Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat sebagai Adsorben Logam Cd(II)
ZEOLIT CIKALONG DAN LAMPUNG TERMODIFIKASI
ASAM FOSFAT SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cd(II)
NOPRIYANI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Zeolit Cikalong dan Lampung
Termodifikasi Asam Fosfat sebagai Adsorben Logam Cd(II) adalah karya saya
dengan arahan dari Komisi Pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa
pun kepada perguruan tinggi manapun. 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, Agustus 2011
Nopriyani
NRP G451090251
ABSTRACT
NOPRIYANI. Zeolit Cikalong and Lampung modified Phosphoric Acid as a
metal adsorbent Cd(II). Supervised by ETI ROHAETI and SRI SUGIARTI.
Direct utilization of natural zeolites can not be done because many contain a
mixture of (impurities) that it needs treatment first, one to increase the usability of
zeolite as an adsorbent is through an increase in its reactivity, which can be done
by modifying the surface with a suitable chemical solvent. This study aims to
determine the ability of phosporic acid-modified natural zeolite as an absorbent
solution of Cd (II) by comparing two different types of zeolite origin. Analysis of
samples is conducted by cation exchange capacity (CEC) test, surface area, and
characteristics with XRD, SEM-EDS. Tests conducted on the second adsorption
zeolite modified by varying the concentration of adsorbate, pH, weight of
adsorbent, contact time, and temperature using a shaker speed 150 rpm which was
analyzed by AAS. Adsorption of metal ions Cd (II) by two samples of zeolite
followed Langmuir isotherm model and tend to follow the pseudo second-order
kinetics, spontaneous, and exothermic.
Keywords: zeolite, phosphoric acid, analysis, characteristic, adsorption.
RINGKASAN
NOPRIYANI. Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat sebagai
Adsorben Logam Cd(II). Dibimbing oleh ETI ROHAETI dan SRI SUGIARTI.
Logam berat merupakan salah satu zat pencemar bagi manusia dan
lingkungan. Oleh karena itu sebagai suatu zat pencemar perlu suatu perlakuan
sebelum dibuang ke perairan, sehingga tidak mengakibatkan pengaruh buruk bagi
makhluk hidup dan lingkungan sekitarnya. Logam berat yang memiliki potensi
bahaya bagi manusia dan lingkungan diantaranya adalah Cd(II) selain Pb(II) dan
Hg(II). Cd(II) banyak dihasilkan dari industri-industri, diantaranya seperti
pelapisan logam, industri penambangan dan peleburan, pabrik cat dan zat warna,
dan sebagainya. Batas maksimal kandungan kadmium yang diperbolehkan di
perairan menurut Peraturan Pemerintah No. 82 tahun 2001 sebesar 0,01 ppm.
Menurut Keputusan Menteri Kesehatan RI No. 907 Tahun 2002 persyaratan
kesehatan air minum terhadap bahan kimia yang memiliki pengaruh langsung
pada kesehatan khususnya kadmium, kadar maksimum yang diperbolehkan adalah
0,003 mg/L.
Perlakuan terhadap zat pencemar berbahaya dapat dilakukan melalui proses
kimia, salah satunya adalah dengan proses adsorpsi, yaitu proses penjerapan suatu
zat oleh zat lainnya. Zat yang diserap disebut adsorbat dan yang menjerap disebut
adsorben. Adsorben yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit, karena
zeolit memiliki pori dan luas permukaan yang besar, memiliki ruang kosong yang
ditempati oleh kation, air, dan molekul lain sehingga memiliki kemampuan dalam
memisahkan spesi target melalui prinsip penukar ion, selain itu bahan baku zeolit
banyak terdapat di alam.
Pemanfaatan zeolit alam untuk penggunaan secara langsung belum dapat
dilakukan karena masih banyak mengandung pengotor (impurities) sehingga
perlu pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau memisahkan kotorankotorannya, untuk hasil optimal dan memiliki nilai guna yang lebih baik. Tujuan
penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan zeolit alam yang dimodifikasi
dengan asam fosfat dalam jerapannya terhadap logam Cd(II).
Sampel zeolit dalam penelitian ini yaitu menggunakan zeolit yang berasal
dari Cikalong, Jawa Barat (mordenit) dan zeolit Lampung (klinoptilolit). Sebelum
digunakan dalam uji adsorpsi terlebih dahulu dilakukan tahap-tahap preparasi,
aktivasi dan modifikasi. Dalam tahap tersebut sampel dianalisis kandungannya,
nilai kapasitas tukar kation (KTK), dan dikarakterisasi dengan XRD, SEM, yang
berguna untuk mengamati terjadinya perubahan struktur pada sampel.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa mulai dari tahap preparasi, aktivasi
maupun modifikasi terjadi perubahan, terbukti komposisi dari kandungan
beberapa unsur yang ada mengalami perubahan seperti naiknya kandungan unsur
Si dan Na dan adanya senyawa fosfor pada tahap modifikasi walaupun beberapa
kandungan unsur mengalami penurunan. Selain itu terjadi kenaikan nilai KTK
pada setiap tahap, dan hilangannya senyawa-senyawa pengotor yang ditunjukkan
oleh perubahan pada puncak spektrum XRD, namun tidak menimbulkan
kerusakan sampel yang ditandai dengan konsistensi pola spektrum XRD. Data
SEM menunjukkan perubahan morfologi lebih teratur dan seragam. Modifikasi
zeolit dengan asam fosfat berhasil dilakukan. Hal ini diketahui dari data EDS
bahwa zeolit termodifikasi mengandung fosfat sebesar 133,6 ppm untuk zeolit
Cikalong sedangkan zeolit Lampung mengandung 158,65 ppm fosfat. Modifikasi
ini juga meningkatkan nilai KTK.
Adsorpsi terhadap ion logam Cd(II) oleh zeolit Cikalong dan zeolit
Lampung mengikuti model isotermal Langmuir dan cenderung mengikuti kinetika
reaksi orde kedua semu, spontan, dan eksotermis.
Kata kunci: zat pencemar, zeolit, modifikasi, adsorpsi.
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2011
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh kaya 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
yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
dalam bentk apapun tanpa izin IPB.
ZEOLIT CIKALONG DAN LAMPUNG TERMODIFIKASI
ASAM FOSFAT SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cd(II)
NOPRIYANI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Charlena, M.Si
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tesis : Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat
sebagai Adsorben Logam Cd(II)
Nama
: Nopriyani
NRP
: G451090251
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Eti Rohaeti, MS
Ketua
Sri Sugiarti, Ph.D
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Kimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Dra. Purwantiningsih Sugita, MS.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 05 Agustus 2011
Tanggal Lulus: 12 Agustus 2011
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena dengan segala
rahmat dan hidayah-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan sesuai
dengan waktu yang direncanakan. Penelitian yang dilakukan sejak bulan Januari
2011 ini berjudul “Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat
sebagai Adsorben Logam Cd(II), semoga memiliki dan menambah nilai guna
dalam khasanah ilmu pengetahuan.
Ucapan terima kasih disampaikan kepada komisi pembimbing Dr. Eti
Rohaeti, MS dan Sri Sugiarti, Ph.D yang telah meluangkan waktunya dalam
membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. Disamping itu, penulis
mengucapkan terimakasih kepada Bapak Drs. Sulistiyoso, GMT dan Ibu Deswita
dari PTBIN BATAN Serpong, yang membantu dalam karekteristik sampel dengan
XRD maupun SEM, serta seluruh staf Laboratorium Kimia Analitik, Anorganik,
Kimia-Fisik dan Organik serta Laboratorium Bersama Departemen Kimia, yang
telah memberikan bantuan dalam penelitian penulis terutama dalam penggunaan
alat. Tak lupa pula terimakasih yang sebesar-besarnya kepada keluarga tercinta
Ibu, Bang Ikrom serta ananda Meyna Cahyani Syahda dan M. Radhiy Pasha,
yang memberikan semangat dan dorongan serta do’a nya kepada penulis dalam
menyelesaikan studi.
Semoga karya ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua, khususnya
pihak akademisi dan masyarakat umumnya, amin.
Bogor,
Agustus 2011
Nopriyani
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 3 April 1970 sebagai anak
kelima dari pasangan Ayahanda (Alm) Subli Yusuf dan Ibunda Hj. Aminah
Romaniah. Pendidikan Sarjana ditempuh di Program Studi Pendidikan MIPA/
Kimia Universitas Jambi, lulus pada tahun 1993.
Penulis dari tahun 1995 sampai sekarang menjadi PNS di lingkungan
Departemen Agama sebagai Guru Kimia pada Madrasah Aliyah di Propinsi
Jambi, dan pernah melanjutkan pendidikan di Magister Manajemen Pendidikan
Islam IAIN Sulthan Thaha Jambi pada tahun 2007, selesai pada bulan April 2009.
Pada tahun yang sama pula penulis berkesempatan diterima untuk melanjutkan
studi S2 pada Program Studi Kimia Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor
(IPB) melalui beasiswa BUD Dirjen Departemen Agama.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL .......................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................
xi
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
xii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ......................................................................................
Perumusan Masalah ..............................................................................
Tujuan Penelitian ..................................................................................
Manfaat Penelitian ................................................................................
Hipotesa Penelitian ................................................................................
1
3
4
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Kadmium ...............................................................................................
Struktur Kimia Zeolit ............................................................................
Sifat-Sifat Zeolit ...................................................................................
Sifat Adsorpsi Zeolit .............................................................................
Aktivasi Zeolit .......................................................................................
Isoterm Adsorpsi ...................................................................................
Kinetika Adsorpsi ..................................................................................
Parameter Termodinamika ....................................................................
5
5
8
9
10
11
12
13
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ................................................................................
Alat dan Bahan ......................................................................................
Metode Penelitian ..................................................................................
14
14
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Analisis Proses Preparasi, Aktivasi, dan Modifikasi ...................
Hasil Analisis Kandungan Unsur .........................................................
Hasil Analisis Karakteristik .................................................................
Optimasi Parameter Adsorpsi ..............................................................
Isotermal Adsorpsi ...............................................................................
Kinetika Adsorpsi ...............................................................................
Termodinamika Adsorpsi ....................................................................
18
20
22
26
29
32
35
KESIMPULAN ...........................................................................................
39
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
40
LAMPIRAN ................................................................................................
42
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Kapasitas Tukar Kation (KTK) ............................................................
20
2
Unsur-unsur yang terkandung pada karakterisasi sampel zeolit ..........
21
3
Parameter isotermal adsorpsi Langmuir dan Freundlich .....................
31
4
Kinetika adsorpsi Cd(II) .......................................................................
37
5
Termodinamika adsorpsi Cd(II) ...........................................................
38
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur kerangka zeolit mordenit dan klinoptilolit ..........................
6
2
Tertrahedral alumina dan silika pada zeolit .........................................
7
3
Unit bangun sekunder struktur zeolit ..................................................
8
4
Skema reaksi modifikasi zeolit PNa2 .................................................
19
5
Difraktogram XRD zeolit Cikalong ....................................................
22
6
Difraktogram XRD zeolit Lampung ...................................................
24
7
SEM zeolit Cikalong dan Lampung
..................................................
25
8
Kapasitas adsorpsi optimasi variasi konsentrasi ..................................
27
9
Kapasitas adsorpsi optimasi variasi pH ...............................................
27
10 Kapasitas adsorpsi optimasi waktu kontak .........................................
28
11 Kapasitas adsorpsi optimasi bobot adsorben ......................................
29
12 Isotermal adsorpsi Cd(II) oleh zeolit Cikalong dan Lampung ...........
29
13 Adsorpsi isotermal Langmuir .............................................................
30
14 Adsorpsi isotermal Freundlich .............................................................
31
15 Pengaruh waktu kontak pada adsorpsi Cd(II) .....................................
33
16 Plot kinetika orde pertama semu zeolit Cikalong ................................
33
17 Plot kinetika orde pertama semu zeolit Lampung ..............................
34
18 Plot kinetika orde kedua semu zeolit Cikalong ...................................
34
19 Plot kinetika orde kedua semu zeolit Lampung ..................................
35
20 Pengaruh suhu pada kinetika adsorpsi Cd(II) ....................................
36
21 Plot Van Hoff adsorpsi Cd(II) .............................................................
37
DAFTAR LAMPIRAN
1
Halaman
Diagram alir penelitian ......................................................................
42
2
Komposisi unsur zeolit Cikalong karakteristik EDS ...........................
43
3
Komposisi unsur zeolit Lampung karakteristik EDS ..........................
44
4
Kapasitas adsorpsi zeolit Lampung pada variasi konsentrasi ..............
45
5
Optimasi waktu kontak zeolit Cikalong .............................................
46
6
Optimasi waktu kontak zeolit Lampung ..............................................
47
7
Isotermal adsorpsi zeolit ......................................................................
48
8
Data hasil analisis isotermal Langmuir dan Freundlich ......................
49
9
Pesamaan regresi linier laju adsorpsi Cd(II) ........................................
50
10 Perbandingan konstanta laju orde pertama dan orde kedua ................
51
11 Kinetika orde kedua .............................................................................
52
12 Analisis pengaruh suhu dan perhitungan parameter termodinamika ...
53
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pencemaran lingkungan salah satunya dapat disebabkan oleh adanya logam
berat dalam jumlah diatas ambang batas. Logam berat merupakan salah satu
pencemar yang sangat berbahaya bagi manusia dan lingkungan, sehingga perlu
adanya perlakuan terhadap limbah sebelum dibuang ke perairan.
Cd (Kadmium) merupakan logam berat dengan potensi bahaya terbesar
bagi manusia dan lingkungan, selain Pb(Timbal) dan Hg(Raksa). Berdasarkan
persyaratan kesehatan air minum terhadap bahan kimia yang memiliki pengaruh
langsung pada kesehatan yang diatur oleh Keputusan Menteri Kesehatan RI tahun
2002, kadar maksimum yang diperbolehkan untuk kadmium adalah 0,003 mg/L.
Di antara beberapa metode yang tersedia untuk pengolahan limbah logam
berat, penyerapan oleh pertukaran ion merupakan aplikasi yang relatif sederhana,
murah dan aman, karena hanya membutuhkan kondisi operasi ringan, pertukaran
ion antara fase cair dan padat berpori, baik sintetis maupun alami (Panneerselvam
et al. 2008). Menurut Malekpour et al. (2009) zeolit alam digunakan secara
intensif karena kemampuannya dalam memisahkan spesi target melalui prinsip
penukar ion. Penggunaan zeolit alam sebagai adsorben dikarenakan metodenya
yang sederhana, bahan baku yang banyak terdapat di alam, kemampuan
adsorpsinya yang cukup baik sehingga dapat mengontrol polusi dan pencemaran
logam berat.
Di Indonesia, zeolit alam ditemukan melimpah dan tersebar di beberapa
daerah di pulau Jawa dan Sumatera. Dalam dasawarsa ini zeolit oleh para peneliti
dijadikan sebagai mineral serbaguna. Sifat-sifat unik tersebut meliputi dehidrasi,
adsorben dan penyaring molekul, katalisator, dan penukar ion.
Pemanfaatan zeolit alam Indonesia untuk penggunaan secara langsung
belum dapat dilakukan, karena zeolit Indonesia masih berupa campuran sehingga
perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau
memisahkan kotoran-kotorannya. Upaya-upaya penelitian dan pengembangan
berwawasan lingkungan terhadap sumber daya mineral tersebut perlu terus
dilakukan sehingga dapat memberikan hasil yang nyata secara ekonomi (Pusat
Penelitian & Pengembangan Teknologi Mineral 1994).
Adsorben yang digunakan dalam proses adsorpsi harus memenuhi kriteria
yang dibutuhkan, di antaranya mempunyai daya serap yang besar terhadap
larutan, zat padat yang mempunyai luas permukaan yang besar, tidak larut dalam
zat cair yang akan diadsorpsi, tidak beracun dan mudah didapat serta, memiliki
harga yang relatif murah. Karbon aktif, mineral lempung, zeolit, biomaterial, dan
beberapa limbah padat industri telah banyak digunakan sebagai adsorben untuk
adsorpsi ion dan nonionik dalam pengolahan air limbah (Wang & Peng 2010).
Aktivasi merupakan proses untuk menaikkan kapasitas adsorpsi sehingga
diperoleh sifat yang diinginkan sesuai dengan penggunaannya. Aktivasi secara
kimia dapat dilakukan dengan penambahan larutan asam ataupun basa. Pada
umumnya asam yang digunakan adalah asam sulfat dan asam klorida, sedangkan
basa yang digunakan adalah NaOH. Berbagai penelitian terhadap zeolit banyak
dilakukan dalam modifikasinya yaitu dengan mengubah atau mempertukarkan
ion yang dapat dipertukarkan, mengubah rasio perbandingan Si/Al, dealuminasi
(penghilangan Al) melalui perlakuan asam mineral, dan sebagainya dengan tujuan
meningkatkan mutu zeolit.
Panuccio et al. (2009) melakukan percobaan untuk aktivitas ion, pH, dan
waktu kontak pada serapan kadmium dalam tiga mineral berbeda antara lain
vermiculite, zeolit, dan batu apung. Dari parameter Langmuir dan Freundlich
yang diperoleh, disimpulkan bahwa tingkat penyerapan kadmium mengikuti deret
vermiculit>zeolit>batu apung. Hamidpour et al. (2010) membandingkan
penyerapan Pb (II) dan Cd (II) oleh zeolit, dan menemukan bahwa zeolit lebih
efektif dibandingkan bentonit sehingga dapat digunakan sebagai penyerap air dan
pengolahan limbah.
Salah satu cara untuk meningkatkan kapasitas adsorpsi dengan zeolit adalah
dengan cara modifikasi. Kerja zeolit hasil modifikasi terhadap penjerapan
kadmium ditentukan oleh berbagai faktor, seperti karakteristik zeolit yang
digunakan dan perubahan sifat akibat hasil modifikasi tersebut. Berbagai
parameter yang mempengaruhi proses penjerapan kadmium adalah waktu kontak,
konsentrasi, dan pH. Panneerselvam et al. (2008) memodifikasi zeolit-y dengan
asam fosfat, hasil analisa ternyata tidak mengubah struktur, dan pengujian
terhadap penyerapan ion Cu2+ dari larutan air menunjukkan kapasitas yang tinggi,
dua kali lipat dibandingkan keadaan zeolit sebelum termodifikasi.
Gupta & Bhattacharyya (2008) menyelidiki imobilisasi Pb(II), Cd(II) dan
Ni(II) pada lempung (kaolinit dan montmorilonit) dalam medium air melalui
proses adsorpsi dalam berbagai variabel adsorpsi, kinetika, dan termodinamika
yang diantaranya menunjukkan bahwa adsorpsi Cd(II) menunjukkan peningkatan
bertahap pada pH 1,0-10,0 dengan tidak ada indikasi pengendapan Cd(II)hidroksida. Termodinamika proses imobilisasi bersifat eksotermik pada Pb(II) dan
Ni(II), tetapi endotermik untuk Cd(II). Interaksi dengan Pb(II) dan Ni(II) disertai
dengan penurunan entropi dan energi Gibbs, sedangkan imobilisasi endotermik
pada Cd(II) didukung oleh peningkatan entropi dan penurunan berarti dalam
energi Gibbs.
Berdasarkan beberapa hasil penelitian selain pada zeolit alam, zeolit sintetis
termodifikasi asam sulfat juga telah memberikan pengaruh yang berarti pada
sifatnya sebagai adsorben. Kadmium merupakan salah satu adsorbat yang dalam
proses kinetika dan termodinamika adsorpsinya oleh zeolit sintetik memberikan
hasil yang berbeda bila dibandingkan dengan Ni(II) dan Pb(II) (Gupta &
Bhattacharyya 2008).
Peranan zeolit sebagai salah satu penjerap senyawa organik sampai saat ini
masih terus dilakukan, sehingga pengubahan terhadap struktur zeolit perlu
dilakukan untuk memperoleh hasil guna yang lebih baik dari zeolit asal.
Penelitian ini mengamati pengaruh modifikasi zeolit alam dengan menggunakan
asam fosfat terhadap penjerapan kadmium. Proses penjerapan dilakukan dengan
menggunakan sampel zeolit yang berasal dari Lampung (klinoptilolit) dan
Cikalong, Tasikmalaya (mordenit) yang dimodifikasi dengan asam fosfat sebagai
adsorben terhadap kadmium.
Perumusan Masalah
Salah satu cara untuk meningkatkan daya guna zeolit alam sebagai adsorben
adalah melalui peningkatan kereaktifannya, yang dapat dilakukan dengan
pemanasan dan aktivasi permukaan zeolit dengan pelarut kimia yang sesuai, yaitu
menggunakan larutan HCl 4 M serta memodifikasinya dengan asam fosfat.
Zeolit hasil modifikasi menggunakan asam fosfat selanjutnya diamati
kapasitas adsorpsinya terhadap ion logam Cd(II). Penerapan berbagai variabel
adsorpsi memberikan informasi mengenai potensi dua sumber zeolit alam yang
berbeda, yaitu jenis mordenit dan klinoptilolit, sebagai adsorben terhadap ion
logam Cd(II).
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui kemampuan zeolit alam yang
berasal dari Cikalong dan Lampung oleh modifikasi asam fosfat dalam
adsorpsinya sebagai penjerap ion logam kadmium.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah mengenai
peran zeolit alam yang dimodifikasi asam fosfat sebagai penjerap Cd(II).
Hipotesa Penelitian
Zeolit alam jenis klinoptilolit (Lampung) maupun jenis mordenit (Cikalong,
Tasikmalaya) dapat dimodifikasi dengan asam fosfat dan memiliki sifat tukar
kation yang tinggi dan berpotensi dalam menjerap Cd (II) yang dipengaruhi oleh
variabel adsorpsi, kinetika, dan termodinamika.
TINJAUAN PUSTAKA
Kadmium (Cd)
Unsur kadmium dengan nomor atom 48, bobot atom 112,4 g/mol, dan
densitas 8.65 g/cm3 merupakan salah satu jenis logam berat yang berbahaya,
karena dalam jangka waktu panjang dapat terakumulasi pada tubuh manusia
khususnya pada hati dan ginjal. Kadmium yang terdapat dalam tubuh manusia
sebagian besar diperoleh melalui makanan dan tembakau, hanya sejumlah kecil
berasal dari air minum dan pencemaran udara. Pada konsentrasi rendah kadmium
dapat memberikan efek terhadap gangguan paru-paru, emphysema, dan penyakit
renal tubular yang kronis (Suhendrayatna 2001).
Kadmium dalam perairan terion dari garamnya dalam bentuk Cd2+. Sumber
kadmium dalam lingkungan berasal dari pelapisan logam, industri penambangan
dan peleburan, pabrik baterai kadmium-nikel, pupuk fosfat, pabrik cat dan zat
warna, serta industri alloy (Gupta & Bhattacharyya, 2008). Ion kadmium
mempunyai sedikit kecenderungan terhidrolisis pada pH di bawah 8, tetapi di atas
pH 11 seluruh kadmium berada sebagai komplek hidrokso. Dalam air segar pada
pH 6-8 dominan sebagai Cd(II), CdOH+, Cd(OH)2, Cd(OH)3-, Cd(OH)42- yang
tergantung pada pH larutan. Kompleks kloro CdCl+, CdCl2, dan CdCl3- lebih
dominan pada air laut, sementara Cd(II) berada dalam jumlah yang sangat kecil.
Kadmium karbonat dapat digunakan sebagai kontrol kelarutan (Mohan et al.
2006)
Jumlah normal kadmium di tanah berada di bawah 1 ppm, tetapi angka
tertinggi 1700 ppm dijumpai pada sampel tanah yang diambil di dekat
pertambangan bijih seng. Kadmium lebih mudah diakumulasi oleh tanaman
dibandingkan dengan ion logam berat lain seperti timbal (Barchan et al. 1998).
Stuktur Kimia Zeolit
Menurut proses pembentukannya, zeolit alam terbentuk selama ribuan tahun
karena adanya proses perubahan alam dan batuan dalam bentuk sedimen yang
terjadi karena pencampuran debu-debu vulkanis dengan air hujan, air tanah, atau
air laut, sedangkan zeolit sintesik direkayasa oleh manusia secara proses kimia
atau di laboratorium.
Zeolit Indonesia umumnya mengandung jenis mordenit, dan klinoptilolit,
serta kadang-kadang gabungan jenis keduanya (Suyartono 1991). Umumnya
zeolit tersusun oleh satuan unit pembangun primer yang merupakan satuan unit
terkecil tetrahedral SiO4 dan AlO4. Dalam struktur zeolit, atom Si dan O tidak
memiliki muatan, sedangkan atom Al bermuatan negatif sehingga struktur rantai
aluminosilikat akan dinetralkan oleh kation (contoh Na , Ca dan K ).
Zeolit merupakan kristalin dari aluminosilikat alkali atau alkali tanah
terhidrasi, yang memiliki struktur kerangka tiga dimensi terbuka yang dibangun
oleh tetrahedral-tetrahedral SiO44- dan AlO45- dengan atom O sebagai penghubung
antara atom Si dengan atom Al membentuk rongga-rongga dan saluran-saluran
yang teratur. Dibawah ini ditunjukkan gambar struktur dan rumus dari jenis zeolit
mordenit dan klinoptilolit (Gambar 1).
Struktur kristal modernit
Na8[Al8Si40O96]24 H2O
Struktur kristal klinoptilolit
Na6[Al6Si30O72]24 H2O
Gambar 1 Struktur kerangka zeolit mordenit dan klinoptilolit
(http://www.iza-online.org/natural/index.htm 2010)
Molekul air yang terdapat dalam rongga struktur zeolit dapat dikeluarkan
dari kerangka struktur zeolit, dengan keluarnya air maka anion atau molekul yang
mempunyai ukuran lebih kecil dari ukuran rongga-rongga tersebut dapat masuk
dan terjebak didalamnya. Adanya gaya tarik yang lemah memungkinkan anion
atau molekul tersebut dapat tertahan di dalam rongga.
Formula umum penyusun zeolit adalah (Mx+, My2+)(Al(x+2y) Sin-(x+2y) O2n).
mH2O, dengan simbol M+ dan M2+ yaitu berturut-turut kation monovalen atau
divalen. Kation yang terdapat dalam tanda kurung pertama adalah kation yang
dapat tukar (exchangeable cations), sedangkan yang kedua adalah kation
struktural (penyusun dasar) karena bersama-sama dengan atom O menyusun
zeolit, sementara m adalah jumlah mol air.
Unit-unit pembentuk struktur mineral zeolit secara garis besar digolongkan
ke dalam dua bagian utama yaitu (a) unit pembangun primer (primary building
unit), yaitu SiO44- dan AlO45- yang berbentuk tetrahedral, dan (b) unit pembangun
sekunder (secondary building unit/ SBU), yaitu gabungan dari pembentuk primer
yang dapat membentuk cincin. Beberapa cincin ini akan bergabung saling
menghubungkan diri membentuk bangunan polihedral seperti ditunjukkan oleh
Gambar 2 dan 3. Struktur zeolit membentuk rongga diantara ion-ion yang terikat
satu dengan yang lainnya yang terisi oleh molekul air. Jika molekul air
didehidrasi, maka rongga dapat terisi oleh molekul yang ukurannya lebih kecil
dari rongga tersebut, peristiwa ini disebut adsorpsi.
Si
O
Al
Gambar 2 Tetrahedral alumina dan silika (TO4) pada struktur zeolit (Las 2005).
Mineral zeolit bukan mineral tunggal, melainkan sekelompok mineral yang
terdiri dari beberapa spesies, antara lain analsit, klinoptilolit, kabalsit, mordenit,
natrolit dan sebagainya. Spesies berbeda satu sama lain dengan adanya variasi
dalam perbandingan jumlah Si dan Al. Selain itu jenis dan jumlah kation dalam
tiap spesies berbeda. Kabasit kaya akan Ca, klinoptilolit kaya akan Na atau K,
mordenit kaya akan Ca dan Na dan seterusnya.
Gambar 3 Unit banggun sekundeer struktur zeolit:
z
Singgle-4-Ring (S4R), Doub
ble-4Ring (D4R
R), dan Com
mplex 4-1 (T
T5O10) (Lass 2005)
Sifat-Siifat Zeolit
Sifat Perttukaran Ion
n dari Zeollit
Keemampuan pertukaran ion zeolit merupakan salah satu parameter yang
dapat diguunakan dallam menenntukan kuallitas zeolit yang diguunakan, biassanya
dinyatakann sebagai KTK
K
(kemam
mpuan tukaar kation). KTK
K
adalahh jumlah meeq ion
logam yaang dapat diserap maksimum
m oleh 1 g zeolit dalam ko
ondisi
kesetimbaangan. Nilaii KTK zeoliit ini banyak
k tergantungg pada jumllah ion Al dalam
d
struktur zeeolit.
Zeeolit sebagai penukar ioon karena adanya
a
katioon-kation loogam alkalii atau
alkali tanaah di luar susunan keerangka zeo
olit yang dapat
d
diperttukarkan deengan
kation lainn dengan juumlah muattan yang saama. Permukkaan yang luas dan muatan
m
negatif zeolit dapat berguna
b
unttuk media penukar
p
kattion. Ion yaang dapat diitukar
seperti Li ,
, Na , Pb , Zn , Ba , Cu
u , Fe , Co
C , dan Cr
.
muatan neegatif
Baanyaknya kation
k
yangg dibutuhkaan untuk menetralkan
m
sebandingg banyaknyaa atom Al yang terdapaat dalam kerrangka zeollit. Kation-k
kation
ini dalam struktur rongga zeolitt tidak terik
kat pada possisi yang teetap, tetapi dapat
bergerak bebas
b
dalam
m rongga zeeolit dan berrtindak sebaagai penukaar ion yang dapat
dipertukarrkan dengaan kation lainnya, sifat
s
tersebbut memunngkinkan zeolit
berfungsi sebagai pennukar ion (S
Sastiono 199
93).
Beeberapa fakktor yang memengaru
m
uhi pertukarran ion yaaitu muatan
n ion,
konsentrassi dan suhuu. Semakin besar muatan suatu ion, semakin besar pula gaya
tarik guguus fungsi muuatan yang berlawanan
n pada perm
mukaan ion. Konsentrasi ion
juga berperan dalam proses pertukaran ion. Semakin besar konsentrasinya
semakin besar pula kemungkinan tejadinya pertukaran ion, demikian pula halnya
dengan temperatur, semakin tinggi temperatur, maka tumbukan antar ion semakin
besar sehingga proses pertukaran ion akan lebih mudah terjadi. Kapasitas
pertukaran kation tergantung kepada ukuran, muatan ion, dan jenis zeolit
Sifat Adsorpsi dari Zeolit
Adsorpsi adalah proses penjerapan suatu zat oleh zat lainnya yang hanya
terjadi pada permukaan. Zat yang diserap disebut fase terjerap (adsorbat) dan zat
yang menjerap disebut adsorben. Adsorben pada umumya adalah zat padat yang
berongga, contohnya adalah zeolit. Pada umumya untuk dapat mengadsorpsi,
zeolit harus didehidrasi terlebih dahulu dengan pemanasan.
Adsorpsi yang terjadi pada permukaan padatan atau cairan dapat melibatkan
satu atau banyak lapisan molekul. Hal ini tergantung pada permukaan serta jenis
gaya yang terlibat. Selain itu adsorpsi tergantung pada luas permukaan. Semakin
besar luas permukaan maka adsorpsi juga semakin besar. Adsorben yang baik
adalah padatan yang sangat porous dan butiran yang sangat halus. Banyaknya zat
yang teradsorpsi sebagian besar tergantung pada zat padatnya dan molekul yang
teradsopsi (Husaini 2003).
Beberapa mekanisme yang terlibat dalam proses adsorpsi terutama adalah
adsorpsi fisik atau gaya Vander Waals, adsorpsi kimia atau daya tarik
elektrostatik, ikatan hidrogen dan kompleks koordinasi. Sedangkan faktor-faktor
yang memengaruhi proses adsorpsi antara lain luas permukaan, ukuran partikel,
dan komposisi kimia. Adapun sifat adsorbat antara lain ukuran molekul dan
komposisi kimia serta konsentrasi adsorbat dalam fase cairan. Semakin kecil
ukuran partikel, maka semakin besar luas permukaan padatan persatuan volume
tertentu, sehingga semakin banyak zat yang diadsorpsi (Atkins 1995).
Penjerapan adalah proses ikatan suatu molekul atau unsur pada permukaan
unsur lain. Penggunaan zeolit sebagai bahan penjerap karena (1) zeolit bersifat
selektif dan mempunyai kapasitas tukar kation cukup tinggi, (2) zeolit dapat
memisahkan molekul-molekul berdasarkan ukuran dan bentuk struktur kristal
zeolit.
Penjerapan adsorben sangat dipengaruhi oleh luas permukaan, sehingga
adsorben harus mempunyai pori yang maksimum. Penyediaan reaktan pada
permukaan adsorben dipengaruhi oleh kecepatan difusi reaktan tersebut kedalam
pori. Jika beberapa molekul memasuki sistem pori zeolit, salah satu molekul
tersebut akan tertahan yang berdasarkan pada kepolaran atau efek interaksi
molekul tersebut dengan zeolit.
Aktivasi Zeolit
Aktivasi merupakan proses untuk menaikkan kapasitas adsorpsi sehingga
diperoleh sifat yang diinginkan sesuai dengan penggunaannya. Tujuan aktivasi
zeolit adalah untuk menghasilkan luas permukaan yang lebih luas melalui
pembentukan struktur berpori dan juga untuk menghilangkan senyawa-senyawa
pengotor. Aktivasi zeolit dilakukan dengan pemanasan, penambahan asam, dan
penambahan basa. Pada penelitian ini dilakukan aktivasi dengan penambahan
asam dan pemanasan. Pada umumnya asam yang digunakan adalah asam sulfat
dan asam klorida, sedangkan basa yang digunakan adalah NaOH.
Proses aktivasi dilakukan melalui dua cara antara lain proses fisis dilakukan
dengan pemanasan pada suhu 300⁰-375⁰C selama 3-4 jam (Suwardi, 2000)
Pemberian larutan HCl pada dasarnya dapat meningkatkan KTK zeolit, akan
tetapi jumlah senyawa pengotor yang berbeda memberikan hasil peningkatan
yang berbeda pula. Ini menunjukkan bahwa zeolit yang berasal dari lokasi
berbeda memiliki respon yang berbeda terhadap perlakuan asam. (Sastiono 1993).
Peningkatan KTK zeolit hasil pemanasan lebih rendah daripada hasil pengasaman
atau penambahan basa, karena pada pemanasan hanya molekul-molekul air dalam
rongga yang dapat dihilangkan.
KTK zeolit meningkat pada pemberian asam HCl atau basa NaOH pada
normalitas yang rendah. Menurut Ozkan & Ulku (2005), konsentrasi dan suhu
larutan HCl pada aktivasi tidak efektif dan kecil sekali pengaruhnya dalam
penghapusan kation monovalen, seperti Na dan K, namun peningkatan suhu dan
konsentrasi dapat menyebabkan peningkatan dalam penghapusan kation univalen
seperti Mg, Fe, dan Ca. Dengan menggunakan konsentrasi HCl 5 M, dealuminasi
dapat meningkat dibandingkan dengan menggunakan konsentrasi yang lebih
rendah, tetapi justru sebaliknya dengan meningkatnya konsentrasi HCl akan
mengakibatkan kenaikan persentase SiO2.
Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi merupakan hubungan yang menunjukkan distribusi fasa
teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada
temperatur tertentu. Isoterm yang umum digunakan antara lain isoterm Langmuir
dan Freundlich. Isoterm Langmuir dipelajari untuk menggambarkan pembatasan
sisi aktif adsorpsi dengan asumsi bahwa sisi aktif adsorben bersifat homogen dan
memiliki energi yang sama dalam mengadsorbsi adsorbat. Isoterm adsorpsi
Langmuir didasarkan atas asumsi, (1) adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal
(monolayer), (2) panas adsorpsi tidak tergantung pada penutupan permukaan, (3)
semua bagian dan permukaannya bersifat homogen, dan (4) sejumlah tertentu
tapak aktif adsorben membentuk ikatan kovalen atau ion. Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis dengan menganggap terjadinya
kesetimbangan antara molekul-molekul yang diadsorpsi pada permukaan
adsorben dengan molekul-molekul yang tidak teradsorpsi. Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut:
=
(1)
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).
Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan pada asumsi, (1)
terbentuknya adsorpsi beberapa lapisan (multilayer) dari molekul-molekul
adsorbat pada adsorben, (2) bagian tapak aktif pada permukaan adsorben bersifat
heterogen, dan (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:
=
(2)
dengan KF = konstanta, yang menggambarkan kapasitas adsorpsi relatif dari
adsorben ((mgg-1)(mgl-1)n), n= konstanta yang menggambarkan intensitas
adsorpsi.
Gambar persamaan linear Langmuir dan Freundlich diperoleh dengan
memplot berturut-turut Ce/qe vs Ce dan log qe vs log Ce, dan dengan persamaan
tersebut koefisien dapat dicari.
Persamaan Langmuir juga digunakan untuk memperoleh nilai RL, yang
menggambarkan dimensi parameter kesetimbangan atau faktor pemisahan dengan
persamaan (Ghassabzadeh et al. 2010)
=
berdasarkan
(3)
nilai
R,
bentuk
isoterm
dapat
ditafsirkan
sebagai
R>1
menggambarkan adsorpsi yang kurang baik, R = 1 adsorpsi linear, 0
ASAM FOSFAT SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cd(II)
NOPRIYANI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Zeolit Cikalong dan Lampung
Termodifikasi Asam Fosfat sebagai Adsorben Logam Cd(II) adalah karya saya
dengan arahan dari Komisi Pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa
pun kepada perguruan tinggi manapun. 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, Agustus 2011
Nopriyani
NRP G451090251
ABSTRACT
NOPRIYANI. Zeolit Cikalong and Lampung modified Phosphoric Acid as a
metal adsorbent Cd(II). Supervised by ETI ROHAETI and SRI SUGIARTI.
Direct utilization of natural zeolites can not be done because many contain a
mixture of (impurities) that it needs treatment first, one to increase the usability of
zeolite as an adsorbent is through an increase in its reactivity, which can be done
by modifying the surface with a suitable chemical solvent. This study aims to
determine the ability of phosporic acid-modified natural zeolite as an absorbent
solution of Cd (II) by comparing two different types of zeolite origin. Analysis of
samples is conducted by cation exchange capacity (CEC) test, surface area, and
characteristics with XRD, SEM-EDS. Tests conducted on the second adsorption
zeolite modified by varying the concentration of adsorbate, pH, weight of
adsorbent, contact time, and temperature using a shaker speed 150 rpm which was
analyzed by AAS. Adsorption of metal ions Cd (II) by two samples of zeolite
followed Langmuir isotherm model and tend to follow the pseudo second-order
kinetics, spontaneous, and exothermic.
Keywords: zeolite, phosphoric acid, analysis, characteristic, adsorption.
RINGKASAN
NOPRIYANI. Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat sebagai
Adsorben Logam Cd(II). Dibimbing oleh ETI ROHAETI dan SRI SUGIARTI.
Logam berat merupakan salah satu zat pencemar bagi manusia dan
lingkungan. Oleh karena itu sebagai suatu zat pencemar perlu suatu perlakuan
sebelum dibuang ke perairan, sehingga tidak mengakibatkan pengaruh buruk bagi
makhluk hidup dan lingkungan sekitarnya. Logam berat yang memiliki potensi
bahaya bagi manusia dan lingkungan diantaranya adalah Cd(II) selain Pb(II) dan
Hg(II). Cd(II) banyak dihasilkan dari industri-industri, diantaranya seperti
pelapisan logam, industri penambangan dan peleburan, pabrik cat dan zat warna,
dan sebagainya. Batas maksimal kandungan kadmium yang diperbolehkan di
perairan menurut Peraturan Pemerintah No. 82 tahun 2001 sebesar 0,01 ppm.
Menurut Keputusan Menteri Kesehatan RI No. 907 Tahun 2002 persyaratan
kesehatan air minum terhadap bahan kimia yang memiliki pengaruh langsung
pada kesehatan khususnya kadmium, kadar maksimum yang diperbolehkan adalah
0,003 mg/L.
Perlakuan terhadap zat pencemar berbahaya dapat dilakukan melalui proses
kimia, salah satunya adalah dengan proses adsorpsi, yaitu proses penjerapan suatu
zat oleh zat lainnya. Zat yang diserap disebut adsorbat dan yang menjerap disebut
adsorben. Adsorben yang digunakan dalam penelitian ini adalah zeolit, karena
zeolit memiliki pori dan luas permukaan yang besar, memiliki ruang kosong yang
ditempati oleh kation, air, dan molekul lain sehingga memiliki kemampuan dalam
memisahkan spesi target melalui prinsip penukar ion, selain itu bahan baku zeolit
banyak terdapat di alam.
Pemanfaatan zeolit alam untuk penggunaan secara langsung belum dapat
dilakukan karena masih banyak mengandung pengotor (impurities) sehingga
perlu pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau memisahkan kotorankotorannya, untuk hasil optimal dan memiliki nilai guna yang lebih baik. Tujuan
penelitian ini adalah untuk mengetahui kemampuan zeolit alam yang dimodifikasi
dengan asam fosfat dalam jerapannya terhadap logam Cd(II).
Sampel zeolit dalam penelitian ini yaitu menggunakan zeolit yang berasal
dari Cikalong, Jawa Barat (mordenit) dan zeolit Lampung (klinoptilolit). Sebelum
digunakan dalam uji adsorpsi terlebih dahulu dilakukan tahap-tahap preparasi,
aktivasi dan modifikasi. Dalam tahap tersebut sampel dianalisis kandungannya,
nilai kapasitas tukar kation (KTK), dan dikarakterisasi dengan XRD, SEM, yang
berguna untuk mengamati terjadinya perubahan struktur pada sampel.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa mulai dari tahap preparasi, aktivasi
maupun modifikasi terjadi perubahan, terbukti komposisi dari kandungan
beberapa unsur yang ada mengalami perubahan seperti naiknya kandungan unsur
Si dan Na dan adanya senyawa fosfor pada tahap modifikasi walaupun beberapa
kandungan unsur mengalami penurunan. Selain itu terjadi kenaikan nilai KTK
pada setiap tahap, dan hilangannya senyawa-senyawa pengotor yang ditunjukkan
oleh perubahan pada puncak spektrum XRD, namun tidak menimbulkan
kerusakan sampel yang ditandai dengan konsistensi pola spektrum XRD. Data
SEM menunjukkan perubahan morfologi lebih teratur dan seragam. Modifikasi
zeolit dengan asam fosfat berhasil dilakukan. Hal ini diketahui dari data EDS
bahwa zeolit termodifikasi mengandung fosfat sebesar 133,6 ppm untuk zeolit
Cikalong sedangkan zeolit Lampung mengandung 158,65 ppm fosfat. Modifikasi
ini juga meningkatkan nilai KTK.
Adsorpsi terhadap ion logam Cd(II) oleh zeolit Cikalong dan zeolit
Lampung mengikuti model isotermal Langmuir dan cenderung mengikuti kinetika
reaksi orde kedua semu, spontan, dan eksotermis.
Kata kunci: zat pencemar, zeolit, modifikasi, adsorpsi.
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2011
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh kaya 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
yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis
dalam bentk apapun tanpa izin IPB.
ZEOLIT CIKALONG DAN LAMPUNG TERMODIFIKASI
ASAM FOSFAT SEBAGAI ADSORBEN LOGAM Cd(II)
NOPRIYANI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Charlena, M.Si
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tesis : Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat
sebagai Adsorben Logam Cd(II)
Nama
: Nopriyani
NRP
: G451090251
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Eti Rohaeti, MS
Ketua
Sri Sugiarti, Ph.D
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Kimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Dra. Purwantiningsih Sugita, MS.
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Ujian: 05 Agustus 2011
Tanggal Lulus: 12 Agustus 2011
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, karena dengan segala
rahmat dan hidayah-Nya sehingga karya ilmiah ini dapat diselesaikan sesuai
dengan waktu yang direncanakan. Penelitian yang dilakukan sejak bulan Januari
2011 ini berjudul “Zeolit Cikalong dan Lampung Termodifikasi Asam Fosfat
sebagai Adsorben Logam Cd(II), semoga memiliki dan menambah nilai guna
dalam khasanah ilmu pengetahuan.
Ucapan terima kasih disampaikan kepada komisi pembimbing Dr. Eti
Rohaeti, MS dan Sri Sugiarti, Ph.D yang telah meluangkan waktunya dalam
membimbing penulis dalam menyelesaikan penelitian ini. Disamping itu, penulis
mengucapkan terimakasih kepada Bapak Drs. Sulistiyoso, GMT dan Ibu Deswita
dari PTBIN BATAN Serpong, yang membantu dalam karekteristik sampel dengan
XRD maupun SEM, serta seluruh staf Laboratorium Kimia Analitik, Anorganik,
Kimia-Fisik dan Organik serta Laboratorium Bersama Departemen Kimia, yang
telah memberikan bantuan dalam penelitian penulis terutama dalam penggunaan
alat. Tak lupa pula terimakasih yang sebesar-besarnya kepada keluarga tercinta
Ibu, Bang Ikrom serta ananda Meyna Cahyani Syahda dan M. Radhiy Pasha,
yang memberikan semangat dan dorongan serta do’a nya kepada penulis dalam
menyelesaikan studi.
Semoga karya ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua, khususnya
pihak akademisi dan masyarakat umumnya, amin.
Bogor,
Agustus 2011
Nopriyani
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Palembang pada tanggal 3 April 1970 sebagai anak
kelima dari pasangan Ayahanda (Alm) Subli Yusuf dan Ibunda Hj. Aminah
Romaniah. Pendidikan Sarjana ditempuh di Program Studi Pendidikan MIPA/
Kimia Universitas Jambi, lulus pada tahun 1993.
Penulis dari tahun 1995 sampai sekarang menjadi PNS di lingkungan
Departemen Agama sebagai Guru Kimia pada Madrasah Aliyah di Propinsi
Jambi, dan pernah melanjutkan pendidikan di Magister Manajemen Pendidikan
Islam IAIN Sulthan Thaha Jambi pada tahun 2007, selesai pada bulan April 2009.
Pada tahun yang sama pula penulis berkesempatan diterima untuk melanjutkan
studi S2 pada Program Studi Kimia Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor
(IPB) melalui beasiswa BUD Dirjen Departemen Agama.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL .......................................................................................
x
DAFTAR GAMBAR ..................................................................................
xi
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................
xii
PENDAHULUAN
Latar Belakang ......................................................................................
Perumusan Masalah ..............................................................................
Tujuan Penelitian ..................................................................................
Manfaat Penelitian ................................................................................
Hipotesa Penelitian ................................................................................
1
3
4
4
4
TINJAUAN PUSTAKA
Kadmium ...............................................................................................
Struktur Kimia Zeolit ............................................................................
Sifat-Sifat Zeolit ...................................................................................
Sifat Adsorpsi Zeolit .............................................................................
Aktivasi Zeolit .......................................................................................
Isoterm Adsorpsi ...................................................................................
Kinetika Adsorpsi ..................................................................................
Parameter Termodinamika ....................................................................
5
5
8
9
10
11
12
13
BAHAN DAN METODE
Waktu dan Tempat ................................................................................
Alat dan Bahan ......................................................................................
Metode Penelitian ..................................................................................
14
14
14
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Analisis Proses Preparasi, Aktivasi, dan Modifikasi ...................
Hasil Analisis Kandungan Unsur .........................................................
Hasil Analisis Karakteristik .................................................................
Optimasi Parameter Adsorpsi ..............................................................
Isotermal Adsorpsi ...............................................................................
Kinetika Adsorpsi ...............................................................................
Termodinamika Adsorpsi ....................................................................
18
20
22
26
29
32
35
KESIMPULAN ...........................................................................................
39
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
40
LAMPIRAN ................................................................................................
42
DAFTAR TABEL
Halaman
1
Kapasitas Tukar Kation (KTK) ............................................................
20
2
Unsur-unsur yang terkandung pada karakterisasi sampel zeolit ..........
21
3
Parameter isotermal adsorpsi Langmuir dan Freundlich .....................
31
4
Kinetika adsorpsi Cd(II) .......................................................................
37
5
Termodinamika adsorpsi Cd(II) ...........................................................
38
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur kerangka zeolit mordenit dan klinoptilolit ..........................
6
2
Tertrahedral alumina dan silika pada zeolit .........................................
7
3
Unit bangun sekunder struktur zeolit ..................................................
8
4
Skema reaksi modifikasi zeolit PNa2 .................................................
19
5
Difraktogram XRD zeolit Cikalong ....................................................
22
6
Difraktogram XRD zeolit Lampung ...................................................
24
7
SEM zeolit Cikalong dan Lampung
..................................................
25
8
Kapasitas adsorpsi optimasi variasi konsentrasi ..................................
27
9
Kapasitas adsorpsi optimasi variasi pH ...............................................
27
10 Kapasitas adsorpsi optimasi waktu kontak .........................................
28
11 Kapasitas adsorpsi optimasi bobot adsorben ......................................
29
12 Isotermal adsorpsi Cd(II) oleh zeolit Cikalong dan Lampung ...........
29
13 Adsorpsi isotermal Langmuir .............................................................
30
14 Adsorpsi isotermal Freundlich .............................................................
31
15 Pengaruh waktu kontak pada adsorpsi Cd(II) .....................................
33
16 Plot kinetika orde pertama semu zeolit Cikalong ................................
33
17 Plot kinetika orde pertama semu zeolit Lampung ..............................
34
18 Plot kinetika orde kedua semu zeolit Cikalong ...................................
34
19 Plot kinetika orde kedua semu zeolit Lampung ..................................
35
20 Pengaruh suhu pada kinetika adsorpsi Cd(II) ....................................
36
21 Plot Van Hoff adsorpsi Cd(II) .............................................................
37
DAFTAR LAMPIRAN
1
Halaman
Diagram alir penelitian ......................................................................
42
2
Komposisi unsur zeolit Cikalong karakteristik EDS ...........................
43
3
Komposisi unsur zeolit Lampung karakteristik EDS ..........................
44
4
Kapasitas adsorpsi zeolit Lampung pada variasi konsentrasi ..............
45
5
Optimasi waktu kontak zeolit Cikalong .............................................
46
6
Optimasi waktu kontak zeolit Lampung ..............................................
47
7
Isotermal adsorpsi zeolit ......................................................................
48
8
Data hasil analisis isotermal Langmuir dan Freundlich ......................
49
9
Pesamaan regresi linier laju adsorpsi Cd(II) ........................................
50
10 Perbandingan konstanta laju orde pertama dan orde kedua ................
51
11 Kinetika orde kedua .............................................................................
52
12 Analisis pengaruh suhu dan perhitungan parameter termodinamika ...
53
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pencemaran lingkungan salah satunya dapat disebabkan oleh adanya logam
berat dalam jumlah diatas ambang batas. Logam berat merupakan salah satu
pencemar yang sangat berbahaya bagi manusia dan lingkungan, sehingga perlu
adanya perlakuan terhadap limbah sebelum dibuang ke perairan.
Cd (Kadmium) merupakan logam berat dengan potensi bahaya terbesar
bagi manusia dan lingkungan, selain Pb(Timbal) dan Hg(Raksa). Berdasarkan
persyaratan kesehatan air minum terhadap bahan kimia yang memiliki pengaruh
langsung pada kesehatan yang diatur oleh Keputusan Menteri Kesehatan RI tahun
2002, kadar maksimum yang diperbolehkan untuk kadmium adalah 0,003 mg/L.
Di antara beberapa metode yang tersedia untuk pengolahan limbah logam
berat, penyerapan oleh pertukaran ion merupakan aplikasi yang relatif sederhana,
murah dan aman, karena hanya membutuhkan kondisi operasi ringan, pertukaran
ion antara fase cair dan padat berpori, baik sintetis maupun alami (Panneerselvam
et al. 2008). Menurut Malekpour et al. (2009) zeolit alam digunakan secara
intensif karena kemampuannya dalam memisahkan spesi target melalui prinsip
penukar ion. Penggunaan zeolit alam sebagai adsorben dikarenakan metodenya
yang sederhana, bahan baku yang banyak terdapat di alam, kemampuan
adsorpsinya yang cukup baik sehingga dapat mengontrol polusi dan pencemaran
logam berat.
Di Indonesia, zeolit alam ditemukan melimpah dan tersebar di beberapa
daerah di pulau Jawa dan Sumatera. Dalam dasawarsa ini zeolit oleh para peneliti
dijadikan sebagai mineral serbaguna. Sifat-sifat unik tersebut meliputi dehidrasi,
adsorben dan penyaring molekul, katalisator, dan penukar ion.
Pemanfaatan zeolit alam Indonesia untuk penggunaan secara langsung
belum dapat dilakukan, karena zeolit Indonesia masih berupa campuran sehingga
perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu untuk menghilangkan atau
memisahkan kotoran-kotorannya. Upaya-upaya penelitian dan pengembangan
berwawasan lingkungan terhadap sumber daya mineral tersebut perlu terus
dilakukan sehingga dapat memberikan hasil yang nyata secara ekonomi (Pusat
Penelitian & Pengembangan Teknologi Mineral 1994).
Adsorben yang digunakan dalam proses adsorpsi harus memenuhi kriteria
yang dibutuhkan, di antaranya mempunyai daya serap yang besar terhadap
larutan, zat padat yang mempunyai luas permukaan yang besar, tidak larut dalam
zat cair yang akan diadsorpsi, tidak beracun dan mudah didapat serta, memiliki
harga yang relatif murah. Karbon aktif, mineral lempung, zeolit, biomaterial, dan
beberapa limbah padat industri telah banyak digunakan sebagai adsorben untuk
adsorpsi ion dan nonionik dalam pengolahan air limbah (Wang & Peng 2010).
Aktivasi merupakan proses untuk menaikkan kapasitas adsorpsi sehingga
diperoleh sifat yang diinginkan sesuai dengan penggunaannya. Aktivasi secara
kimia dapat dilakukan dengan penambahan larutan asam ataupun basa. Pada
umumnya asam yang digunakan adalah asam sulfat dan asam klorida, sedangkan
basa yang digunakan adalah NaOH. Berbagai penelitian terhadap zeolit banyak
dilakukan dalam modifikasinya yaitu dengan mengubah atau mempertukarkan
ion yang dapat dipertukarkan, mengubah rasio perbandingan Si/Al, dealuminasi
(penghilangan Al) melalui perlakuan asam mineral, dan sebagainya dengan tujuan
meningkatkan mutu zeolit.
Panuccio et al. (2009) melakukan percobaan untuk aktivitas ion, pH, dan
waktu kontak pada serapan kadmium dalam tiga mineral berbeda antara lain
vermiculite, zeolit, dan batu apung. Dari parameter Langmuir dan Freundlich
yang diperoleh, disimpulkan bahwa tingkat penyerapan kadmium mengikuti deret
vermiculit>zeolit>batu apung. Hamidpour et al. (2010) membandingkan
penyerapan Pb (II) dan Cd (II) oleh zeolit, dan menemukan bahwa zeolit lebih
efektif dibandingkan bentonit sehingga dapat digunakan sebagai penyerap air dan
pengolahan limbah.
Salah satu cara untuk meningkatkan kapasitas adsorpsi dengan zeolit adalah
dengan cara modifikasi. Kerja zeolit hasil modifikasi terhadap penjerapan
kadmium ditentukan oleh berbagai faktor, seperti karakteristik zeolit yang
digunakan dan perubahan sifat akibat hasil modifikasi tersebut. Berbagai
parameter yang mempengaruhi proses penjerapan kadmium adalah waktu kontak,
konsentrasi, dan pH. Panneerselvam et al. (2008) memodifikasi zeolit-y dengan
asam fosfat, hasil analisa ternyata tidak mengubah struktur, dan pengujian
terhadap penyerapan ion Cu2+ dari larutan air menunjukkan kapasitas yang tinggi,
dua kali lipat dibandingkan keadaan zeolit sebelum termodifikasi.
Gupta & Bhattacharyya (2008) menyelidiki imobilisasi Pb(II), Cd(II) dan
Ni(II) pada lempung (kaolinit dan montmorilonit) dalam medium air melalui
proses adsorpsi dalam berbagai variabel adsorpsi, kinetika, dan termodinamika
yang diantaranya menunjukkan bahwa adsorpsi Cd(II) menunjukkan peningkatan
bertahap pada pH 1,0-10,0 dengan tidak ada indikasi pengendapan Cd(II)hidroksida. Termodinamika proses imobilisasi bersifat eksotermik pada Pb(II) dan
Ni(II), tetapi endotermik untuk Cd(II). Interaksi dengan Pb(II) dan Ni(II) disertai
dengan penurunan entropi dan energi Gibbs, sedangkan imobilisasi endotermik
pada Cd(II) didukung oleh peningkatan entropi dan penurunan berarti dalam
energi Gibbs.
Berdasarkan beberapa hasil penelitian selain pada zeolit alam, zeolit sintetis
termodifikasi asam sulfat juga telah memberikan pengaruh yang berarti pada
sifatnya sebagai adsorben. Kadmium merupakan salah satu adsorbat yang dalam
proses kinetika dan termodinamika adsorpsinya oleh zeolit sintetik memberikan
hasil yang berbeda bila dibandingkan dengan Ni(II) dan Pb(II) (Gupta &
Bhattacharyya 2008).
Peranan zeolit sebagai salah satu penjerap senyawa organik sampai saat ini
masih terus dilakukan, sehingga pengubahan terhadap struktur zeolit perlu
dilakukan untuk memperoleh hasil guna yang lebih baik dari zeolit asal.
Penelitian ini mengamati pengaruh modifikasi zeolit alam dengan menggunakan
asam fosfat terhadap penjerapan kadmium. Proses penjerapan dilakukan dengan
menggunakan sampel zeolit yang berasal dari Lampung (klinoptilolit) dan
Cikalong, Tasikmalaya (mordenit) yang dimodifikasi dengan asam fosfat sebagai
adsorben terhadap kadmium.
Perumusan Masalah
Salah satu cara untuk meningkatkan daya guna zeolit alam sebagai adsorben
adalah melalui peningkatan kereaktifannya, yang dapat dilakukan dengan
pemanasan dan aktivasi permukaan zeolit dengan pelarut kimia yang sesuai, yaitu
menggunakan larutan HCl 4 M serta memodifikasinya dengan asam fosfat.
Zeolit hasil modifikasi menggunakan asam fosfat selanjutnya diamati
kapasitas adsorpsinya terhadap ion logam Cd(II). Penerapan berbagai variabel
adsorpsi memberikan informasi mengenai potensi dua sumber zeolit alam yang
berbeda, yaitu jenis mordenit dan klinoptilolit, sebagai adsorben terhadap ion
logam Cd(II).
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mengetahui kemampuan zeolit alam yang
berasal dari Cikalong dan Lampung oleh modifikasi asam fosfat dalam
adsorpsinya sebagai penjerap ion logam kadmium.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi ilmiah mengenai
peran zeolit alam yang dimodifikasi asam fosfat sebagai penjerap Cd(II).
Hipotesa Penelitian
Zeolit alam jenis klinoptilolit (Lampung) maupun jenis mordenit (Cikalong,
Tasikmalaya) dapat dimodifikasi dengan asam fosfat dan memiliki sifat tukar
kation yang tinggi dan berpotensi dalam menjerap Cd (II) yang dipengaruhi oleh
variabel adsorpsi, kinetika, dan termodinamika.
TINJAUAN PUSTAKA
Kadmium (Cd)
Unsur kadmium dengan nomor atom 48, bobot atom 112,4 g/mol, dan
densitas 8.65 g/cm3 merupakan salah satu jenis logam berat yang berbahaya,
karena dalam jangka waktu panjang dapat terakumulasi pada tubuh manusia
khususnya pada hati dan ginjal. Kadmium yang terdapat dalam tubuh manusia
sebagian besar diperoleh melalui makanan dan tembakau, hanya sejumlah kecil
berasal dari air minum dan pencemaran udara. Pada konsentrasi rendah kadmium
dapat memberikan efek terhadap gangguan paru-paru, emphysema, dan penyakit
renal tubular yang kronis (Suhendrayatna 2001).
Kadmium dalam perairan terion dari garamnya dalam bentuk Cd2+. Sumber
kadmium dalam lingkungan berasal dari pelapisan logam, industri penambangan
dan peleburan, pabrik baterai kadmium-nikel, pupuk fosfat, pabrik cat dan zat
warna, serta industri alloy (Gupta & Bhattacharyya, 2008). Ion kadmium
mempunyai sedikit kecenderungan terhidrolisis pada pH di bawah 8, tetapi di atas
pH 11 seluruh kadmium berada sebagai komplek hidrokso. Dalam air segar pada
pH 6-8 dominan sebagai Cd(II), CdOH+, Cd(OH)2, Cd(OH)3-, Cd(OH)42- yang
tergantung pada pH larutan. Kompleks kloro CdCl+, CdCl2, dan CdCl3- lebih
dominan pada air laut, sementara Cd(II) berada dalam jumlah yang sangat kecil.
Kadmium karbonat dapat digunakan sebagai kontrol kelarutan (Mohan et al.
2006)
Jumlah normal kadmium di tanah berada di bawah 1 ppm, tetapi angka
tertinggi 1700 ppm dijumpai pada sampel tanah yang diambil di dekat
pertambangan bijih seng. Kadmium lebih mudah diakumulasi oleh tanaman
dibandingkan dengan ion logam berat lain seperti timbal (Barchan et al. 1998).
Stuktur Kimia Zeolit
Menurut proses pembentukannya, zeolit alam terbentuk selama ribuan tahun
karena adanya proses perubahan alam dan batuan dalam bentuk sedimen yang
terjadi karena pencampuran debu-debu vulkanis dengan air hujan, air tanah, atau
air laut, sedangkan zeolit sintesik direkayasa oleh manusia secara proses kimia
atau di laboratorium.
Zeolit Indonesia umumnya mengandung jenis mordenit, dan klinoptilolit,
serta kadang-kadang gabungan jenis keduanya (Suyartono 1991). Umumnya
zeolit tersusun oleh satuan unit pembangun primer yang merupakan satuan unit
terkecil tetrahedral SiO4 dan AlO4. Dalam struktur zeolit, atom Si dan O tidak
memiliki muatan, sedangkan atom Al bermuatan negatif sehingga struktur rantai
aluminosilikat akan dinetralkan oleh kation (contoh Na , Ca dan K ).
Zeolit merupakan kristalin dari aluminosilikat alkali atau alkali tanah
terhidrasi, yang memiliki struktur kerangka tiga dimensi terbuka yang dibangun
oleh tetrahedral-tetrahedral SiO44- dan AlO45- dengan atom O sebagai penghubung
antara atom Si dengan atom Al membentuk rongga-rongga dan saluran-saluran
yang teratur. Dibawah ini ditunjukkan gambar struktur dan rumus dari jenis zeolit
mordenit dan klinoptilolit (Gambar 1).
Struktur kristal modernit
Na8[Al8Si40O96]24 H2O
Struktur kristal klinoptilolit
Na6[Al6Si30O72]24 H2O
Gambar 1 Struktur kerangka zeolit mordenit dan klinoptilolit
(http://www.iza-online.org/natural/index.htm 2010)
Molekul air yang terdapat dalam rongga struktur zeolit dapat dikeluarkan
dari kerangka struktur zeolit, dengan keluarnya air maka anion atau molekul yang
mempunyai ukuran lebih kecil dari ukuran rongga-rongga tersebut dapat masuk
dan terjebak didalamnya. Adanya gaya tarik yang lemah memungkinkan anion
atau molekul tersebut dapat tertahan di dalam rongga.
Formula umum penyusun zeolit adalah (Mx+, My2+)(Al(x+2y) Sin-(x+2y) O2n).
mH2O, dengan simbol M+ dan M2+ yaitu berturut-turut kation monovalen atau
divalen. Kation yang terdapat dalam tanda kurung pertama adalah kation yang
dapat tukar (exchangeable cations), sedangkan yang kedua adalah kation
struktural (penyusun dasar) karena bersama-sama dengan atom O menyusun
zeolit, sementara m adalah jumlah mol air.
Unit-unit pembentuk struktur mineral zeolit secara garis besar digolongkan
ke dalam dua bagian utama yaitu (a) unit pembangun primer (primary building
unit), yaitu SiO44- dan AlO45- yang berbentuk tetrahedral, dan (b) unit pembangun
sekunder (secondary building unit/ SBU), yaitu gabungan dari pembentuk primer
yang dapat membentuk cincin. Beberapa cincin ini akan bergabung saling
menghubungkan diri membentuk bangunan polihedral seperti ditunjukkan oleh
Gambar 2 dan 3. Struktur zeolit membentuk rongga diantara ion-ion yang terikat
satu dengan yang lainnya yang terisi oleh molekul air. Jika molekul air
didehidrasi, maka rongga dapat terisi oleh molekul yang ukurannya lebih kecil
dari rongga tersebut, peristiwa ini disebut adsorpsi.
Si
O
Al
Gambar 2 Tetrahedral alumina dan silika (TO4) pada struktur zeolit (Las 2005).
Mineral zeolit bukan mineral tunggal, melainkan sekelompok mineral yang
terdiri dari beberapa spesies, antara lain analsit, klinoptilolit, kabalsit, mordenit,
natrolit dan sebagainya. Spesies berbeda satu sama lain dengan adanya variasi
dalam perbandingan jumlah Si dan Al. Selain itu jenis dan jumlah kation dalam
tiap spesies berbeda. Kabasit kaya akan Ca, klinoptilolit kaya akan Na atau K,
mordenit kaya akan Ca dan Na dan seterusnya.
Gambar 3 Unit banggun sekundeer struktur zeolit:
z
Singgle-4-Ring (S4R), Doub
ble-4Ring (D4R
R), dan Com
mplex 4-1 (T
T5O10) (Lass 2005)
Sifat-Siifat Zeolit
Sifat Perttukaran Ion
n dari Zeollit
Keemampuan pertukaran ion zeolit merupakan salah satu parameter yang
dapat diguunakan dallam menenntukan kuallitas zeolit yang diguunakan, biassanya
dinyatakann sebagai KTK
K
(kemam
mpuan tukaar kation). KTK
K
adalahh jumlah meeq ion
logam yaang dapat diserap maksimum
m oleh 1 g zeolit dalam ko
ondisi
kesetimbaangan. Nilaii KTK zeoliit ini banyak
k tergantungg pada jumllah ion Al dalam
d
struktur zeeolit.
Zeeolit sebagai penukar ioon karena adanya
a
katioon-kation loogam alkalii atau
alkali tanaah di luar susunan keerangka zeo
olit yang dapat
d
diperttukarkan deengan
kation lainn dengan juumlah muattan yang saama. Permukkaan yang luas dan muatan
m
negatif zeolit dapat berguna
b
unttuk media penukar
p
kattion. Ion yaang dapat diitukar
seperti Li ,
, Na , Pb , Zn , Ba , Cu
u , Fe , Co
C , dan Cr
.
muatan neegatif
Baanyaknya kation
k
yangg dibutuhkaan untuk menetralkan
m
sebandingg banyaknyaa atom Al yang terdapaat dalam kerrangka zeollit. Kation-k
kation
ini dalam struktur rongga zeolitt tidak terik
kat pada possisi yang teetap, tetapi dapat
bergerak bebas
b
dalam
m rongga zeeolit dan berrtindak sebaagai penukaar ion yang dapat
dipertukarrkan dengaan kation lainnya, sifat
s
tersebbut memunngkinkan zeolit
berfungsi sebagai pennukar ion (S
Sastiono 199
93).
Beeberapa fakktor yang memengaru
m
uhi pertukarran ion yaaitu muatan
n ion,
konsentrassi dan suhuu. Semakin besar muatan suatu ion, semakin besar pula gaya
tarik guguus fungsi muuatan yang berlawanan
n pada perm
mukaan ion. Konsentrasi ion
juga berperan dalam proses pertukaran ion. Semakin besar konsentrasinya
semakin besar pula kemungkinan tejadinya pertukaran ion, demikian pula halnya
dengan temperatur, semakin tinggi temperatur, maka tumbukan antar ion semakin
besar sehingga proses pertukaran ion akan lebih mudah terjadi. Kapasitas
pertukaran kation tergantung kepada ukuran, muatan ion, dan jenis zeolit
Sifat Adsorpsi dari Zeolit
Adsorpsi adalah proses penjerapan suatu zat oleh zat lainnya yang hanya
terjadi pada permukaan. Zat yang diserap disebut fase terjerap (adsorbat) dan zat
yang menjerap disebut adsorben. Adsorben pada umumya adalah zat padat yang
berongga, contohnya adalah zeolit. Pada umumya untuk dapat mengadsorpsi,
zeolit harus didehidrasi terlebih dahulu dengan pemanasan.
Adsorpsi yang terjadi pada permukaan padatan atau cairan dapat melibatkan
satu atau banyak lapisan molekul. Hal ini tergantung pada permukaan serta jenis
gaya yang terlibat. Selain itu adsorpsi tergantung pada luas permukaan. Semakin
besar luas permukaan maka adsorpsi juga semakin besar. Adsorben yang baik
adalah padatan yang sangat porous dan butiran yang sangat halus. Banyaknya zat
yang teradsorpsi sebagian besar tergantung pada zat padatnya dan molekul yang
teradsopsi (Husaini 2003).
Beberapa mekanisme yang terlibat dalam proses adsorpsi terutama adalah
adsorpsi fisik atau gaya Vander Waals, adsorpsi kimia atau daya tarik
elektrostatik, ikatan hidrogen dan kompleks koordinasi. Sedangkan faktor-faktor
yang memengaruhi proses adsorpsi antara lain luas permukaan, ukuran partikel,
dan komposisi kimia. Adapun sifat adsorbat antara lain ukuran molekul dan
komposisi kimia serta konsentrasi adsorbat dalam fase cairan. Semakin kecil
ukuran partikel, maka semakin besar luas permukaan padatan persatuan volume
tertentu, sehingga semakin banyak zat yang diadsorpsi (Atkins 1995).
Penjerapan adalah proses ikatan suatu molekul atau unsur pada permukaan
unsur lain. Penggunaan zeolit sebagai bahan penjerap karena (1) zeolit bersifat
selektif dan mempunyai kapasitas tukar kation cukup tinggi, (2) zeolit dapat
memisahkan molekul-molekul berdasarkan ukuran dan bentuk struktur kristal
zeolit.
Penjerapan adsorben sangat dipengaruhi oleh luas permukaan, sehingga
adsorben harus mempunyai pori yang maksimum. Penyediaan reaktan pada
permukaan adsorben dipengaruhi oleh kecepatan difusi reaktan tersebut kedalam
pori. Jika beberapa molekul memasuki sistem pori zeolit, salah satu molekul
tersebut akan tertahan yang berdasarkan pada kepolaran atau efek interaksi
molekul tersebut dengan zeolit.
Aktivasi Zeolit
Aktivasi merupakan proses untuk menaikkan kapasitas adsorpsi sehingga
diperoleh sifat yang diinginkan sesuai dengan penggunaannya. Tujuan aktivasi
zeolit adalah untuk menghasilkan luas permukaan yang lebih luas melalui
pembentukan struktur berpori dan juga untuk menghilangkan senyawa-senyawa
pengotor. Aktivasi zeolit dilakukan dengan pemanasan, penambahan asam, dan
penambahan basa. Pada penelitian ini dilakukan aktivasi dengan penambahan
asam dan pemanasan. Pada umumnya asam yang digunakan adalah asam sulfat
dan asam klorida, sedangkan basa yang digunakan adalah NaOH.
Proses aktivasi dilakukan melalui dua cara antara lain proses fisis dilakukan
dengan pemanasan pada suhu 300⁰-375⁰C selama 3-4 jam (Suwardi, 2000)
Pemberian larutan HCl pada dasarnya dapat meningkatkan KTK zeolit, akan
tetapi jumlah senyawa pengotor yang berbeda memberikan hasil peningkatan
yang berbeda pula. Ini menunjukkan bahwa zeolit yang berasal dari lokasi
berbeda memiliki respon yang berbeda terhadap perlakuan asam. (Sastiono 1993).
Peningkatan KTK zeolit hasil pemanasan lebih rendah daripada hasil pengasaman
atau penambahan basa, karena pada pemanasan hanya molekul-molekul air dalam
rongga yang dapat dihilangkan.
KTK zeolit meningkat pada pemberian asam HCl atau basa NaOH pada
normalitas yang rendah. Menurut Ozkan & Ulku (2005), konsentrasi dan suhu
larutan HCl pada aktivasi tidak efektif dan kecil sekali pengaruhnya dalam
penghapusan kation monovalen, seperti Na dan K, namun peningkatan suhu dan
konsentrasi dapat menyebabkan peningkatan dalam penghapusan kation univalen
seperti Mg, Fe, dan Ca. Dengan menggunakan konsentrasi HCl 5 M, dealuminasi
dapat meningkat dibandingkan dengan menggunakan konsentrasi yang lebih
rendah, tetapi justru sebaliknya dengan meningkatnya konsentrasi HCl akan
mengakibatkan kenaikan persentase SiO2.
Isoterm Adsorpsi
Isoterm adsorpsi merupakan hubungan yang menunjukkan distribusi fasa
teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada
temperatur tertentu. Isoterm yang umum digunakan antara lain isoterm Langmuir
dan Freundlich. Isoterm Langmuir dipelajari untuk menggambarkan pembatasan
sisi aktif adsorpsi dengan asumsi bahwa sisi aktif adsorben bersifat homogen dan
memiliki energi yang sama dalam mengadsorbsi adsorbat. Isoterm adsorpsi
Langmuir didasarkan atas asumsi, (1) adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal
(monolayer), (2) panas adsorpsi tidak tergantung pada penutupan permukaan, (3)
semua bagian dan permukaannya bersifat homogen, dan (4) sejumlah tertentu
tapak aktif adsorben membentuk ikatan kovalen atau ion. Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis dengan menganggap terjadinya
kesetimbangan antara molekul-molekul yang diadsorpsi pada permukaan
adsorben dengan molekul-molekul yang tidak teradsorpsi. Persamaan isoterm
adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut:
=
(1)
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).
Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan pada asumsi, (1)
terbentuknya adsorpsi beberapa lapisan (multilayer) dari molekul-molekul
adsorbat pada adsorben, (2) bagian tapak aktif pada permukaan adsorben bersifat
heterogen, dan (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:
=
(2)
dengan KF = konstanta, yang menggambarkan kapasitas adsorpsi relatif dari
adsorben ((mgg-1)(mgl-1)n), n= konstanta yang menggambarkan intensitas
adsorpsi.
Gambar persamaan linear Langmuir dan Freundlich diperoleh dengan
memplot berturut-turut Ce/qe vs Ce dan log qe vs log Ce, dan dengan persamaan
tersebut koefisien dapat dicari.
Persamaan Langmuir juga digunakan untuk memperoleh nilai RL, yang
menggambarkan dimensi parameter kesetimbangan atau faktor pemisahan dengan
persamaan (Ghassabzadeh et al. 2010)
=
berdasarkan
(3)
nilai
R,
bentuk
isoterm
dapat
ditafsirkan
sebagai
R>1
menggambarkan adsorpsi yang kurang baik, R = 1 adsorpsi linear, 0