Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Ber
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
18
Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat
Krom (Cr) dengan Teknik Remediasi Elektrokinetik
1
Luqman Hakim1, Sismanto2 , Siti Fatimah3
Staf Pengajar Jurusan Teknik Lingkungan-FTSP-UII
2
Staf Pengajar Jurusan Kimia-FMIPA-UGM
3
Alumni Jurusan Teknik LingkunganFTSP-UII
Abstract
This research was conducted on the laboratory scale. The research methode
of electrokinetic remediation with type of 2-D hexagonal electrode configuration are use voltage 40 Volt and 0.2 A of DC electric. Soil contaminated
with Cr heavy metal was made by kaolinit soil from Godean distric in which
that soil have initial concentration Cr 9.52 µg/g, and then the soil are contaminated by Cr2O3 500 µg/g solution, soil weight 150 kg then homogenized
on the reactor with 1 m x 1 m x 1 m dimentions. In electrokinetic remediation,
electrodes are implanted in the soil, and direct current imposed between the
electrodes then running for 12 hours. The electrodes are made from graphite
and placed with hexagonal configuration which spacing of electrodes on
between 15 cm.
The result of research was shown that the avarege of soil pH before remediated
in the condition strong acid i.e 2.4 while soil pH remediated within the range
8.4 to 10.2 in the serounding cathode. Mean while, in the serounding anode
on the condition strong acid that are about pH 3 to 5.4. It means there are
chemical reactions called electrolysis. That Electrolysis reaction are oxidation reaction of the water from anode resulted acid conditions and also base
condition in the cathode caused by reduction reaction of the water. The removal of Cr concentration having remediate for 12 hours in the site I to III
are avarege 111.46 to 281.22 mg/g, in the other wards the removal efficiency
of electrokinetic remediation are about 64.90 to 78.13%. It was shown that
there are Cr3+ ion migrations phenomena moved to cathode. That ion migration was influnced by electrical current. Electrical current flowing in the soil
had been caused ion migration to counter electrode. As finally, Cr3+ ion that
formed from Cr2O3 contaminant will reduce to elemental and then attached
to cathode.
Keywords: Cromium (Cr), electrokinetic remediation, electrolysis,
electromigration
Latar Belakang
Daerah Istimewa Yogyakarta (DIY) telah dikenal sebagai pengahasil kerajinan
kulit dengan kualitas ekspor. Berkembangnya industri kulit ini tentunya akan lebih
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
19
mengangkat citra DIY sebagai kota wisata. Disisi lain, dengan adanya industri
kulit ini tentunya akan menghasilkan limbah baik itu berupa limbah cair maupun padat
sebagai hasil sisa kegiatan produksi. Apabila limbah ini tidak diolah ataupun dikelola
dengan baik, maka akan menimbulkan dampak bagi kesehatan dan lingkungan. Hal
ini tentunya dapat mempengaruhi minat para wisatawan untuk datang ke DIY.
Pemerintah Propinsi DIY telah memfasilitasi pengolahan limbah cair industri kulit secara
terpadu di Desa Sitimulyo Kabupaten Bantul, namun demikian hasil pengolahan limbah
cair tersebut mengahasilkan lumpur padat (sludge). Pengolahan sludge sampai saat
ini belum dilakukan dan umumnya sludge tersebut langsung dibuang ke dalam tanah.
Pemanfaatan bahan kimia berupa Khrom (Cr) sebagai bahan perontok bulu pada
kulit, pada satu sisi akan menghasilkan limbah berupa Krom Heksavalen (Cr6+) baik
berupa limbah cair maupun padat. Limbah logam berat Cr6+ adalah termasuk dalam
kategori limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) karena sifatnya yang toksik.
Untuk mengatasi permasalahan lingkungan tersebut di atas khususnya pada
pencemaran tanah perlu dilakukan upaya pengolahan dan pengelolaan. Salah satunya
yaitu melalui pemulihan (remediasi) tanah yang sudah terkontaminasi.
Pemulihan tanah secara elektrokinetik merupakan salah satu upaya pemulihan
tanah yang terkontaminasi oleh logam berat dan kontaminan organik lainnya secara in
situ. Tujuan penelitian ini yaitu a) Mempelajari fenomena remediasi elektrokinetik pada
tanah terkontaminasi logam berat Cr2O3 dan b) Mengetahui effisiensi penurunan
konsentrasi logam berat Cr2O3 pada tanah yang telah terkontaminasi.
Tinjauan Pustaka
Penelitian tentang remediasi elektrokinetik pada tanah terkontaminasi sudah
banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya; antara lain oleh Acar dan Alshawabkeh,
1993; Chan dan Lynch 2002; Alshawabkeh, et. Al., 1999; dan Pamukcu, 1997.
Remediasi tanah (soil remediation) adalah pemulihan tanah yang terkontaminasi
oleh zat-zat pencemar seperti logam berat dan atau senyawa organik untuk
mengembalikan fungsi tanah sehingga dapat dimanfaatkan kembali dan tidak
menimbulkan masalah bagi lingkungan.
Menurut Cynthia (1997), teknologi remediasi secara umum dapat dilakukan dengan
isolasi, immobilisasi, reduksi toksisitas, pemisahan fisis dan ekstraksi. Teknologi secara
ekstraksi untuk remediasi tanah antara lain: soil washing, phyrometallurgical, in situ
soil flushing dan electrokinetic treatment.
Remediasi Elektrokinetik
Remediasi secara elektrokinetik merupakan teknologi pemulihan tanah
terkontaminasi logam berat dan senyawa-senyawa organik melalui proses secara insitu dengan menggunakan tegangan listrik rendah dan arus DC (direct current) pada
potongan melintang area antara elektroda yang diletakkan pada tanah dengan susunan
aliran terbuka. Tekanan aliran pada umumnya digolongkan dalam miliampere per
sentimeter kuadrat (mA/cm2) atau beda potensial tegangan listrik volt per sentimeter.
Dengan penerapan teknologi tersebut diharapkan kontaminan logam berat dalam tanah
dapat dipindahkan/digerakkan, dipadatkan/dipekatkan oleh elektroda serta
diekstraksikan dari tanah, yang secara skematik dapat dilihat pada Gambar 1
(Alshawabkeh, 2001).
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
20
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
Gambar 1.
Prinsip Dasar Remediasi Elektrokinetik (Alshawabkeh, 2001)
Pada teknologi ini, elektroda ditempatkan pada tanah secara vertikal maupun
horizontal. Ketika arus DC digunakan pada elektroda, dihasilkan tanah yang
terpengaruh medan listrik oleh katoda dan anoda. Penggunaan sistem tersebut pada
tanah mempunyai beberapa efek yaitu : electromigration, electroosmosis, perubahan
pH, dan electrophoresis. Electromigration, yaitu pergerakan kation dan anion karena
pengaruh sifat listrik yang ditimbulkan sistem tersebut pada tanah. Kation (ion
bermuatan +) cenderung untuk berpindah ke arah katoda bermuatan negatif, dan anion ( ion bermuatan -) berpindah ke arah anoda bermuatan positif. Pada
penyelesaiannya, ion-ion yang dipekatkan/dipadatkan tersebut akan mendekati
elektroda atau mengalami reaksi pada elektroda, dimana logam-logam pencemar
tersebut naik ke arah elektroda atau melepaskan komponen berbentuk gas. Perubahan
pH karena pengaruh arus merupakan reaksi elektrolisis pada elektroda. Terjadi oksidasi
air pada anoda dan menghasilkan ion-ion hidrogen (H+ ). Ion-ion H+ tersebut
membangkitkan asam untuk berpindah menuju katoda. Sebaliknya, penurunan air
terjadi pada katoda dan menghasilkan ion-ion hidroxyl (OH-) yang kemudian berpindah
sebagai dasar ke arah anoda (Acar et.al, 1990).
Transport pada ion-ion H+ diperkirakan 2 kali lebih cepat daripada ion-ion OH-.
Dengan demikian, gerakan asam rata-rata lebih besar daripada basa. Electroosmosis
adalah proses transport air dalam jumlah besar yang terus mengalir pada tanah. Electrophoresis merupakan pergerakan partikel-partikel karena pengaruh medan listrik (Acar
dan Alshawabkeh, 1993).
Hasil yang didapatkan dari bench-scale laboratory dan percobaan skala lapangan
mengindikasikan bahwa teknologi elektrokinetik ini dapat sukses diaplikasikan pada
clayey (lempungan) sampai tanah fine sandy (pasiran halus). Hal ini menunjukkan
bahwa tipe tanah bukan merupakan batasan yang signifikan. Bagaimanapun, kecepatan
transport kontaminan dan efisiensinya tergantung pada tipe tanah dan variabel
lingkungan. Tanah dengan aktifitas tinggi, seperti illite, montmorillonite dan kaolinit
menunjukkan tingginya buffer asam/basa dan memerlukan asam berlebih dan perantara
peningkat untuk desorb dan pelarutan kontaminan sorbed pada permukaan partikel
tanah sebelum mereka dapat mentransportkan keluar subsurfase (bawah permukaan)
dan removal. Teknologi ini dapat diaplikasikan untuk mengolah lapisan tanah heterogenous secara efektif (Alshawabkeh,1999).
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
21
Material, Konfigurasi dan Spasi Elektroda
Material Elektroda, Bahan kimia yang tidak bereaksi dan bahan yang bisa
menghantarkan listrik seperti grafit, coated titanium atau platinum bisa digunakan
sebagai anoda untuk menahan dissolusi elektroda dan berlangsungnya pengkaratan
dalam kondisi asam.
Hipotesis
Berdasarkan tinjauan pustaka dan landasan teori tentang remediasi
elektrokinetik, maka dapat dirumuskan hipotesis sebagai berikut :
1. Teknik remediasi elektrokinetik dapat dipergunakan untuk memulihkan tanah yang
telah terkontaminasi oleh logam berat Cr2O3
2. Teknik Remediasi elektrokinetik efektif untuk menurunkan konsentrasi logam berat
Cr2O3 dalam tanah.
Metode Penelitian
Tahap penelitian dilakukan melalui dua tahapan yaitu:
1. Tahap pra penelitian : pemilihan tanah, analisis karakteristik dan jenis tanah,
persiapan kontaminan, persiapan elektroda dan power supply.
2. Tahap penelitian. Running teknologi remediasi elektrokinetik pada tanah
terkontaminasi oleh Cr2O3 (khrom trioksida).
3. Parameter yang dianalisis: pH, Resitivitas, Konduktivitas, dan Cr2O3,
4. Desain Teknologi Remediasi Elektrokinetik
a. Kebutuhan Elektroda
Konfigurasi elektroda hexagonal terdiri dari beberapa sel, masing masing berisi
satu katoda yang dikelilingi oleh 6 kutub positif (anoda), lihat gambar 2.
b. Reaktor
Volume tanah
=
pxlxt
=
1 m x 0,95 m x 0,13 m
=
0,12 m3 = 120 l
Berat tanah
=
Bj tanah x volume tanah
=
1,25 kg/l x 120 l
=
150 kg
Gambar 2.
Teknologi Remediasi Elektrokinetik
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
22
Analisis Data
Untuk menentukan tingkat effisiensi penurunan konsentrasi Cr2O3 (khrom trioksida)
pada tanah setelah dilakukan remediasi secara elektrokinetik adalah dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut:
E=
Cawal − Cakhir
x100%
Cawal
E = Effisiensi (%)
C = Konsentrasi
Hasil dan Pembahasasn
Media yang digunakan pada penelitian ini adalah tanah lempung kaolinit dari Godean
dengan konsentrasi Cr awal sebelum dikontaminasikan 9,3 µg/g (ppm) dan pH awal 5,8
cenderung memiliki kondisi asam. Tanah tersebut kemudian dikontaminasikan dengan
limbah simulasi Cr2O3 (khrom trioksida) dengan konsentrasi 500 µg/g.
Hasil Analisis pH pada Area Efektif
Pada penelitian ini, pengambilan sampel tanah dilakukan di dalam reaktor percobaan
yang dibagi menjadi 4 area yaitu: a)area I: 15 cm dari katoda, b) area II: 10 cm dari katoda,
c) area III: 5 cm dari katoda, d) area tidak efektif: terletak 15 cm diluar anoda.
Area I, II dan III merupakan area efektif sedangkan area tidak efektif merupakan
area yang berada di luar daerah elektroda. Selain pada area anoda dan katoda,
pengukuran pH juga dilakukan diantara anoda dan katoda yaitu area yang letaknya 10
cm dari anoda dan katoda.
Hasil pengukuran pH sebagaimana terlihat pada Gambar 3 menunjukkan adanya
peningkatan pH di setiap area. Pada waktu jam ke-0 di setiap area memiliki pH terendah
dengan nilai rata-rata 2, kemudian pada waktu jam ke-3 pH di area I dan area II
mengalami kenaikan namun di area III atau area sekitar katoda kenaikan pH sangat
tajam, yaitu mencapai 8,4. Pada waktu jam ke-6 pH di area I dan area II masingmasing sebesar 3,7 dan 5,0. Sedangkan pH di area III semakin meningkat sebesar
9,2 sampai pada waktu jam ke-12, pH maksimum di area III sebesar 10,2 dan di area
I dan II yaitu masing-masing sebesar 4,2 dan 5,4.
12
10
w aktu ke-0
w aktu ke-3
w aktu ke-6
w aktu ke- 9
w aktu ke-12
8
pH 6
4
2
0
5
(III)
10
(II)
15 (I)
Jarak (cm ) (Area)
Gambar 3.
Grafik Hubungan pH terhadap Jarak (Area)
Dari perubahan pH tersebut dapat diartikan bahwa telah terjadi reaksi-reaksi kimia di
setiap area titik sampling. Salah satunya telah terjadi proses electrolysis, yaitu reaksi
oksidasi air pada kutub positif (anoda) disebut sebagai area I yang menghasilkan kondisi
asam, sementara pada kutub negatif (katoda) disebut sebagai area III terjadi reduksi air
yang menghasilkan kondisi basa. Reaksi-reaksi yang terjadi tersebut yaitu :
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
23
1.
Pada Area Katoda (III)
Reduksi air :
2 H2O (l) + 2 e ? H2 (g) + 2OH- (aq)
Reaksi di atas menjelaskan terjadi reduksi air pada area III (katoda) yaitu
pengambilan elektron sebanyak 2e yang kemudian menghasilkan ion OH- sehingga
berarti bahwa pada area III (katoda) mengalami kondisi basa.
2.
Pada Area Anoda (I)
Oksidasi air :
2 H2O (l) ?
4 H+(aq) + O2 (g) + 4e
Reaksi di atas menjelaskan reaksi oksidasi air pada area anoda (I) dimana
terjadi pelepasan elektron sebanyak 4e dan menghasilkan ion H+ yang berarti
bahwa pada area I mengalami kondisi asam.
Ion-ion dari zat terlarut dan ion-ion hidrogen maupun hidroksil (OH-), berlombalomba untuk melepaskan muatan mereka pada elektroda dan ion yang berhasil
adalah ion yang memerlukan energi paling sedikit untuk melepaskan muatan.
Dengan memakai istilah elektrokimia, dapat dikatakan bahwa pada keadaan
tertentu, ion yang memerlukan tegangan elektroda negatif yang lebih rendah akan
terlebih dulu melepaskan muatannya pada katoda, sedangkan ion-ion yang
memerlukan tegangan elektroda positif yang lebih rendah, akan terlebih dulu
melepaskan muatannya pada anoda. Pelepasan ion-ion hidroksil pada anoda
mengakibatkan terbentuknya gas oksigen :
4OH? 2H2O + O2 (g) + 4e
Sedangkan reaksi yang terjadi pada katoda adalah bahwa ion-ion hidrogen
bermigrasi ke arah katoda dengan membentuk molekul-molekul hidrogen, yang
dilepaskan dalam bentuk gas hidrogen : (Setiono,1990)
2 H+ + 2 e ?
H2
Pada area II yaitu area di antara anoda dan katoda pada penelitian ini
mengalami kondisi asam namun memiliki nilai pH yang lebih tinggi dibanding
dengan area I. Area II memiliki pH rata-rata 5, sehingga dimungkinkan di area II
tersebut lebih dominan terpengaruh oleh area anoda sehingga pada area II
cenderung mengalami kondisi asam.
Daya hantar larutan pada proses electrolysis ini disebabkan karena adanya
ion-ion (partikel bermuatan) yang apabila dialirkan listrik akan bermigrasi ke arah
elektroda yang muatannya berlawanan, karena gaya elektrostatik.
Tidak hanya area elektroda (anoda dan katoda) saja yang berpengaruh
terhadap perubahan pH, faktor waktu juga berpengaruh terhadap kenaikan pH.
Berikut ini grafik hubungan pH terhadap waktu di tiap-tiap area efektif, Gambar 4.
14
Area I
Area II
Area III
12
10
pH
8
6
4
2
0
0
3
6
9
12
Waktu ke-(jam )
Gambar 4.
Hubungan pH terhadap waktu di area efektif
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
24
Fenomena atau kecenderungan yang terjadi dari hubungan pH terhadap waktu
oleh garis exponensial di masing-masing area. Perbedaan posisi antara garis
exponensial dengan sebaran data pada setiap grafik di atas kemungkinan diakibatkan
adanya kesalahan pengukuran pH, kadar air yang tidak homogen sehingga proses
electrolysis tidak merata atau faktor lainnya.
Alshawabkeh (1999): Perubahan pH pada tanah terkontaminasi tergantung pada
jenis bahan kimia, kadar air dalam tanah, proses electrolysis ,waktu treatment dan
potensial elektrokimia. Arus listrik yang mengalir melalui elektroda juga mempengaruhi
proses elektrolisis di elektroda. Oksidasi air di kutub positif (anoda) menghasilkan
kondisi asam sementara pada kutub negatif (katoda) terjadi reduksi (pengurangan)
yang menghasilkan kondisi basa dalam tanah. Saat asam dihasilkan di kutub positif
(anoda), melalui tanah dapat sampai ke arah katoda dibantu oleh migrasi ion dan
elektroosmosis, basa yang dihasilkan di katoda dapat bergerak menuju ke anoda dibantu
secara difusi dan migrasi ion
Hasil Analisis Konsentrasi Cr pada Area Efektif
Analisis konsentrasi Cr dalam tanah kaolinit menggunakan metode APN
menunjukkan bahwa konsentrasi Cr awal Ao di setiap area adalah adalah sebesar
509,524 mg/g. Setelah dilakukan remediasi terjadi penurunan konsentrasi Cr yang
berbeda di setiap area sampling, dengan interval waktu remediasi masing-masing area
adalah tiap 3 jam Gambar 5.
600
Waktu ke-3
Waktu ke-6
Waktu ke-9
Waktu ke-12
Ao
500
400
C
300
(ppm)
200
100
0
0
5 (III)
10
(II)
15 (I)
20
Jarak dari katoda (cm) (Area)
Gambar 5. Hubungan Konsentrasi Cr terhadap Jarak Elektroda pada area efektif
Penurunan konsentrasi Cr rata-rata setiap 3 jam pada area I (anoda) mengalami
penurunan yang cukup besar dengan konsentrasi Cr terendah saat waktu ke 12 jam
yaitu sebesar 88,653 mg/g. Penurunan konsentrasi yang sangat tajam terjadi pada
area II yaitu sebesar 78,527 mg/g. Pada area III terjadi penurunan konsentrasi Cr
yang tidak terlalu besar yaitu 89,203 mg/g. Penurunan konsentrasi pada setiap area
tersebut karena adanya pergerakan ion-ion Cr3+ menuju katoda sehingga dari
konsentrasi Cr awal yaitu di titik 509 µg/g setelah mengalami remediasi mengalami
penurunan konsentrasi di tiap titik area selama 12 jam.
Migrasi ion Cr 3+ menuju katoda pada area II tersebut tersebut lebih banyak
dibanding area lainnya. Banyaknya jumlah ion Cr3+ yang bermigrasi salah satunya
ditentukan oleh cepatnya gerakan antar ion Cr3+ bermigrasi menuju katoda, sehingga
jarak sangat berpengaruh terhadap pergerakan ion-ion Cr3+ tersebut. Area III adalah
yang berada di sekitar katoda dengan jarak 5 cm dari katoda, dari garis polynomial
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
25
yang terlihat konsentrasi Cr terendah di area III tersebut lebih tinggi dibanding
area lainnya, dimungkinkan ion-ion Cr3+ yang bermigrasi menuju katoda terakumulasi
di area sekitar katoda tersebut, sehingga walaupun terjadi penurunan konsentrasi Cr
di area III namun tidak terlalu besar karena terus terjadi penambahan ion Cr3+ yang
berasal dari area lainnya. Pergerakan ion-ion Cr3+ karena adanya aliran listrik sehingga
kation terebut bermigrasi menuju katoda.
Tanah yang mengandung ion Cr3+ yang berasal dari kontaminan Cr2O3, pada katoda
direduksi menjadi logamnya sendiri dan logam yang terbentuk itu kemudian diendapkan
dan menempel pada permukaan batang katoda (Petrucci, 1993). Sesuai dengan reaksi
berikut ini :
Cr3+ + 3e
?
Cr0 (logam)
3+
Ion-ion Cr pada area I dan area II bergerak menuju katoda di bawah pengaruh
medan listrik, sehingga pada area I dan area II tersebut terjadi penurunan konsentrasi
Cr. Pada area III (katoda) penurunan konsentrasi yang terjadi tidak terlalu besar
dibanding pada area I dan II, ini dikarenakan area III merupakan area terletaknya katoda,
sehingga ion-ion Cr3+ dari area I dan area II yang bergerak menuju katoda cenderung
terakumulasi pada area katoda sedangkan ion-ion tersebut tidak langsung dapat
menempel dan mengendap pada katoda yang mengakibatkan pada area III terjadi
penambahan konsentrasi Cr yang berasal dari area I dan II. Walaupun demikian pada
area III tetap terjadi penurunan konsentrasi Cr, karena ion-ion Cr3+ terus bergerak menuju
katoda dan menempel pada permukaan batang katoda, seperti dijelaskan pada Gambar
6.
Cr 3+ --- > Cr0
(+)
(- )
Area I
Cr
3+
Cr
3+
Area II
Cr
Area III
K+
3+
Cr 3+
Cr
3+
Cr 3+
Cr
3+
Cr
Cr
3+
Cr
Cr
3+
3+
3+
Ca 2+
5 cm
Asam
5 cm
5 cm
Basa
Gambar 6.
Arah proses migrasi ion pada anoda dan katoda
Dari Gambar 6 tersebut terlihat bahwa pada saat terjadi elektromigrasi atau migrasi
ion, ion-ion bermuatan positif (kation) akan saling berebutan menuju katoda. Sehingga
konsentrasi ion-ion bermuatan positif akan terakumulasi pada area katoda.
Selain hal-hal tersebut di atas, lamanya waktu remediasi juga berpengaruh
terhadap penurunan konsentrasi ion-ion Cr3+. Penurunan konsentrasi ion-ion tersebut
diakibatkan adanya pergerakan ion-ion tersebut menuju kutub negatif (katoda) dalam
interval waktu 12 jam. Dari data yang didapat pada penelitian ini mengindikasikan
bahwa semakin lama waktu remediasi, maka konsentrasi ion-ion Cr3+ semakin menurun.
Seperti yang dikatakan oleh Pamukcu (1994), bahwa penurunan ion-ion
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
26
tergantung pada spasi elektroda, konfigurasi elektroda, waktu dan reaksi geokimia.
Gambar 7 berikut ini menunjukkan fenomena yang terjadi dalam hubungan konsentrasi
Cr terhadap waktu remediasi pada masing-masing area efektif :
600
Area I
Area II
Area III
500
400
C 300
(ppm)
200
100
0
0
3
6
9
12
Waktu ke - (jam)
Gambar 7.
Grafik Hubungan Konsentrsi Cr terhadap Waktu di Area efektif
Garis-garis exponensial pada Gambar 9 menunjukkan fenomena hubungan
konsentrasi terhadap waktu. Semakin lama waktu remediasi, konsentrasi Cr dalam
tanah semakin menurun sampai pada saat dimana ion-ion tidak dapat bermigrasi lagi.
Konsentrasi Cr terendah berada pada area II yaitu sebesar 78,52 µg/g dengan waktu
remediasi selama 12 jam.
Hasil Analisis pada Arus dan Resistensi
Grafik pada Gambar 8 menunjukkan bahwa terjadi peningkatan resistensi
pada variasi waktu setiap 3 jam sedangkan arus yang terjadi mengalami nilai konstan
yaitu 0,2 A, karena berkurangnya jumlah ion-ion penghantar maka hambatan (resistensi)
yang terjadi dalam tanah semakin meningkat.
8000000
7000000
6000000
5000000
R
(O h m s ) 4 0 0 0 0 0 0
3000000
2000000
1000000
0
w a k tu k e (ja m )
Gambar 8.
Grafik Hubungan Resistensi, Waktu dan Arus
Selain itu, karena adanya penumpukan kation pada katoda mengakibatkan luas
penampang katoda menjadi kecil sehingga hambatan yang dialami arus listrik
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
27
akan semakin besar, teori tersebut sesuai dengan persamaan bahwa resistensi
akan berbanding terbalik dengan luas penampang (Bueche,1989). Maka kenaikan
resistensi yang terjadi pada penelitian ini disebabkan karena adanya penurunan
konsentrasi ion-ion logam muatan positif sehingga menyebabkan kenaikan resistensi
yang cukup signifikan.
Hubungan Konsentrasi, pH dan Waktu di Area Efektif
Dimungkinkan variabel konsentrasi Cr, pH dan waktu memiliki hubungan yang saling
ketergantungan satu sama lain (lihat Gambar 9). Dari Gambar 9 menunjukkan penurunan
konsentrasi Cr terjadi bersamaan dengan perubahan pH di setiap area efektif dalam
interval tiap 3 jam. Namun penurunan konsentrasi terendah terjadi pada area II, area
yang terletak di antara katoda dan anoda yaitu sebesar 78,54 mg/g.
600
A r ea I
A r ea II
500
A r ea III
400
C
300
(ppm )
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
pH
Gambar 9.
Hubungan Konsentrasi Cr dan pH di Area Efektif
Sedangkan area yang memiliki konsentrasi Cr paling tinggi adalah pada area III
yaitu area yang berada di sekitar katoda, konsentrasi Cr terendah pada area tersebut
sebesar 89,2035 mg/g. Pada area di sekitar anoda (area I) mengalami kondisi asam
dimana pH tertinggi yaitu sebesar 4,2. Area di sekitar katoda (area III) mengalami
kondisi basa dengan pH tertinggi sebesar 10,2. Sedangkan area di antara katoda dan
anoda (area II) memiliki pH tertinggi sebesar 5,4 yang berarti pada area II mengalami
kondisi asam. pH rendah akan menyebabkan proses oksidasi menjadi tidak efisien
sehingga dibutuhkan energi yang besar. Dari gambar 9 menunjukkan adanya reaksireaksi kimia akibat pengaruh medan listrik. Perubahan pH menunjukkan telah terjadinya
proses electrolysis dan electromigration. Konsentrasi Cr yang menurun sebagai akibat
dari adanya migrasi ion dan electrophoresis.
Hasil Analisis Konsentrasi Cr pada Area Tidak Efektif
Selain pada area efektif, analisis konsentrasi Cr dilakukan juga pada area tidak
efektif, area yang terletak di luar area efektif. Pengambilan sampel dan data pada
area tidak efektif ( Z ) ini adalah sebagai perbandingan dengan area efektif. Area tidak
efektif merupakan area yang berada di luar daerah elektroda (anoda dan katoda).
Pada penelitian ini, pengambilan sampel tanah yang telah diremediasi dilakukan pada
waktu yang bersamaan dengan pengambilan sampel tanah pada area tidak efektif.
Jarak pengambilan sampel tanah pada area tidak efektif sejauh 15 cm ke arah luar
elektroda yaitu 15 cm dari arah anoda. Gambar 10 adalah hasil analisis
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
28
pada area tidak efektif yang disesuaikan dengan waktu pengambilan sampel.
Dari Gambar 10 tersebut didapat bahwa terjadi penurunan konsentrasi Cr pada area
tidak efektif, sehingga dapat dimungkinkan bahwa pada area tersebut mendapat
pengaruh dari medan listrik area efektif. Penurunan konsentrasi Cr pada area tidak
efektif tidak sebesar penurunan konsentrasi Cr pada area efektif, walaupun sangat
kecil telah terjadi pengaruh sistem elektroda area efektif terhadap area tidak efektif .
K o n s e n tra s
600
500
400
300
200
100
0
Ao
Z1
0
Z2
Z3
3
Z4
Z5
6
Z6
Z3 ,1
9
Z5,2
12
K o n s e n tr a s i
C r r a ta - ra ta
W a k t u k e - ( ja m )
Gambar 10.
Grafik Konsentrasi Cr terhadap Waktu pada Area tidak efektif
Gambar 10 menunjukkan adanya penurunan konsentrasi Cr pada setiap interval
waktu dengan konsentrasi minimum yaitu 233,780 mg/g. Konsentrasi Cr rata-rata
pada area inefektif yaitu sebesar 281,2203 mg/g.
Menurut Alshawabkeh (1999), distribusi medan listrik menunjukkan area inefektif
beberapa sel berbentuk curvilinear triangle (segitiga sama kaki) dengan badan kaki
merupakan jarak elektroda yang mempunyai polaritas sama.
Secara umum, tujuan penerapan konfigurasi elektroda 2D adalah untuk mencapai
aliran radial (axi-symetrical). Katoda ditempatkan di tengah untuk memberikan
akumulasi kontaminan Cr pada zona yang lebih kecil di sekitar katoda sedangkan
anoda ditempatkan pada batas pinggir untuk memaksimalkan penyebaran lingkungan
asam yang dibangkitkan oleh anoda dan meminimalkan perluasan lingkungan basa
yang dibangkitkan oleh katoda (Alshawbkeh, 1999). Pada Gambar 11 berikut ini
dijelaskan konsentrasi Cr dan pH rata-rata pada seluruh titik sampling.
Z4
C= 2 7 7 ppm
D1
Z3
C = 3 2 2 ,8 ppm
C = 20 7 ,8 2 ppm
D2
E1
D3
C1
E2
Z5
C2
E3
C3
C= 2 7 4,6 ppm
C= 2 5 9,8 ppm
III
C = 156 p p m
F3
F2
B3
p H = 9,38
II
C = 1 1 1 ppm
pH = 5 ,3 8
Z2
C= 2 3 1,5 ppm
B2
A3
F1
I
C = 1 5 6 ppm
B1
pH = 3 ,7
A2
Z6
C = 2 7 4 ,6 ppm
A1
Z1
C = 3 85 ,5 7 2 ppm
Gambar 11.
Konsentrasi Cr dan pH Rata-rata pada setiap Titik Sampling
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
29
Efisiensi Penurunan Konsentrasi Cr
Dari analisis data di depan dapat diketahui nilai efisiensi penurunan konsentrasi
Cr setelah dilakukan remediasi elektrokinetik yaitu: a) area I : 75,65%, b) area II : 78,13,
c) area III : 69,40%, dan d) area inefektif 44,81%.
80
70
60
50
Efisiensi (%)
40
30
20
10
0
I
II
III
Inefektif
Area
Gambar 12.
Tingkat Efisiensi Konsentrasi Cr di Setiap Area
Dari Gambar 12 di atas dapat terlihat bahwa, nilai efisiensi terbesar terjadi pada
area efektif II, dimana pada area II tersebut memiliki nilai efisiensi konsentrasi Cr sebesar
78,1 %. Sementara nilai efisiensi terendah terjadi pada area inefektif dengan nilai
efisiensi rata-rata hanya 44,81 %. Hal tersebut di atas dikarenakan area efektif
merupakan area yang dipengaruhi oleh medan listrik yang paling kuat sehingga pada
area-area efektif terjadi proses elektromigrasi atau migrasi ion Cr3+ secara optimum.
Sedangkan pada area inefektif merupakan area di luar sistem elektroda sehingga
pengaruh medan listrik pada area tersebut sangat kecil. Pada area III, nilai efisiensi
konsentrasi Cr hanya 69,4%, lebih rendah jika dibandingkan efisiensi pada area efektif
lainnya, ini dikarenakan penurunan konsentrasi Cr pada area III tersebut tidak terlalu
besar selain itu area III merupakan area tempat terakumulasinya ion-ion Cr3+ yang
berasal dari area I dan II.
Daftar Pustaka
Acar, Y. B. and Alshawabkeh, A. N., 1993, Principles of Electrokinetic Remediation,
Environmental Science and Technology, New Delhi, India.
Acar, Y.B., Gale R. J., Putnam, G. A, Hamed, J. and Wong, R. L., 1990, Electrochemical processing of Soils, Betlehem.
Alshawabkeh, A. N., 1999, Optimation of 2D Electrode Configuration for Electrokinetic
Remediation, Juornal of Soil Contamination, USA.
Alshawabkeh, A. N., 2000, Final In-Situ Electrokinetic Remediation of Metal Contaminated Soils. http//: www.US Army Environmental Center
Alshawabkeh, A. N., 2001, Basic and Application of Electrokinetic Remediation,
Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE-UFRJ).
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
30
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
Bueche, F. J., 1989, Theory and Problem of College Physics, MacGraw Hill, Inc.
Chan, M. S. and Lynch, J. R., 2002, Two-Dimensional Electrokinetic Remediation of
Soil, Cambridge University Engineering Departement, UK.
Pamukcu, S., 1994, Electro-Chemical Technologies for In-Situ Restoration of
Contaminaated Subsurface Soils, Departement of Civil and Environmental Engineering, Lehigh University, Betlehem, USA.
Petrucci, R. H., 1993, Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern, Gelora Aksara Pratama,
Bogor.
Setiono, L., Hadyana, A., 1990, Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan
Semimakro, (Terjemahan dari Vogel,1979), Kalman Media Pustaka, Jakarta.
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
18
Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat
Krom (Cr) dengan Teknik Remediasi Elektrokinetik
1
Luqman Hakim1, Sismanto2 , Siti Fatimah3
Staf Pengajar Jurusan Teknik Lingkungan-FTSP-UII
2
Staf Pengajar Jurusan Kimia-FMIPA-UGM
3
Alumni Jurusan Teknik LingkunganFTSP-UII
Abstract
This research was conducted on the laboratory scale. The research methode
of electrokinetic remediation with type of 2-D hexagonal electrode configuration are use voltage 40 Volt and 0.2 A of DC electric. Soil contaminated
with Cr heavy metal was made by kaolinit soil from Godean distric in which
that soil have initial concentration Cr 9.52 µg/g, and then the soil are contaminated by Cr2O3 500 µg/g solution, soil weight 150 kg then homogenized
on the reactor with 1 m x 1 m x 1 m dimentions. In electrokinetic remediation,
electrodes are implanted in the soil, and direct current imposed between the
electrodes then running for 12 hours. The electrodes are made from graphite
and placed with hexagonal configuration which spacing of electrodes on
between 15 cm.
The result of research was shown that the avarege of soil pH before remediated
in the condition strong acid i.e 2.4 while soil pH remediated within the range
8.4 to 10.2 in the serounding cathode. Mean while, in the serounding anode
on the condition strong acid that are about pH 3 to 5.4. It means there are
chemical reactions called electrolysis. That Electrolysis reaction are oxidation reaction of the water from anode resulted acid conditions and also base
condition in the cathode caused by reduction reaction of the water. The removal of Cr concentration having remediate for 12 hours in the site I to III
are avarege 111.46 to 281.22 mg/g, in the other wards the removal efficiency
of electrokinetic remediation are about 64.90 to 78.13%. It was shown that
there are Cr3+ ion migrations phenomena moved to cathode. That ion migration was influnced by electrical current. Electrical current flowing in the soil
had been caused ion migration to counter electrode. As finally, Cr3+ ion that
formed from Cr2O3 contaminant will reduce to elemental and then attached
to cathode.
Keywords: Cromium (Cr), electrokinetic remediation, electrolysis,
electromigration
Latar Belakang
Daerah Istimewa Yogyakarta (DIY) telah dikenal sebagai pengahasil kerajinan
kulit dengan kualitas ekspor. Berkembangnya industri kulit ini tentunya akan lebih
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
19
mengangkat citra DIY sebagai kota wisata. Disisi lain, dengan adanya industri
kulit ini tentunya akan menghasilkan limbah baik itu berupa limbah cair maupun padat
sebagai hasil sisa kegiatan produksi. Apabila limbah ini tidak diolah ataupun dikelola
dengan baik, maka akan menimbulkan dampak bagi kesehatan dan lingkungan. Hal
ini tentunya dapat mempengaruhi minat para wisatawan untuk datang ke DIY.
Pemerintah Propinsi DIY telah memfasilitasi pengolahan limbah cair industri kulit secara
terpadu di Desa Sitimulyo Kabupaten Bantul, namun demikian hasil pengolahan limbah
cair tersebut mengahasilkan lumpur padat (sludge). Pengolahan sludge sampai saat
ini belum dilakukan dan umumnya sludge tersebut langsung dibuang ke dalam tanah.
Pemanfaatan bahan kimia berupa Khrom (Cr) sebagai bahan perontok bulu pada
kulit, pada satu sisi akan menghasilkan limbah berupa Krom Heksavalen (Cr6+) baik
berupa limbah cair maupun padat. Limbah logam berat Cr6+ adalah termasuk dalam
kategori limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) karena sifatnya yang toksik.
Untuk mengatasi permasalahan lingkungan tersebut di atas khususnya pada
pencemaran tanah perlu dilakukan upaya pengolahan dan pengelolaan. Salah satunya
yaitu melalui pemulihan (remediasi) tanah yang sudah terkontaminasi.
Pemulihan tanah secara elektrokinetik merupakan salah satu upaya pemulihan
tanah yang terkontaminasi oleh logam berat dan kontaminan organik lainnya secara in
situ. Tujuan penelitian ini yaitu a) Mempelajari fenomena remediasi elektrokinetik pada
tanah terkontaminasi logam berat Cr2O3 dan b) Mengetahui effisiensi penurunan
konsentrasi logam berat Cr2O3 pada tanah yang telah terkontaminasi.
Tinjauan Pustaka
Penelitian tentang remediasi elektrokinetik pada tanah terkontaminasi sudah
banyak dilakukan oleh para peneliti sebelumnya; antara lain oleh Acar dan Alshawabkeh,
1993; Chan dan Lynch 2002; Alshawabkeh, et. Al., 1999; dan Pamukcu, 1997.
Remediasi tanah (soil remediation) adalah pemulihan tanah yang terkontaminasi
oleh zat-zat pencemar seperti logam berat dan atau senyawa organik untuk
mengembalikan fungsi tanah sehingga dapat dimanfaatkan kembali dan tidak
menimbulkan masalah bagi lingkungan.
Menurut Cynthia (1997), teknologi remediasi secara umum dapat dilakukan dengan
isolasi, immobilisasi, reduksi toksisitas, pemisahan fisis dan ekstraksi. Teknologi secara
ekstraksi untuk remediasi tanah antara lain: soil washing, phyrometallurgical, in situ
soil flushing dan electrokinetic treatment.
Remediasi Elektrokinetik
Remediasi secara elektrokinetik merupakan teknologi pemulihan tanah
terkontaminasi logam berat dan senyawa-senyawa organik melalui proses secara insitu dengan menggunakan tegangan listrik rendah dan arus DC (direct current) pada
potongan melintang area antara elektroda yang diletakkan pada tanah dengan susunan
aliran terbuka. Tekanan aliran pada umumnya digolongkan dalam miliampere per
sentimeter kuadrat (mA/cm2) atau beda potensial tegangan listrik volt per sentimeter.
Dengan penerapan teknologi tersebut diharapkan kontaminan logam berat dalam tanah
dapat dipindahkan/digerakkan, dipadatkan/dipekatkan oleh elektroda serta
diekstraksikan dari tanah, yang secara skematik dapat dilihat pada Gambar 1
(Alshawabkeh, 2001).
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
20
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
Gambar 1.
Prinsip Dasar Remediasi Elektrokinetik (Alshawabkeh, 2001)
Pada teknologi ini, elektroda ditempatkan pada tanah secara vertikal maupun
horizontal. Ketika arus DC digunakan pada elektroda, dihasilkan tanah yang
terpengaruh medan listrik oleh katoda dan anoda. Penggunaan sistem tersebut pada
tanah mempunyai beberapa efek yaitu : electromigration, electroosmosis, perubahan
pH, dan electrophoresis. Electromigration, yaitu pergerakan kation dan anion karena
pengaruh sifat listrik yang ditimbulkan sistem tersebut pada tanah. Kation (ion
bermuatan +) cenderung untuk berpindah ke arah katoda bermuatan negatif, dan anion ( ion bermuatan -) berpindah ke arah anoda bermuatan positif. Pada
penyelesaiannya, ion-ion yang dipekatkan/dipadatkan tersebut akan mendekati
elektroda atau mengalami reaksi pada elektroda, dimana logam-logam pencemar
tersebut naik ke arah elektroda atau melepaskan komponen berbentuk gas. Perubahan
pH karena pengaruh arus merupakan reaksi elektrolisis pada elektroda. Terjadi oksidasi
air pada anoda dan menghasilkan ion-ion hidrogen (H+ ). Ion-ion H+ tersebut
membangkitkan asam untuk berpindah menuju katoda. Sebaliknya, penurunan air
terjadi pada katoda dan menghasilkan ion-ion hidroxyl (OH-) yang kemudian berpindah
sebagai dasar ke arah anoda (Acar et.al, 1990).
Transport pada ion-ion H+ diperkirakan 2 kali lebih cepat daripada ion-ion OH-.
Dengan demikian, gerakan asam rata-rata lebih besar daripada basa. Electroosmosis
adalah proses transport air dalam jumlah besar yang terus mengalir pada tanah. Electrophoresis merupakan pergerakan partikel-partikel karena pengaruh medan listrik (Acar
dan Alshawabkeh, 1993).
Hasil yang didapatkan dari bench-scale laboratory dan percobaan skala lapangan
mengindikasikan bahwa teknologi elektrokinetik ini dapat sukses diaplikasikan pada
clayey (lempungan) sampai tanah fine sandy (pasiran halus). Hal ini menunjukkan
bahwa tipe tanah bukan merupakan batasan yang signifikan. Bagaimanapun, kecepatan
transport kontaminan dan efisiensinya tergantung pada tipe tanah dan variabel
lingkungan. Tanah dengan aktifitas tinggi, seperti illite, montmorillonite dan kaolinit
menunjukkan tingginya buffer asam/basa dan memerlukan asam berlebih dan perantara
peningkat untuk desorb dan pelarutan kontaminan sorbed pada permukaan partikel
tanah sebelum mereka dapat mentransportkan keluar subsurfase (bawah permukaan)
dan removal. Teknologi ini dapat diaplikasikan untuk mengolah lapisan tanah heterogenous secara efektif (Alshawabkeh,1999).
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
21
Material, Konfigurasi dan Spasi Elektroda
Material Elektroda, Bahan kimia yang tidak bereaksi dan bahan yang bisa
menghantarkan listrik seperti grafit, coated titanium atau platinum bisa digunakan
sebagai anoda untuk menahan dissolusi elektroda dan berlangsungnya pengkaratan
dalam kondisi asam.
Hipotesis
Berdasarkan tinjauan pustaka dan landasan teori tentang remediasi
elektrokinetik, maka dapat dirumuskan hipotesis sebagai berikut :
1. Teknik remediasi elektrokinetik dapat dipergunakan untuk memulihkan tanah yang
telah terkontaminasi oleh logam berat Cr2O3
2. Teknik Remediasi elektrokinetik efektif untuk menurunkan konsentrasi logam berat
Cr2O3 dalam tanah.
Metode Penelitian
Tahap penelitian dilakukan melalui dua tahapan yaitu:
1. Tahap pra penelitian : pemilihan tanah, analisis karakteristik dan jenis tanah,
persiapan kontaminan, persiapan elektroda dan power supply.
2. Tahap penelitian. Running teknologi remediasi elektrokinetik pada tanah
terkontaminasi oleh Cr2O3 (khrom trioksida).
3. Parameter yang dianalisis: pH, Resitivitas, Konduktivitas, dan Cr2O3,
4. Desain Teknologi Remediasi Elektrokinetik
a. Kebutuhan Elektroda
Konfigurasi elektroda hexagonal terdiri dari beberapa sel, masing masing berisi
satu katoda yang dikelilingi oleh 6 kutub positif (anoda), lihat gambar 2.
b. Reaktor
Volume tanah
=
pxlxt
=
1 m x 0,95 m x 0,13 m
=
0,12 m3 = 120 l
Berat tanah
=
Bj tanah x volume tanah
=
1,25 kg/l x 120 l
=
150 kg
Gambar 2.
Teknologi Remediasi Elektrokinetik
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
22
Analisis Data
Untuk menentukan tingkat effisiensi penurunan konsentrasi Cr2O3 (khrom trioksida)
pada tanah setelah dilakukan remediasi secara elektrokinetik adalah dengan
menggunakan persamaan sebagai berikut:
E=
Cawal − Cakhir
x100%
Cawal
E = Effisiensi (%)
C = Konsentrasi
Hasil dan Pembahasasn
Media yang digunakan pada penelitian ini adalah tanah lempung kaolinit dari Godean
dengan konsentrasi Cr awal sebelum dikontaminasikan 9,3 µg/g (ppm) dan pH awal 5,8
cenderung memiliki kondisi asam. Tanah tersebut kemudian dikontaminasikan dengan
limbah simulasi Cr2O3 (khrom trioksida) dengan konsentrasi 500 µg/g.
Hasil Analisis pH pada Area Efektif
Pada penelitian ini, pengambilan sampel tanah dilakukan di dalam reaktor percobaan
yang dibagi menjadi 4 area yaitu: a)area I: 15 cm dari katoda, b) area II: 10 cm dari katoda,
c) area III: 5 cm dari katoda, d) area tidak efektif: terletak 15 cm diluar anoda.
Area I, II dan III merupakan area efektif sedangkan area tidak efektif merupakan
area yang berada di luar daerah elektroda. Selain pada area anoda dan katoda,
pengukuran pH juga dilakukan diantara anoda dan katoda yaitu area yang letaknya 10
cm dari anoda dan katoda.
Hasil pengukuran pH sebagaimana terlihat pada Gambar 3 menunjukkan adanya
peningkatan pH di setiap area. Pada waktu jam ke-0 di setiap area memiliki pH terendah
dengan nilai rata-rata 2, kemudian pada waktu jam ke-3 pH di area I dan area II
mengalami kenaikan namun di area III atau area sekitar katoda kenaikan pH sangat
tajam, yaitu mencapai 8,4. Pada waktu jam ke-6 pH di area I dan area II masingmasing sebesar 3,7 dan 5,0. Sedangkan pH di area III semakin meningkat sebesar
9,2 sampai pada waktu jam ke-12, pH maksimum di area III sebesar 10,2 dan di area
I dan II yaitu masing-masing sebesar 4,2 dan 5,4.
12
10
w aktu ke-0
w aktu ke-3
w aktu ke-6
w aktu ke- 9
w aktu ke-12
8
pH 6
4
2
0
5
(III)
10
(II)
15 (I)
Jarak (cm ) (Area)
Gambar 3.
Grafik Hubungan pH terhadap Jarak (Area)
Dari perubahan pH tersebut dapat diartikan bahwa telah terjadi reaksi-reaksi kimia di
setiap area titik sampling. Salah satunya telah terjadi proses electrolysis, yaitu reaksi
oksidasi air pada kutub positif (anoda) disebut sebagai area I yang menghasilkan kondisi
asam, sementara pada kutub negatif (katoda) disebut sebagai area III terjadi reduksi air
yang menghasilkan kondisi basa. Reaksi-reaksi yang terjadi tersebut yaitu :
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
23
1.
Pada Area Katoda (III)
Reduksi air :
2 H2O (l) + 2 e ? H2 (g) + 2OH- (aq)
Reaksi di atas menjelaskan terjadi reduksi air pada area III (katoda) yaitu
pengambilan elektron sebanyak 2e yang kemudian menghasilkan ion OH- sehingga
berarti bahwa pada area III (katoda) mengalami kondisi basa.
2.
Pada Area Anoda (I)
Oksidasi air :
2 H2O (l) ?
4 H+(aq) + O2 (g) + 4e
Reaksi di atas menjelaskan reaksi oksidasi air pada area anoda (I) dimana
terjadi pelepasan elektron sebanyak 4e dan menghasilkan ion H+ yang berarti
bahwa pada area I mengalami kondisi asam.
Ion-ion dari zat terlarut dan ion-ion hidrogen maupun hidroksil (OH-), berlombalomba untuk melepaskan muatan mereka pada elektroda dan ion yang berhasil
adalah ion yang memerlukan energi paling sedikit untuk melepaskan muatan.
Dengan memakai istilah elektrokimia, dapat dikatakan bahwa pada keadaan
tertentu, ion yang memerlukan tegangan elektroda negatif yang lebih rendah akan
terlebih dulu melepaskan muatannya pada katoda, sedangkan ion-ion yang
memerlukan tegangan elektroda positif yang lebih rendah, akan terlebih dulu
melepaskan muatannya pada anoda. Pelepasan ion-ion hidroksil pada anoda
mengakibatkan terbentuknya gas oksigen :
4OH? 2H2O + O2 (g) + 4e
Sedangkan reaksi yang terjadi pada katoda adalah bahwa ion-ion hidrogen
bermigrasi ke arah katoda dengan membentuk molekul-molekul hidrogen, yang
dilepaskan dalam bentuk gas hidrogen : (Setiono,1990)
2 H+ + 2 e ?
H2
Pada area II yaitu area di antara anoda dan katoda pada penelitian ini
mengalami kondisi asam namun memiliki nilai pH yang lebih tinggi dibanding
dengan area I. Area II memiliki pH rata-rata 5, sehingga dimungkinkan di area II
tersebut lebih dominan terpengaruh oleh area anoda sehingga pada area II
cenderung mengalami kondisi asam.
Daya hantar larutan pada proses electrolysis ini disebabkan karena adanya
ion-ion (partikel bermuatan) yang apabila dialirkan listrik akan bermigrasi ke arah
elektroda yang muatannya berlawanan, karena gaya elektrostatik.
Tidak hanya area elektroda (anoda dan katoda) saja yang berpengaruh
terhadap perubahan pH, faktor waktu juga berpengaruh terhadap kenaikan pH.
Berikut ini grafik hubungan pH terhadap waktu di tiap-tiap area efektif, Gambar 4.
14
Area I
Area II
Area III
12
10
pH
8
6
4
2
0
0
3
6
9
12
Waktu ke-(jam )
Gambar 4.
Hubungan pH terhadap waktu di area efektif
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
24
Fenomena atau kecenderungan yang terjadi dari hubungan pH terhadap waktu
oleh garis exponensial di masing-masing area. Perbedaan posisi antara garis
exponensial dengan sebaran data pada setiap grafik di atas kemungkinan diakibatkan
adanya kesalahan pengukuran pH, kadar air yang tidak homogen sehingga proses
electrolysis tidak merata atau faktor lainnya.
Alshawabkeh (1999): Perubahan pH pada tanah terkontaminasi tergantung pada
jenis bahan kimia, kadar air dalam tanah, proses electrolysis ,waktu treatment dan
potensial elektrokimia. Arus listrik yang mengalir melalui elektroda juga mempengaruhi
proses elektrolisis di elektroda. Oksidasi air di kutub positif (anoda) menghasilkan
kondisi asam sementara pada kutub negatif (katoda) terjadi reduksi (pengurangan)
yang menghasilkan kondisi basa dalam tanah. Saat asam dihasilkan di kutub positif
(anoda), melalui tanah dapat sampai ke arah katoda dibantu oleh migrasi ion dan
elektroosmosis, basa yang dihasilkan di katoda dapat bergerak menuju ke anoda dibantu
secara difusi dan migrasi ion
Hasil Analisis Konsentrasi Cr pada Area Efektif
Analisis konsentrasi Cr dalam tanah kaolinit menggunakan metode APN
menunjukkan bahwa konsentrasi Cr awal Ao di setiap area adalah adalah sebesar
509,524 mg/g. Setelah dilakukan remediasi terjadi penurunan konsentrasi Cr yang
berbeda di setiap area sampling, dengan interval waktu remediasi masing-masing area
adalah tiap 3 jam Gambar 5.
600
Waktu ke-3
Waktu ke-6
Waktu ke-9
Waktu ke-12
Ao
500
400
C
300
(ppm)
200
100
0
0
5 (III)
10
(II)
15 (I)
20
Jarak dari katoda (cm) (Area)
Gambar 5. Hubungan Konsentrasi Cr terhadap Jarak Elektroda pada area efektif
Penurunan konsentrasi Cr rata-rata setiap 3 jam pada area I (anoda) mengalami
penurunan yang cukup besar dengan konsentrasi Cr terendah saat waktu ke 12 jam
yaitu sebesar 88,653 mg/g. Penurunan konsentrasi yang sangat tajam terjadi pada
area II yaitu sebesar 78,527 mg/g. Pada area III terjadi penurunan konsentrasi Cr
yang tidak terlalu besar yaitu 89,203 mg/g. Penurunan konsentrasi pada setiap area
tersebut karena adanya pergerakan ion-ion Cr3+ menuju katoda sehingga dari
konsentrasi Cr awal yaitu di titik 509 µg/g setelah mengalami remediasi mengalami
penurunan konsentrasi di tiap titik area selama 12 jam.
Migrasi ion Cr 3+ menuju katoda pada area II tersebut tersebut lebih banyak
dibanding area lainnya. Banyaknya jumlah ion Cr3+ yang bermigrasi salah satunya
ditentukan oleh cepatnya gerakan antar ion Cr3+ bermigrasi menuju katoda, sehingga
jarak sangat berpengaruh terhadap pergerakan ion-ion Cr3+ tersebut. Area III adalah
yang berada di sekitar katoda dengan jarak 5 cm dari katoda, dari garis polynomial
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
25
yang terlihat konsentrasi Cr terendah di area III tersebut lebih tinggi dibanding
area lainnya, dimungkinkan ion-ion Cr3+ yang bermigrasi menuju katoda terakumulasi
di area sekitar katoda tersebut, sehingga walaupun terjadi penurunan konsentrasi Cr
di area III namun tidak terlalu besar karena terus terjadi penambahan ion Cr3+ yang
berasal dari area lainnya. Pergerakan ion-ion Cr3+ karena adanya aliran listrik sehingga
kation terebut bermigrasi menuju katoda.
Tanah yang mengandung ion Cr3+ yang berasal dari kontaminan Cr2O3, pada katoda
direduksi menjadi logamnya sendiri dan logam yang terbentuk itu kemudian diendapkan
dan menempel pada permukaan batang katoda (Petrucci, 1993). Sesuai dengan reaksi
berikut ini :
Cr3+ + 3e
?
Cr0 (logam)
3+
Ion-ion Cr pada area I dan area II bergerak menuju katoda di bawah pengaruh
medan listrik, sehingga pada area I dan area II tersebut terjadi penurunan konsentrasi
Cr. Pada area III (katoda) penurunan konsentrasi yang terjadi tidak terlalu besar
dibanding pada area I dan II, ini dikarenakan area III merupakan area terletaknya katoda,
sehingga ion-ion Cr3+ dari area I dan area II yang bergerak menuju katoda cenderung
terakumulasi pada area katoda sedangkan ion-ion tersebut tidak langsung dapat
menempel dan mengendap pada katoda yang mengakibatkan pada area III terjadi
penambahan konsentrasi Cr yang berasal dari area I dan II. Walaupun demikian pada
area III tetap terjadi penurunan konsentrasi Cr, karena ion-ion Cr3+ terus bergerak menuju
katoda dan menempel pada permukaan batang katoda, seperti dijelaskan pada Gambar
6.
Cr 3+ --- > Cr0
(+)
(- )
Area I
Cr
3+
Cr
3+
Area II
Cr
Area III
K+
3+
Cr 3+
Cr
3+
Cr 3+
Cr
3+
Cr
Cr
3+
Cr
Cr
3+
3+
3+
Ca 2+
5 cm
Asam
5 cm
5 cm
Basa
Gambar 6.
Arah proses migrasi ion pada anoda dan katoda
Dari Gambar 6 tersebut terlihat bahwa pada saat terjadi elektromigrasi atau migrasi
ion, ion-ion bermuatan positif (kation) akan saling berebutan menuju katoda. Sehingga
konsentrasi ion-ion bermuatan positif akan terakumulasi pada area katoda.
Selain hal-hal tersebut di atas, lamanya waktu remediasi juga berpengaruh
terhadap penurunan konsentrasi ion-ion Cr3+. Penurunan konsentrasi ion-ion tersebut
diakibatkan adanya pergerakan ion-ion tersebut menuju kutub negatif (katoda) dalam
interval waktu 12 jam. Dari data yang didapat pada penelitian ini mengindikasikan
bahwa semakin lama waktu remediasi, maka konsentrasi ion-ion Cr3+ semakin menurun.
Seperti yang dikatakan oleh Pamukcu (1994), bahwa penurunan ion-ion
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
26
tergantung pada spasi elektroda, konfigurasi elektroda, waktu dan reaksi geokimia.
Gambar 7 berikut ini menunjukkan fenomena yang terjadi dalam hubungan konsentrasi
Cr terhadap waktu remediasi pada masing-masing area efektif :
600
Area I
Area II
Area III
500
400
C 300
(ppm)
200
100
0
0
3
6
9
12
Waktu ke - (jam)
Gambar 7.
Grafik Hubungan Konsentrsi Cr terhadap Waktu di Area efektif
Garis-garis exponensial pada Gambar 9 menunjukkan fenomena hubungan
konsentrasi terhadap waktu. Semakin lama waktu remediasi, konsentrasi Cr dalam
tanah semakin menurun sampai pada saat dimana ion-ion tidak dapat bermigrasi lagi.
Konsentrasi Cr terendah berada pada area II yaitu sebesar 78,52 µg/g dengan waktu
remediasi selama 12 jam.
Hasil Analisis pada Arus dan Resistensi
Grafik pada Gambar 8 menunjukkan bahwa terjadi peningkatan resistensi
pada variasi waktu setiap 3 jam sedangkan arus yang terjadi mengalami nilai konstan
yaitu 0,2 A, karena berkurangnya jumlah ion-ion penghantar maka hambatan (resistensi)
yang terjadi dalam tanah semakin meningkat.
8000000
7000000
6000000
5000000
R
(O h m s ) 4 0 0 0 0 0 0
3000000
2000000
1000000
0
w a k tu k e (ja m )
Gambar 8.
Grafik Hubungan Resistensi, Waktu dan Arus
Selain itu, karena adanya penumpukan kation pada katoda mengakibatkan luas
penampang katoda menjadi kecil sehingga hambatan yang dialami arus listrik
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
27
akan semakin besar, teori tersebut sesuai dengan persamaan bahwa resistensi
akan berbanding terbalik dengan luas penampang (Bueche,1989). Maka kenaikan
resistensi yang terjadi pada penelitian ini disebabkan karena adanya penurunan
konsentrasi ion-ion logam muatan positif sehingga menyebabkan kenaikan resistensi
yang cukup signifikan.
Hubungan Konsentrasi, pH dan Waktu di Area Efektif
Dimungkinkan variabel konsentrasi Cr, pH dan waktu memiliki hubungan yang saling
ketergantungan satu sama lain (lihat Gambar 9). Dari Gambar 9 menunjukkan penurunan
konsentrasi Cr terjadi bersamaan dengan perubahan pH di setiap area efektif dalam
interval tiap 3 jam. Namun penurunan konsentrasi terendah terjadi pada area II, area
yang terletak di antara katoda dan anoda yaitu sebesar 78,54 mg/g.
600
A r ea I
A r ea II
500
A r ea III
400
C
300
(ppm )
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
pH
Gambar 9.
Hubungan Konsentrasi Cr dan pH di Area Efektif
Sedangkan area yang memiliki konsentrasi Cr paling tinggi adalah pada area III
yaitu area yang berada di sekitar katoda, konsentrasi Cr terendah pada area tersebut
sebesar 89,2035 mg/g. Pada area di sekitar anoda (area I) mengalami kondisi asam
dimana pH tertinggi yaitu sebesar 4,2. Area di sekitar katoda (area III) mengalami
kondisi basa dengan pH tertinggi sebesar 10,2. Sedangkan area di antara katoda dan
anoda (area II) memiliki pH tertinggi sebesar 5,4 yang berarti pada area II mengalami
kondisi asam. pH rendah akan menyebabkan proses oksidasi menjadi tidak efisien
sehingga dibutuhkan energi yang besar. Dari gambar 9 menunjukkan adanya reaksireaksi kimia akibat pengaruh medan listrik. Perubahan pH menunjukkan telah terjadinya
proses electrolysis dan electromigration. Konsentrasi Cr yang menurun sebagai akibat
dari adanya migrasi ion dan electrophoresis.
Hasil Analisis Konsentrasi Cr pada Area Tidak Efektif
Selain pada area efektif, analisis konsentrasi Cr dilakukan juga pada area tidak
efektif, area yang terletak di luar area efektif. Pengambilan sampel dan data pada
area tidak efektif ( Z ) ini adalah sebagai perbandingan dengan area efektif. Area tidak
efektif merupakan area yang berada di luar daerah elektroda (anoda dan katoda).
Pada penelitian ini, pengambilan sampel tanah yang telah diremediasi dilakukan pada
waktu yang bersamaan dengan pengambilan sampel tanah pada area tidak efektif.
Jarak pengambilan sampel tanah pada area tidak efektif sejauh 15 cm ke arah luar
elektroda yaitu 15 cm dari arah anoda. Gambar 10 adalah hasil analisis
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
28
pada area tidak efektif yang disesuaikan dengan waktu pengambilan sampel.
Dari Gambar 10 tersebut didapat bahwa terjadi penurunan konsentrasi Cr pada area
tidak efektif, sehingga dapat dimungkinkan bahwa pada area tersebut mendapat
pengaruh dari medan listrik area efektif. Penurunan konsentrasi Cr pada area tidak
efektif tidak sebesar penurunan konsentrasi Cr pada area efektif, walaupun sangat
kecil telah terjadi pengaruh sistem elektroda area efektif terhadap area tidak efektif .
K o n s e n tra s
600
500
400
300
200
100
0
Ao
Z1
0
Z2
Z3
3
Z4
Z5
6
Z6
Z3 ,1
9
Z5,2
12
K o n s e n tr a s i
C r r a ta - ra ta
W a k t u k e - ( ja m )
Gambar 10.
Grafik Konsentrasi Cr terhadap Waktu pada Area tidak efektif
Gambar 10 menunjukkan adanya penurunan konsentrasi Cr pada setiap interval
waktu dengan konsentrasi minimum yaitu 233,780 mg/g. Konsentrasi Cr rata-rata
pada area inefektif yaitu sebesar 281,2203 mg/g.
Menurut Alshawabkeh (1999), distribusi medan listrik menunjukkan area inefektif
beberapa sel berbentuk curvilinear triangle (segitiga sama kaki) dengan badan kaki
merupakan jarak elektroda yang mempunyai polaritas sama.
Secara umum, tujuan penerapan konfigurasi elektroda 2D adalah untuk mencapai
aliran radial (axi-symetrical). Katoda ditempatkan di tengah untuk memberikan
akumulasi kontaminan Cr pada zona yang lebih kecil di sekitar katoda sedangkan
anoda ditempatkan pada batas pinggir untuk memaksimalkan penyebaran lingkungan
asam yang dibangkitkan oleh anoda dan meminimalkan perluasan lingkungan basa
yang dibangkitkan oleh katoda (Alshawbkeh, 1999). Pada Gambar 11 berikut ini
dijelaskan konsentrasi Cr dan pH rata-rata pada seluruh titik sampling.
Z4
C= 2 7 7 ppm
D1
Z3
C = 3 2 2 ,8 ppm
C = 20 7 ,8 2 ppm
D2
E1
D3
C1
E2
Z5
C2
E3
C3
C= 2 7 4,6 ppm
C= 2 5 9,8 ppm
III
C = 156 p p m
F3
F2
B3
p H = 9,38
II
C = 1 1 1 ppm
pH = 5 ,3 8
Z2
C= 2 3 1,5 ppm
B2
A3
F1
I
C = 1 5 6 ppm
B1
pH = 3 ,7
A2
Z6
C = 2 7 4 ,6 ppm
A1
Z1
C = 3 85 ,5 7 2 ppm
Gambar 11.
Konsentrasi Cr dan pH Rata-rata pada setiap Titik Sampling
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
29
Efisiensi Penurunan Konsentrasi Cr
Dari analisis data di depan dapat diketahui nilai efisiensi penurunan konsentrasi
Cr setelah dilakukan remediasi elektrokinetik yaitu: a) area I : 75,65%, b) area II : 78,13,
c) area III : 69,40%, dan d) area inefektif 44,81%.
80
70
60
50
Efisiensi (%)
40
30
20
10
0
I
II
III
Inefektif
Area
Gambar 12.
Tingkat Efisiensi Konsentrasi Cr di Setiap Area
Dari Gambar 12 di atas dapat terlihat bahwa, nilai efisiensi terbesar terjadi pada
area efektif II, dimana pada area II tersebut memiliki nilai efisiensi konsentrasi Cr sebesar
78,1 %. Sementara nilai efisiensi terendah terjadi pada area inefektif dengan nilai
efisiensi rata-rata hanya 44,81 %. Hal tersebut di atas dikarenakan area efektif
merupakan area yang dipengaruhi oleh medan listrik yang paling kuat sehingga pada
area-area efektif terjadi proses elektromigrasi atau migrasi ion Cr3+ secara optimum.
Sedangkan pada area inefektif merupakan area di luar sistem elektroda sehingga
pengaruh medan listrik pada area tersebut sangat kecil. Pada area III, nilai efisiensi
konsentrasi Cr hanya 69,4%, lebih rendah jika dibandingkan efisiensi pada area efektif
lainnya, ini dikarenakan penurunan konsentrasi Cr pada area III tersebut tidak terlalu
besar selain itu area III merupakan area tempat terakumulasinya ion-ion Cr3+ yang
berasal dari area I dan II.
Daftar Pustaka
Acar, Y. B. and Alshawabkeh, A. N., 1993, Principles of Electrokinetic Remediation,
Environmental Science and Technology, New Delhi, India.
Acar, Y.B., Gale R. J., Putnam, G. A, Hamed, J. and Wong, R. L., 1990, Electrochemical processing of Soils, Betlehem.
Alshawabkeh, A. N., 1999, Optimation of 2D Electrode Configuration for Electrokinetic
Remediation, Juornal of Soil Contamination, USA.
Alshawabkeh, A. N., 2000, Final In-Situ Electrokinetic Remediation of Metal Contaminated Soils. http//: www.US Army Environmental Center
Alshawabkeh, A. N., 2001, Basic and Application of Electrokinetic Remediation,
Universidade Federal do Rio de Janeiro (COPPE-UFRJ).
ISSN: 1410-2315
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
30
Luqman, dkk, Remediasi Tanah Terkontaminasi Logam Berat Krom (Cr) ...
Bueche, F. J., 1989, Theory and Problem of College Physics, MacGraw Hill, Inc.
Chan, M. S. and Lynch, J. R., 2002, Two-Dimensional Electrokinetic Remediation of
Soil, Cambridge University Engineering Departement, UK.
Pamukcu, S., 1994, Electro-Chemical Technologies for In-Situ Restoration of
Contaminaated Subsurface Soils, Departement of Civil and Environmental Engineering, Lehigh University, Betlehem, USA.
Petrucci, R. H., 1993, Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern, Gelora Aksara Pratama,
Bogor.
Setiono, L., Hadyana, A., 1990, Buku Teks Analisis Anorganik Kualitatif Makro dan
Semimakro, (Terjemahan dari Vogel,1979), Kalman Media Pustaka, Jakarta.
LOGIKA, Vol. 2, No. 2, Juli 2005
ISSN: 1410-2315