorpsi sebesar 91% untuk adsorpsi logam Cr(VI)
sementara kapasitas adsorpsi terhadap logam Cu(II) meningkat dari 32% menjadi
85% masing-masing oleh karbon aktif dan karbon aktif terimobilisasi
nanomagnetit. Namun, nanomagnetit dapat membentuk agregat dari sifat
magnetiknya (Lyles et al. 2004). Terbentuknya agregat menyebabkan proses
adsorpsi menjadi kurang efisien sehingga perlu dilakukan modifikasi permukaan
nanomagnetit.
Modifikasi permukaan nanomagnetit menggunakan ligan spesifik dapat
meningkatkan efisiensi adsorpsi logam berat. Salah satu ligan yang telah
dilaporkan pada ekstraksi logam berat adalah EDTA. Jang dan Lim (2010)
10
menyatakan bahwa nanomagnetit yang diimobilisasi EDTA berhasil diaplikasikan
pada ekstraksi ion logam Cu, Cd, Co, dan Pb. Namun, tidak dapat secara spesifik
terhadap salah satu logam karena persentase ekstraksi dari keempat logam
tersebut tidak berbeda secara signifikan. Kapasitas adsorpsi nanomagnetit yang
diimobilisasi dengan EDTA pada ekstraski ion logam Cd sekitar 0.32 µmol/g
(Jang dan Lim 2010). Sehingga perlu adanya pengembangan dan pemilihan ligan
lain untuk mengetahui selektivitas dari adsorben.
Senyawa pirazolon dan turunannya telah digunakan untuk ekstraksi logam
lantanida dan logam berat golongan transisi seperti La(III), Eu(III), Lu(III), Cu(II),
Ni(II), Zn(II), Cd(II), Hg(II), Pb(II), Mo(VI) (Bou-Maroun et al. 2006; Oliva et al.
2002; Hamzah et al. 2011; Ihesinachi et al. 2011). Gugus keto yang terdapat pada
senyawa pirazolon dapat membentuk kompleks dengan ion logam. Todorova et al.
(1993) memodifikasi silika gel dan kieselguhr dengan senyawa pirazolon (1-fenil3-metil-5pirazolon) menghasilkan kapasitas adsorpsi terbesar pada komposit
kieselguhr dengan pirazolon sebesar 0.71, 0.26, 0.58, dan 0,83 mmol/g untuk
masing-masing logam Cu(II), Mn(II), Cd(II), dan Pb(II). Adsorpsi logam berat
menggunakan karbon aktif dari aprikot dimodifikasi dengan pirazolon juga
dilakukan oleh Lakov et al. (1998) yang menghasilkan kapasitas adsorpsi terhadap
logam Cd sebesar 0.54 mmol/g.
Pada penelitian ini dilakukan modifikasi terhadap karbon aktif dengan
nanomagnetit dan senyawa pirazolon sehingga diharapkan komposit hasil sintesis
dapat mengadsorpsi ion logam Cd secara selektif dan kapasitas adsorpsi yang
dihasilkan juga besar.
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan sebelumnya, maka
rumusan masalah dalam penelitian ini adalah untuk mengurangi kadar kadmium
yang terdapat dalam perairan yang melebihi ambang batas sehingga perlu
dikembangkan adsorben yang handal, daya adsorpsi tinggi dan spesifik. Karbon
aktif-nanomagnetit dan karbon aktif yang dimodifikasi ligan sebagai pengadsorpsi
logam berat telah dilaporkan, namun belum spesifik terhadap salah satu logam
berat. Oleh karena itu, penambahan ligan spesifik pirazolon pada komposit karbon
aktif-nanomagnetit diharapkan dapat menjerap ion kadmium secara selektif.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kapasitas, model isoterm dan
selektivitas adsorpsi komposit karbon aktif-nanomagnetit, karbon aktifnanomagnetit-pirazolon terhadap ion kadmium.
11
Manfaat Penelitian
Memperoleh data kinerja komposit karbon aktif-nanomagnetit dan karbon
aktif-nanomagnetit-pirazolon yang digunakan sebagai alternatif adsorben untuk
adsorpsi ion logam berat.
Ruang Lingkup Penelitian
Tahapan penelitian terdiri dari sintesis dan karakterisasi nanomagnetit,
komposit karbon aktif-nanomagnetit, komposit karbon aktif-nanomagnetitpirazolon, serta aplikasi sampel adsorben yang diperoleh sebagai penjerap logam
berat Cd(II) dengan metode batch. Aplikasi dari penelitian ini terdiri dari tiga
rangkaian percobaan yaitu penentuan kondisi optimum percobaan adsorpsi dengan
metode Respons Surface Methode (RSM) menggunakan model Central Composite
Design (CCD), percobaan isoterm adsorpsi, dan pengaruh ion logam asing (Cu
dan Pb). Tahapan penelitian dapat dilihat pada diagram alir penelitian pada
Lampiran 1.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Karbon Aktif
Karbon aktif secara luas digunakan sebagai adsorben karena karbon aktif
merupakan material yang unik yaitu berisi dengan rongga-rongga (kosong, pori,
spaces) yang berukuran molekul. Hal ini dapat dikatakan bahwa walaupun
densitas elektronnya nol, pori-porinya memliki gaya van der waals yang kuat dan
sangat mendukung pada proses adsorpsi. Pori-pori karbon aktif mempunyai
bentuk dan ukuran yang bervariasi dan tidak teratur. Ukuran pori karbon dibagi
kedalam tiga kategori yaitu mikropori < 2 nm, mesopori 2-50 nm, dan makropori
> 50 nm (Marsh 2006). Ukuran pori ini dapat menentukan bagaimana adsorpsi
terjadi sehingga dapat menangkap atau menjerap partikel-partikel sangat halus
(molekul). Semakin banyak zat-zat yang diadsorpsi maka pori-pori ini pada
akhirnya akan jenuh sehingga karbon aktif tidak akan berfungsi lagi.
Karbon aktif yang telah jenuh dapat direaktifasi kembali, meskipun
demikian tidak jarang yang disarankan untuk sekali pakai. Oleh karena itu, agar
karbon aktif mempunyai keterulangan yang tinggi, para peneliti memodifikasi
karbon aktif baik secara fisik atau kimia. Lu et al. (2014) melakukan modifikasi
karbon aktif secara fisik dan kimiawi yang menghasilkan distribusi ukuran dari
karbon aktif berubah setelah proses modifikasi. Karbon aktif yang telah
dimodifikasi mempunyai luas permukaan, volume mikropori dan mesopori yang
lebih tinggi dibandingkan karbon aktif yang belum dimodifikasi. Pada adsorpsi
gas atau uap, mikropori dan mesopori karbon digunakan untuk menghilangkan
molekul organik dari larutan. Sedangkan adsorpsi senyawa ionik dari larutan pada
12
karbon aktif biasanya didominasi oleh gugus fungsi permukaan (Jia dan Thomas
2000).
Gugus fungsi yang terdapat pada permukaan karbon aktif beraneka ragam.
Mahmoud et al. (2015) menyatakan bahwa permukaan karbon aktif terdapat
gugus karbonil, karboksil, dan karboksilat. Lu et al. (2014) juga mengindikasikan
bahwa gugus fungsi yang terdapat pada karbon aktif adalah gugus fungsi
karboksilat. Gugus karboksilat dapat terionisasi menjadi COO- dan H+. Merkuri
teradsorpsi melalui reaksi kompleksometri antara gugus karboksilat dan Hg2+.
Gugus karboksilat berperan penting dalam adsorpsi Hg2+ (Lu et al. 2014).
Nanomagnetit
Magnetit (Fe3O4) banyak ditemukan dialam yang terdapat didasar laut,
tanah, batu, meteorit, debu atmosfer, bakteri dan organisme hidup lainnya.
Magnetit juga biasanya dihasilkan dari korosi besi dan baja. Magnetit merupakan
salah satu fase dari besi oksida. Selain dapat ditemukan dialam, besi oksida dapat
disintesis dan sintesisnya secara intesif dikembangkan tidak hanya untuk
kepentingan ilmiah fundamental namun dapat juga diaplikasikan dalam berbagai
bidang. Baru-baru ini, penggunaan besi oksida berdasarkan nanomaterial dengan
sifat dan fungsinya secara luas dipelajari karena ukurannya yang kecil, luas
permukaan tinggi, dan sifat magnetik.
Oktahedral
Gambar 1 Struktur kristal magnetit (Roonasi 2007)
Struktur kristal pada Gambar 1 menunjukkan adanya molekul oksigen,
besi pada sisi tetrahedral dan oktahedral yang berperan pada sifat magnetik dan
warna magnetit. Nanomagnetit berwarna hitam karena intervalensi transfer
muatan antara Fe(II) dan Fe(III) dalam struktur kristal. Sifat magnetik dalam
magnetit juga berasal dari atom Fe(II) dan Fe(III) pada sisi tetra dan oktahedral.
Adsorpsi permukaan mineral merupakan fenomena yang sangat penting
pada hubungan proses teknikal dan lingkungan. Sebagai contoh, banyak proses
geokimia pada bumi seperti kerusakan karena iklim, disolusi, pengendapan dan
kristalisasi dapat dipengaruhi oleh adsorpsi mineral. Demikian juga pada industri,
adsorpsi merupakan faktor krusial pada proses katalisis dan korosi bijih besi.
Perubahan sifat ini didasarkan pada sistem partikel mineral oleh adsorpsi karena
perubahan atau modifikasi permukaan kimia mineral.
13
Potensi nanomagnetit secara ekstensif telah dikembangkan melalui teknik
sintesis yang diklasifikasikan dalam tiga kategori yaitu metode fisika, kimia, dan
biologi (Xu et al. 2014). Pada penelitian ini, sintesis nanomagnetit dilakukan
dengan metode kimia melalui proses hidrotermal. Kelebihan dari metode
hidrotermal yaitu bentuk dan ukuran partikel dapat dikontrol, kelemahannya
memerlukan suhu reaksi dan tekanan yang tinggi. Nanomagnetit umumnya tidak
stabil dan mudah teragregasi sehingga mempengaruhi kekuatan dispersi dalam
larutan karena energi permukaannya tinggi. Nanomagnetit (nanopartikel Fe3O4)
mudah teroksidasi menjadi nanopartikel Fe2O3 dengan adanya oksigen. Untuk
mengatasi berbagai kelemahan tersebut, telah dikembangkan berbagai metode
modifikasi permukaan nanomagnetit dengan menambahkan zat kimia atau biologi
selama atau setelah proses sintesis untuk meningkatkan dispersibilitas, stabilitas,
biokompatibilitas, dan biodegradabilitas untuk tujuan spesifik. Stabilitas,
dispersitas, dan biokompatibilitas nanomagnetit dapat meningkat dengan
modifikasi permukaan yang sesuai serta meminimalisir proses oksidasi dari
nanopartikel Fe3O4 menjadi nanopartikel Fe2O3 dapat diminimalisir (Xu et al.
2014).
Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
Pirazolon merupakan turunan dari senyawa pirazola yang beranggotakan
lima cincin laktam dan mempunyai tambahan gugus keto. Pada umumnya
pirazolon berada dalam bentuk keto. Namun senyawa pirazolon juga dapat berada
dalam bentuk menjadi enol. Senyawa pirazolon dapat berada dalam bentuk enol
karena senyawa ini mempunyai hidrogen α yang melekat pada karbon α. Kedua
bentuk ini disebut sebagai sepasang tautomer. Senyawa pirazolon didalam larutan
air dapat bersifat sebagai asam lemah karena struktur molekulnya dapat berubahubah dari struktur enol ke struktur keto sesuai dengan perubahan pH larutan
(Akama et al. 1996). Struktur dari senyawa 1-fenil-3-metil-5-pirazolon diberikan
pada Gambar 2.
C6H5
C6H5
H
O
O
N
N
N
N
CH3
CH3
Gambar 2 Struktur 1-fenil-3-metil-5-pirazolon
Senyawa pirazolon diketahui merupakan senyawa organik yang dapat
digunakan sebagai reagen dengan sifat kompleksasi terhadap logam. Menurut
Ekekwe et al. (2012), ikatan antara senyawa pirazolon dan ion logam
diformulasikan sebagai bentuk ikatan sigma melalui gugus karbonil dan hidroksil
dari bentuk keto-enol ligan.
14
Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi memberikan informasi yang paling penting tentang
distribusi molekul adsorbat antara fase cair dan fase padat. Isoterm adsorpsi
merupakan hubungan kesetimbangan antara potensial kimia adsorbat dalam gas
atau cairan dan potensial kimia adsorbat di permukaan adsorben pada suhu tetap.
Kesetimbangan adsorpsi biasanya digambarkan dengan persamaan isoterm yang
parameter-parameternya menunjukkan sifat permukaan dan afinitas dari adsorben.
Isoterm adsorpsi yang paling umum digunakan adalah isoterm adsorpsi Langmuir
dan Freundlich. Isoterm Langmuir didasarkan pada dua asumsi bahwa kekuatan
interaksi antara molekul teradsorpsi dapat diabaikan dan molekul menempati
sebuah situs yang tidak terjadi penyerapan lebih lanjut (Subramanyam dan Das
2009). Menurut Atkins dan Paula (2006), Isoterm adsorpsi Langmuir berdasarkan
pada asumsi sebagai berikut :
1. Adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal (monolayer)
2. Semua bagian dan permukaannya bersifat homogen
3. Tidak ada interaksi antara molekul yang teradsorpsi
Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis
dengan mengganggap terjadinya kesetimbangan antara molekul-molekul yang
diadsorpsi pada permukaan adsorben dengan molekul-molekul yang tidak
teradsorpsi. Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai
berikut.
�
=
+ �
Dengan :
qe = jumlah adsorbat yang teradsorpsi per unit bobot adsorben pada
kesetimbangan (mg/g)
qm = kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g)
Ce = konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan (mg/L)
b = konstanta yang berhubungan dengan energi bebas adsorpsi (L/mg)
Isoterm Freundlich mengasumsikan suatu permukaan adsorpsi yang
heterogen dan terdapat perbedaan energi pada tapak aktif (Koumanova dan PeevaAntova 2002). Model isoterm ini menganggap bahwa pada semua tapak aktif
permukaan adsorben akan terjadi proses adsorpsi di bawah kondisi yang diberikan.
Isoterm Freundlich tidak memperkirakan adanya tapak-tapak pada permukaan
yang mampu mencegah tercapainya adsorpsi pada kesetimbangan. Hanya ada
beberapa tapak aktif saja yang mampu mengadsorpsi molekul terlarut. Persamaan
isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan pada asumsi sebagai berikut :
1. Terbentuknya adsorpsi beberapa lapisan (multilayer) dari molekul-molekul
adsorbat pada adsorben
2. Bagian tapak aktif pada permukaan adsorben bersifat heterogen
3. Hanya melibatkan gaya Van Der Waals sehingga adsorbat dapat bergerak dari
satu bagian permukaan ke bagian permukaan lain dari adsorben
Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich dapat dituliskan sebagai berikut :
⁄
=
�
Dengan Kf = konstanta, yang menggambarkan kapasitas adsorpsi relatif dari
adsorben ((mg/g)(mg/l)n), n = konstanta yang menggambarkan intensitas adsorpsi.
15
Dalam persamaan Freundlich, nilai n dalam rentang 1-10 menggambarkan
adsorpsi yang baik (Fan et al. 2008).
Kurva persamaan garis lurus Langmuir dan Freundlich diperoleh dengan
memplot berturut-turut Ce/qe vs Ce dan log qe vs log Ce dan dari persamaan
isoterm tersebut dapat dicari kapasitas adsorpsi optimum adsorben terhadap
adsorbat. Persamaan Langmuir digunakan untuk memperoleh nilai RL atau faktor
pemisahan yang menggambarkan dimensi parameter kesetimbangan. Jika RL > 1
proses adsorpsi bersifat tidak baik (unfavorable) karena adsorpsi pada zat padat
relatif rendah; RL = 1 proses adsorpsi linear yang artinya jumlah adsorbat yang
teradsorpsi pada adsorben sebanding dengan konsentrasinya dalam fluida;
0 90
15
10
5
100
%
Adsorpsi
< 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
400
20
8
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, pH
%
Adsorpsi
< 40
40 – 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
waktu
5
300
bobot
25
5
4
200
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, bobot
Hold Values
bobot 500
Hold Values
waktu 5
c)
5
100
waktu
4
b)
Hold Values
pH 6
5
100
15
10
Hold Values
bobot 500
Hold Values
waktu 25
%
Adsorpsi
< 40
40 – 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
20
Hold Values
pH 4
200
300
bobot
400
500
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, bobot
25
%
Adsorpsi
< 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
20
waktu
a)
25
%
Ads
DEWI PRATIWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pembuatan Komposit
Karbon
Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon(1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
sebagai
Adsorben Ion Logam Kadmium adalah benar karya saya dengan arahan dari
komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan
tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang
diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks
dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Juli 2016
Dewi Pratiwi
NIM G451130091
RINGKASAN
DEWI PRATIWI. Pembuatan Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon
(1-fenil-3-metil-5-pirazolon) sebagai Adsorben Ion Logam Berat. Dibimbing oleh
ETI ROHAETI dan DEDEN SAPRUDIN.
Kadmium merupakan salah satu logam berat yang bersifat toksik. Oleh
karena itu penting untuk mengurangi jumlah ion logam kadmium di lingkungan
terutama lingkungan perairan. Salah satu cara untuk mengurangi logam berat
adalah dengan proses adsorpsi menggunakan suatu adsorben. Karbon aktif
merupakan salah satu adsorben logam berat. Namun, kapasitas adsorpsi karbon
aktif relatif rendah dan belum bisa mengadsorpsi logam berat secara selektif. Oleh
karena itu, penambahan atau pemodifikasian karbon aktif dilakukan untuk
meningkatkan kapasitas adsorpsi karbon aktif. Nanomagnetit digunakan untuk
meningkatkan kapasitas adsorpsi karbon aktif dan proses adsorpsi yang dilakukan
mudah. Ligan spesifik diperlukan untuk meningkatkan selektivitas penjerapan
karbon aktif. Ligan yang dapat digunakan diantaranya yaitu pirazolon.
Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat adsorben yang selektif terhadap
ion logam kadmium. Adsorben dibuat dengan tiga bahan yaitu karbon aktif
(komersial), nanomagnetit (hasil sintesis menggunakan metode hidrotermal), dan
pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon). Ketiga bahan kemudian dikompositkan
dengan mensintesis komposit karbon aktif-nanomagnetit menggunakan metode
hidrotermal kemudian mensintesis komposit karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon
dengan cara impregnasi pirazolon pada komposit karbon aktif-nanomagnetit.
Respons Surface Method (RSM) digunakan untuk memperoleh persen adsorpsi yang
optimum. Penentuan kondisi optimum dilakukan pada tiga adsorben yaitu karbon
aktif, komposit karbon aktif-nanomagnetit, dan komposit karbon aktif-nanomagnetitpirazolon. Kondisi optimum yang diperoleh adalah pada pH 6, bobot 500 mg, dan
waktu kontak 25 menit untuk karbon aktif. Sedangkan komposit karbon aktifnanomagnetit diperoleh kondisi optimum pada pH 4, bobot 500 mg, dan waktu
kontak 5 menit. Kondisi optimum komposit karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon
pada pH 8, bobot 500 mg, dan waktu kontak 25 menit.
Hasil penelitian menunjukkan kapasitas adsorpsi komposit karbon-aktifnanomagnetit-pirazolon lebih rendah dibandingkan dengan komposit karbon aktifnanomagnetit namun lebih tinggi dibandingkan dengan karbon aktif. Sehingga
dapat disimpulkan bahwa komposit karbon aktif-nanomagnetit merupakan
adsorben terbaik dari karbon aktif dan karbon aktif-nanomagnetit-pirazolon untuk
adsorpsi ion logam kadmium, tembaga, dan timbal. Namun, ketiga adsorben tidak
menunjukkan adsorbsi yang selektif terhadap salah satu logam berat.
Kata kunci: adsorben, isoterm adsorpsi, karbon aktif, komposit , metode respon
permukaan, nanomagnetit, pirazolon
SUMMARY
DEWI PRATIWI. Synthesis of Activated Carbon-Nanomagnetite-Pyrazolone(1phenyl-3-methyl-5-pyrazolone) Composite as Metal Adsorbent of Ion Cadmium.
Supervised by ETI ROHAETI and DEDEN SAPRUDIN.
Cadmium is a toxic heavy metal. Therefore, it is important to reduce the
amount of cadmium metal ions at water environtment. One of the ways to reduce
the heavy metal is adsorption process using an adsorbent. Activated carbon is one
of the heavy metal adsorbent. However, the adsorption capacity of activated
carbon low and can not selectively adsorb heavy metals. Therefore, addition or
modification of activated carbon can improve that adsorption capacity.
Nanomagnetite was used to enhance the adsorption capacity of activated carbon
and adsorption process was carried out easily. A specific ligand is needed to
improve the selectivity of the entrapment of activated carbon. One of the ligand
could be used is pyrazolone.
The aim of this study was to make selective adsorbent for cadmium metal
ions. The adsorbent was made with three chemicals namely activated carbon
(commercial), nanomagnetite (synthesized by hydrothermal method), and
pyrazolone (1-phenyl-3-methyl-5-pyrazolone). These three chemicals were then
composited to synthesize activated carbon-nanomagnetite composite by
hydrothermal method and then synthesize the active carbon-nanomagnetitepyrazolone composite by impregnation of pyrazolone on activated carbonnanomagnetite composite. Response Surface Method (RSM) was used to obtain
the optimum adsorption percent. Determination of the optimum conditions was
conducted in three adsorbents, activated carbon, activated carbon-nanomagnetite
composite, and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone composite. The
optimum conditions were obtained at pH 6, adsorbent dossage 500 mg, and
adsorption time was 25 minutes for activated carbon. While activated carbonnanomagnetite composite obtained at pH 4, 500 mg, adsorption time of 5 minutes,
and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone composite at pH 8, adsorbent
dossage 500 mg, and adsorption time was 25 minutes.
The results showed the adsorption capacity of the activated carbonnanomagnetite-pyrazolone composite was lower than the activated carbonnanomagnetite composite but higher than the activated carbon. It could be
concluded that the activated carbon-nanomagnetite composite was the best
adsorbent than activated carbon and activated carbon-nanomagnetite-pyrazolone
composite for the adsorption of metal ions cadmium, copper, and lead. However,
the three adsorbents didn’t indicate the selective adsorbent toward one of heavy
metals.
Keyword:
activated carbon, adsorbent, adsorption isotherm,
nanomagnetite, pyrazolone, respon surface method
composite,
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2016
Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PEMBUATAN KOMPOSIT KARBON AKTIFNANOMAGNETIT-PIRAZOLON (1-FENIL-3-METIL-5PIRAZOLON) SEBAGAI ADSORBEN ION LOGAM KADMIUM
DEWI PRATIWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2016
2
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis:
Sri Sugiarti, PhD
3
Judul Tesis : Pembuatan Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon (1fenil-3metil-5-pirazolon) sebagai Adsorben Ion Logam Kadmium
Nama
: Dewi Pratiwi
NIM
: G451130091
Disetujui oleh
Komisi Pembimbing
Dr Eti Rohaeti, MS
Ketua
Dr Deden Saprudin, MSi
Anggota
Diketahui oleh
Ketua Program Magister Kimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof Dr Dyah Iswantini Pradono, MScAgr
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr
Tanggal Ujian: 13 Juni 2016
Tanggal Lulus:
4
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2015 hingga Januari
2016 ini ialah adsorpsi ion logam Cd(II), dengan judul Pembuatan Komposit
Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon) sebagai
Adsorben Ion Logam Kadmium.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Dr Eti Rohaeti MS dan Bapak Dr
Deden Saprudin MSi selaku pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu
dan pikiran beserta dukungan moril dan materil hingga terselesaikannya tulisan
ini. Ibu Sri Sugiarti PhD selaku penguji luar komisi. Ibu Prof Dr Dyah Iswantini
MscAgr dan Ibu Dr Gustini Sabirin MS selaku ketua dan sekretaris program magister
kimia serta seluruh dosen Pascasarjana Kimia atas segala bimbingan dan ilmu yang
diberikan.
Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan
Tinggi (Dikti) Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan yang telah memberikan
bantuan dana berupa beasiswa BPPDN untuk menempuh kuliah di Sekolah
Pascasarjana IPB dan semua pihak khususnya teman-teman kimia pascasarjana
angkatan 2013 serta kepada seluruh staf Laboratorium Kimia Analitik IPB (Om
eman, Pak Dede, Bu Nunung, dan Pak Kosasih) yang telah membantu dan
memberikan dukungan serta motivasi dalam penyelesaian karya ilmiah ini.
Ungkapan terima kasih untuk yang teristimewa kepada Ayahanda
Chazuardi, Ibunda Rina, Mas Herry Sujatmianto, Along Arif Rahman, Chafiz
Rizki, Dedek Tsaqif Chairurraziqin, Along Windiawati, Destria Chasi Kirani,
Arzachel Adya Rahman serta seluruh keluarga atas segala doa, motivasi dan kasih
sayangnya serta dukungan moril maupun materil. Ucapan terimakasih juga
disampaikan kepada seluruh rekan dan sahabat yang tidak dapat penulis sebutkan satu
persatu yang telah membantu dalam penyelesaian tesis ini. Penulis juga
menyampaikan permohonan maaf apabila selama studi dan pelaksanaan penelitian
maupun penulisan karya ilmiah ini terdapat tutur kata, sikap, serta perbuatan yang
kurang berkenan. Semoga hasil penelitian dan tulisan ini dapat bermanfaat sebagai
bahan informasi dalam kemajuan ilmu pengetahuan alam dan teknologi.
Bogor, Juli 2016
Dewi Pratiwi
5
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
ix
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
1
1
2
2
3
3
2 TINJAUAN PUSTAKA
Karbon Aktif
Nanomagnetit
Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
Isoterm Adsorpsi
Kadmium (Cd)
3
3
4
5
6
7
3 METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Bahan
Alat
Prosedur Kerja
Sintesis Nanomagnetit
Sintesis Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit
Sintesis Komposit Karbon Aktif-Nanomagnetit-Pirazolon
Penentuan Kondisi Optimum Percobaan
Penentuan Isoterm Adsorpsi
Penentuan Pengaruh Ion Logam Cu(II) dan Pb(II)
8
8
8
8
9
9
9
9
9
10
10
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Sintesis dan Karakterisasi Adsorben
Kondisi Optimum Adsorpsi Cd(II)
Isoterm Adsorpsi
Pengaruh Ion Logam Cu(II) dan Pb(II)
11
11
13
17
19
5 SIMPULAN DAN SARAN
20
DAFTAR PUSTAKA
21
LAMPIRAN
24
RIWAYAT HIDUP
44
6
7
DAFTAR TABEL
1 Rancangan Percobaan optimasi CCD untuk adsorpsi Cd oleh KA, KANM, KA-NM-PZ
2 Pola nilai hkl magnetit dan komposit KA-NM hasil sintesis
3 Kapasitas adsorpsi dan persen adsorpsi KA, KA-NM, dan KA-NM- PZ
pada ragam pH, bobot adsorben, dan waktu
4 Persen adsorpsi, dan kapasitas adsorpsi adsorben KA, KA-NM, dan
KA-NM-PZ
5 Parameter isoterm Langmuir dan Freundlich
10
12
14
17
18
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
Struktur kristal magnetit
Struktur 1-fenil-3-metil-5-pirazolon
Difraktogram serbuk hasil sintesis
Spektrum FTIR KA, NM, Pirazolon, KA-NM dan KA-NM-PZ
Perbandingan kapasitas adsorpsi dan persen adsorpsi terhadap ion
logam Cd(II) untuk beberapa adsorben
6 Kontur plot persen adsorpsi Cd(II) oleh KA (a), KA-NM (b), dan KANM-PZ (c) pada ragam pH, waktu, dan bobot adsorben
7 Isoterm adsorpsi model Langmuir (a) dan Freundlich (b) pada adsorpsi
Cd(II) oleh KA, KA-NM, dan KA-NM-PZ
8 Pengaruh ion logam Cu(II) dan Pb(II) pada kapasitas adsorpsi Cd(II)
4
5
11
12
15
16
18
19
DAFTAR LAMPIRAN
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Diagram alir penelitian
Kurva kalibrasi
Data analisis gugus fungsi menggunakan FTIR
Standar magnetit JCPDS No. 19-0629
Data hasil analisis XRD perhitungan kristalinitas NM
Data hasil analisis XRD perhitungan kristalinitas KA-NM
Penentuan pola h2+k2+l2 NM hasil sintesis
Penentuan ukuran kristal NM hasil sintesis
Penentuan pola h2+k2+l2 komposit KA-NM
Penentuan ukuran kristal komposit KA-NM hasil sintesis
Data hasil estimasi koefisien regresi dan analisis ragam pengolahan
CCD menggunakan minitab
20 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA
25
26
28
31
32
33
34
35
36
37
38
40
8
21 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA-NM
22 Data hasil analisis isoterm Langmuir dan Freundlich adsorpsi Cd(II)
oleh KA-NM-PZ
23 Perhitungan persentase penurunan kapasitas adsorpsi adsorben terhadap
adsorpsi ion logam Cd(II)
41
42
43
9
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Logam berat kadmium (Cd) diketahui bersifat toksik dan dalam jumlah
tertentu dapat menimbulkan efek terhadap kesehatan manusia. Environtmental
Protection Agency (EPA 2012) memberikan batas maksimum kadar logam Cd
dalam air minum sebesar 0.005 mg/L sementara World Health Organization
(WHO 2011) sebesar 0.003 mg/L. Waalkes (2003) menyatakan bahwa logam Cd
bersifat karsinogenik dan dapat menyebabkan kanker paru-paru. Selain itu, logam
Cd juga dapat berpengaruh terhadap ginjal, hipertensi, dan kerapuhan tulang
(Sudarmaji et al. 2006). Logam Cd dapat masuk dan terakumulasi dalam tubuh
manusia melalui makanan, minuman, dan lingkungan air maupun udara. Oleh
karena itu, penting untuk mengurangi konsentrasi logam Cd yang terdapat di
lingkungan terutama lingkungan perairan. Pengurangan konsentrasi logam Cd
diantaranya dilakukan cara adsorpsi oleh suatu adsorben.
Karbon aktif merupakan salah satu adsorben yang banyak digunakan untuk
mengurangi logam berat dalam lingkungan air. Pertimbangan digunakannya
karbon aktif sebagai adsorben dikarenakan luas permukaannya yang tinggi,
struktur mikro pori, dan adanya gugus fungsi yang terdapat pada permukaan
adsorben. Struktur pori karbon aktif dapat dimodifikasi melalui fungsionalisasi
permukaan karbon aktif sehingga dapat dengan mudah mengadsorpsi ion logam
berat. Fungsionalisasi permukaan karbon aktif telah dilakukan oleh Jia dan
Thomas (2000) dengan cara oksidasi menggunakan asam nitrat dan Machida et al.
(2012) menggunakan larutan ammonium peroksidisulfat yang dapat meningkatkan
kapasitas adsorpsi karbon aktif. Modifikasi kimia atau biologi pada permukaan
karbon aktif juga telah diakui sebagai cara yang efektif untuk meningkatkan
kapasitas adsorpsi karbon aktif (Mahmoud et al. 2012). Beberapa peneliti yang
melakukan modifikasi kimia dan biologi, seperti Lu et al. (2014) melakukan
modifikasi permukaan karbon aktif menggunakan asam peroksida yang dapat
meningkatkan kapasitas adsorpsi logam Hg(II). Oleh karena itu, peningkatan
kapasitas adsorpsi dengan modifikasi adsorben karbon aktif sangat menarik untuk
dilakukan.
Nanomagnetit yang diimobilisasi pada karbon aktif dapat meningkatkan
luas permukaan karbon aktif sehingga kapasitas adsorpsinya juga meningkat.
Zach-Maor et al. (2012) dalam studinya memperoleh kapasitas adsorpsi karbon
aktif sebesar 68% sedangkan karbon aktif yang dimodifikasi nanomagnetit
menghasilkan kapasitas adsorpsi sebesar 91% untuk adsorpsi logam Cr(VI)
sementara kapasitas adsorpsi terhadap logam Cu(II) meningkat dari 32% menjadi
85% masing-masing oleh karbon aktif dan karbon aktif terimobilisasi
nanomagnetit. Namun, nanomagnetit dapat membentuk agregat dari sifat
magnetiknya (Lyles et al. 2004). Terbentuknya agregat menyebabkan proses
adsorpsi menjadi kurang efisien sehingga perlu dilakukan modifikasi permukaan
nanomagnetit.
Modifikasi permukaan nanomagnetit menggunakan ligan spesifik dapat
meningkatkan efisiensi adsorpsi logam berat. Salah satu ligan yang telah
dilaporkan pada ekstraksi logam berat adalah EDTA. Jang dan Lim (2010)
10
menyatakan bahwa nanomagnetit yang diimobilisasi EDTA berhasil diaplikasikan
pada ekstraksi ion logam Cu, Cd, Co, dan Pb. Namun, tidak dapat secara spesifik
terhadap salah satu logam karena persentase ekstraksi dari keempat logam
tersebut tidak berbeda secara signifikan. Kapasitas adsorpsi nanomagnetit yang
diimobilisasi dengan EDTA pada ekstraski ion logam Cd sekitar 0.32 µmol/g
(Jang dan Lim 2010). Sehingga perlu adanya pengembangan dan pemilihan ligan
lain untuk mengetahui selektivitas dari adsorben.
Senyawa pirazolon dan turunannya telah digunakan untuk ekstraksi logam
lantanida dan logam berat golongan transisi seperti La(III), Eu(III), Lu(III), Cu(II),
Ni(II), Zn(II), Cd(II), Hg(II), Pb(II), Mo(VI) (Bou-Maroun et al. 2006; Oliva et al.
2002; Hamzah et al. 2011; Ihesinachi et al. 2011). Gugus keto yang terdapat pada
senyawa pirazolon dapat membentuk kompleks dengan ion logam. Todorova et al.
(1993) memodifikasi silika gel dan kieselguhr dengan senyawa pirazolon (1-fenil3-metil-5pirazolon) menghasilkan kapasitas adsorpsi terbesar pada komposit
kieselguhr dengan pirazolon sebesar 0.71, 0.26, 0.58, dan 0,83 mmol/g untuk
masing-masing logam Cu(II), Mn(II), Cd(II), dan Pb(II). Adsorpsi logam berat
menggunakan karbon aktif dari aprikot dimodifikasi dengan pirazolon juga
dilakukan oleh Lakov et al. (1998) yang menghasilkan kapasitas adsorpsi terhadap
logam Cd sebesar 0.54 mmol/g.
Pada penelitian ini dilakukan modifikasi terhadap karbon aktif dengan
nanomagnetit dan senyawa pirazolon sehingga diharapkan komposit hasil sintesis
dapat mengadsorpsi ion logam Cd secara selektif dan kapasitas adsorpsi yang
dihasilkan juga besar.
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dikemukakan sebelumnya, maka
rumusan masalah dalam penelitian ini adalah untuk mengurangi kadar kadmium
yang terdapat dalam perairan yang melebihi ambang batas sehingga perlu
dikembangkan adsorben yang handal, daya adsorpsi tinggi dan spesifik. Karbon
aktif-nanomagnetit dan karbon aktif yang dimodifikasi ligan sebagai pengadsorpsi
logam berat telah dilaporkan, namun belum spesifik terhadap salah satu logam
berat. Oleh karena itu, penambahan ligan spesifik pirazolon pada komposit karbon
aktif-nanomagnetit diharapkan dapat menjerap ion kadmium secara selektif.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kapasitas, model isoterm dan
selektivitas adsorpsi komposit karbon aktif-nanomagnetit, karbon aktifnanomagnetit-pirazolon terhadap ion kadmium.
11
Manfaat Penelitian
Memperoleh data kinerja komposit karbon aktif-nanomagnetit dan karbon
aktif-nanomagnetit-pirazolon yang digunakan sebagai alternatif adsorben untuk
adsorpsi ion logam berat.
Ruang Lingkup Penelitian
Tahapan penelitian terdiri dari sintesis dan karakterisasi nanomagnetit,
komposit karbon aktif-nanomagnetit, komposit karbon aktif-nanomagnetitpirazolon, serta aplikasi sampel adsorben yang diperoleh sebagai penjerap logam
berat Cd(II) dengan metode batch. Aplikasi dari penelitian ini terdiri dari tiga
rangkaian percobaan yaitu penentuan kondisi optimum percobaan adsorpsi dengan
metode Respons Surface Methode (RSM) menggunakan model Central Composite
Design (CCD), percobaan isoterm adsorpsi, dan pengaruh ion logam asing (Cu
dan Pb). Tahapan penelitian dapat dilihat pada diagram alir penelitian pada
Lampiran 1.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Karbon Aktif
Karbon aktif secara luas digunakan sebagai adsorben karena karbon aktif
merupakan material yang unik yaitu berisi dengan rongga-rongga (kosong, pori,
spaces) yang berukuran molekul. Hal ini dapat dikatakan bahwa walaupun
densitas elektronnya nol, pori-porinya memliki gaya van der waals yang kuat dan
sangat mendukung pada proses adsorpsi. Pori-pori karbon aktif mempunyai
bentuk dan ukuran yang bervariasi dan tidak teratur. Ukuran pori karbon dibagi
kedalam tiga kategori yaitu mikropori < 2 nm, mesopori 2-50 nm, dan makropori
> 50 nm (Marsh 2006). Ukuran pori ini dapat menentukan bagaimana adsorpsi
terjadi sehingga dapat menangkap atau menjerap partikel-partikel sangat halus
(molekul). Semakin banyak zat-zat yang diadsorpsi maka pori-pori ini pada
akhirnya akan jenuh sehingga karbon aktif tidak akan berfungsi lagi.
Karbon aktif yang telah jenuh dapat direaktifasi kembali, meskipun
demikian tidak jarang yang disarankan untuk sekali pakai. Oleh karena itu, agar
karbon aktif mempunyai keterulangan yang tinggi, para peneliti memodifikasi
karbon aktif baik secara fisik atau kimia. Lu et al. (2014) melakukan modifikasi
karbon aktif secara fisik dan kimiawi yang menghasilkan distribusi ukuran dari
karbon aktif berubah setelah proses modifikasi. Karbon aktif yang telah
dimodifikasi mempunyai luas permukaan, volume mikropori dan mesopori yang
lebih tinggi dibandingkan karbon aktif yang belum dimodifikasi. Pada adsorpsi
gas atau uap, mikropori dan mesopori karbon digunakan untuk menghilangkan
molekul organik dari larutan. Sedangkan adsorpsi senyawa ionik dari larutan pada
12
karbon aktif biasanya didominasi oleh gugus fungsi permukaan (Jia dan Thomas
2000).
Gugus fungsi yang terdapat pada permukaan karbon aktif beraneka ragam.
Mahmoud et al. (2015) menyatakan bahwa permukaan karbon aktif terdapat
gugus karbonil, karboksil, dan karboksilat. Lu et al. (2014) juga mengindikasikan
bahwa gugus fungsi yang terdapat pada karbon aktif adalah gugus fungsi
karboksilat. Gugus karboksilat dapat terionisasi menjadi COO- dan H+. Merkuri
teradsorpsi melalui reaksi kompleksometri antara gugus karboksilat dan Hg2+.
Gugus karboksilat berperan penting dalam adsorpsi Hg2+ (Lu et al. 2014).
Nanomagnetit
Magnetit (Fe3O4) banyak ditemukan dialam yang terdapat didasar laut,
tanah, batu, meteorit, debu atmosfer, bakteri dan organisme hidup lainnya.
Magnetit juga biasanya dihasilkan dari korosi besi dan baja. Magnetit merupakan
salah satu fase dari besi oksida. Selain dapat ditemukan dialam, besi oksida dapat
disintesis dan sintesisnya secara intesif dikembangkan tidak hanya untuk
kepentingan ilmiah fundamental namun dapat juga diaplikasikan dalam berbagai
bidang. Baru-baru ini, penggunaan besi oksida berdasarkan nanomaterial dengan
sifat dan fungsinya secara luas dipelajari karena ukurannya yang kecil, luas
permukaan tinggi, dan sifat magnetik.
Oktahedral
Gambar 1 Struktur kristal magnetit (Roonasi 2007)
Struktur kristal pada Gambar 1 menunjukkan adanya molekul oksigen,
besi pada sisi tetrahedral dan oktahedral yang berperan pada sifat magnetik dan
warna magnetit. Nanomagnetit berwarna hitam karena intervalensi transfer
muatan antara Fe(II) dan Fe(III) dalam struktur kristal. Sifat magnetik dalam
magnetit juga berasal dari atom Fe(II) dan Fe(III) pada sisi tetra dan oktahedral.
Adsorpsi permukaan mineral merupakan fenomena yang sangat penting
pada hubungan proses teknikal dan lingkungan. Sebagai contoh, banyak proses
geokimia pada bumi seperti kerusakan karena iklim, disolusi, pengendapan dan
kristalisasi dapat dipengaruhi oleh adsorpsi mineral. Demikian juga pada industri,
adsorpsi merupakan faktor krusial pada proses katalisis dan korosi bijih besi.
Perubahan sifat ini didasarkan pada sistem partikel mineral oleh adsorpsi karena
perubahan atau modifikasi permukaan kimia mineral.
13
Potensi nanomagnetit secara ekstensif telah dikembangkan melalui teknik
sintesis yang diklasifikasikan dalam tiga kategori yaitu metode fisika, kimia, dan
biologi (Xu et al. 2014). Pada penelitian ini, sintesis nanomagnetit dilakukan
dengan metode kimia melalui proses hidrotermal. Kelebihan dari metode
hidrotermal yaitu bentuk dan ukuran partikel dapat dikontrol, kelemahannya
memerlukan suhu reaksi dan tekanan yang tinggi. Nanomagnetit umumnya tidak
stabil dan mudah teragregasi sehingga mempengaruhi kekuatan dispersi dalam
larutan karena energi permukaannya tinggi. Nanomagnetit (nanopartikel Fe3O4)
mudah teroksidasi menjadi nanopartikel Fe2O3 dengan adanya oksigen. Untuk
mengatasi berbagai kelemahan tersebut, telah dikembangkan berbagai metode
modifikasi permukaan nanomagnetit dengan menambahkan zat kimia atau biologi
selama atau setelah proses sintesis untuk meningkatkan dispersibilitas, stabilitas,
biokompatibilitas, dan biodegradabilitas untuk tujuan spesifik. Stabilitas,
dispersitas, dan biokompatibilitas nanomagnetit dapat meningkat dengan
modifikasi permukaan yang sesuai serta meminimalisir proses oksidasi dari
nanopartikel Fe3O4 menjadi nanopartikel Fe2O3 dapat diminimalisir (Xu et al.
2014).
Pirazolon (1-fenil-3-metil-5-pirazolon)
Pirazolon merupakan turunan dari senyawa pirazola yang beranggotakan
lima cincin laktam dan mempunyai tambahan gugus keto. Pada umumnya
pirazolon berada dalam bentuk keto. Namun senyawa pirazolon juga dapat berada
dalam bentuk menjadi enol. Senyawa pirazolon dapat berada dalam bentuk enol
karena senyawa ini mempunyai hidrogen α yang melekat pada karbon α. Kedua
bentuk ini disebut sebagai sepasang tautomer. Senyawa pirazolon didalam larutan
air dapat bersifat sebagai asam lemah karena struktur molekulnya dapat berubahubah dari struktur enol ke struktur keto sesuai dengan perubahan pH larutan
(Akama et al. 1996). Struktur dari senyawa 1-fenil-3-metil-5-pirazolon diberikan
pada Gambar 2.
C6H5
C6H5
H
O
O
N
N
N
N
CH3
CH3
Gambar 2 Struktur 1-fenil-3-metil-5-pirazolon
Senyawa pirazolon diketahui merupakan senyawa organik yang dapat
digunakan sebagai reagen dengan sifat kompleksasi terhadap logam. Menurut
Ekekwe et al. (2012), ikatan antara senyawa pirazolon dan ion logam
diformulasikan sebagai bentuk ikatan sigma melalui gugus karbonil dan hidroksil
dari bentuk keto-enol ligan.
14
Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi memberikan informasi yang paling penting tentang
distribusi molekul adsorbat antara fase cair dan fase padat. Isoterm adsorpsi
merupakan hubungan kesetimbangan antara potensial kimia adsorbat dalam gas
atau cairan dan potensial kimia adsorbat di permukaan adsorben pada suhu tetap.
Kesetimbangan adsorpsi biasanya digambarkan dengan persamaan isoterm yang
parameter-parameternya menunjukkan sifat permukaan dan afinitas dari adsorben.
Isoterm adsorpsi yang paling umum digunakan adalah isoterm adsorpsi Langmuir
dan Freundlich. Isoterm Langmuir didasarkan pada dua asumsi bahwa kekuatan
interaksi antara molekul teradsorpsi dapat diabaikan dan molekul menempati
sebuah situs yang tidak terjadi penyerapan lebih lanjut (Subramanyam dan Das
2009). Menurut Atkins dan Paula (2006), Isoterm adsorpsi Langmuir berdasarkan
pada asumsi sebagai berikut :
1. Adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal (monolayer)
2. Semua bagian dan permukaannya bersifat homogen
3. Tidak ada interaksi antara molekul yang teradsorpsi
Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis
dengan mengganggap terjadinya kesetimbangan antara molekul-molekul yang
diadsorpsi pada permukaan adsorben dengan molekul-molekul yang tidak
teradsorpsi. Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai
berikut.
�
=
+ �
Dengan :
qe = jumlah adsorbat yang teradsorpsi per unit bobot adsorben pada
kesetimbangan (mg/g)
qm = kapasitas adsorpsi maksimum (mg/g)
Ce = konsentrasi kesetimbangan adsorbat dalam larutan (mg/L)
b = konstanta yang berhubungan dengan energi bebas adsorpsi (L/mg)
Isoterm Freundlich mengasumsikan suatu permukaan adsorpsi yang
heterogen dan terdapat perbedaan energi pada tapak aktif (Koumanova dan PeevaAntova 2002). Model isoterm ini menganggap bahwa pada semua tapak aktif
permukaan adsorben akan terjadi proses adsorpsi di bawah kondisi yang diberikan.
Isoterm Freundlich tidak memperkirakan adanya tapak-tapak pada permukaan
yang mampu mencegah tercapainya adsorpsi pada kesetimbangan. Hanya ada
beberapa tapak aktif saja yang mampu mengadsorpsi molekul terlarut. Persamaan
isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan pada asumsi sebagai berikut :
1. Terbentuknya adsorpsi beberapa lapisan (multilayer) dari molekul-molekul
adsorbat pada adsorben
2. Bagian tapak aktif pada permukaan adsorben bersifat heterogen
3. Hanya melibatkan gaya Van Der Waals sehingga adsorbat dapat bergerak dari
satu bagian permukaan ke bagian permukaan lain dari adsorben
Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich dapat dituliskan sebagai berikut :
⁄
=
�
Dengan Kf = konstanta, yang menggambarkan kapasitas adsorpsi relatif dari
adsorben ((mg/g)(mg/l)n), n = konstanta yang menggambarkan intensitas adsorpsi.
15
Dalam persamaan Freundlich, nilai n dalam rentang 1-10 menggambarkan
adsorpsi yang baik (Fan et al. 2008).
Kurva persamaan garis lurus Langmuir dan Freundlich diperoleh dengan
memplot berturut-turut Ce/qe vs Ce dan log qe vs log Ce dan dari persamaan
isoterm tersebut dapat dicari kapasitas adsorpsi optimum adsorben terhadap
adsorbat. Persamaan Langmuir digunakan untuk memperoleh nilai RL atau faktor
pemisahan yang menggambarkan dimensi parameter kesetimbangan. Jika RL > 1
proses adsorpsi bersifat tidak baik (unfavorable) karena adsorpsi pada zat padat
relatif rendah; RL = 1 proses adsorpsi linear yang artinya jumlah adsorbat yang
teradsorpsi pada adsorben sebanding dengan konsentrasinya dalam fluida;
0 90
15
10
5
100
%
Adsorpsi
< 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
400
20
8
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, pH
%
Adsorpsi
< 40
40 – 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
waktu
5
300
bobot
25
5
4
200
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, bobot
Hold Values
bobot 500
Hold Values
waktu 5
c)
5
100
waktu
4
b)
Hold Values
pH 6
5
100
15
10
Hold Values
bobot 500
Hold Values
waktu 25
%
Adsorpsi
< 40
40 – 50
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
20
Hold Values
pH 4
200
300
bobot
400
500
Contour Plot of % Adsorpsi vs waktu, bobot
25
%
Adsorpsi
< 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
> 90
20
waktu
a)
25
%
Ads