Studi Penggunaan Komposit Kitosan CuO Sebagai Adsorben Untuk Menyerap Logam Besi (Fe) Mangan (Mn) Dan Zink (Zn) Pada Air Sungai Belawan
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kitosan
Kitosan (poly-β-1,4-glucosamine) merupakan biopolimer karbohidrat (polisakarida)
dari glukosamin yang dihasilkan dari proses N-deasetilasi kitin. Bahan ini pertama
kali ditemukan oleh Rouget (1859). Kitosan merupakan polimer alam yang memiliki
rantai linear dengan rumus struktur (C6H11NO4)n. Kitosan dapat diperoleh dari hewan
berkulit keras terutama yang berasal dari laut seperti kulit udang, rajungan, kepiting,
cumi-cumi (Allan et al., 1979), dari jenis serangga (insect) dan jamur (fungi). Kitosan
hanya dapat larut dalam pelarut asam seperti asam asetat, asam formiat, asam laktat,
asam sitrat dan asam hidroklorat. Kitosan tidak larut dalam air, alkali dan asam
mineral encer kecuali dibawah kondisi tertentu yaitu dengan adanya sejumlah pelarut
asam sehingga dapat larut dalam air, metanol, aseton dan campuran lainnya. Salah
satu pelarut asam ialah asam asetat yang memiliki struktur kimia CH3COOH. Sifat
kelarutannya disebabkan oleh kemampuan disosiasi menjadi ion H+ dan CH3COOsehingga berperan sebagai salah satu pereaksi kimia dan bahan baku industri yang
penting.
Kitosan merupakan polimer alami terbesar kedua setelah selulosa (RuizHerra,
1978) dan struktur keduanya juga hampir sama. Perbedaannya hanya pada gugus
rantai C-2 pada selulosa mengandung gugus hidroksida (OH) sedangkan pada kitosan
diganti dengan gugus amina (NH2)
OH
OH
OH
OH
OH
O
O
NH2
OH
O
NH2
O
OH
O
NH2
Gambar 2.1 Struktur Kitosan
5
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan struktur kimianya, kitin dan kitosan memiliki susunan yang
sama. Kitin terbentuk dari ikatan linear asetilglukosamin sedangkan kitosan
dihasilkan dari perpindahan gugus asetil (CH3-CO) agar molekul dapat larut pada
sebagian besar pelarut asam, proses ini disebut deasetilasi. Perbedaan yang nyata
antara kitin dan kitosan ialah kandungan asetil dari polimer tersebut. Faktanya,
terdapat dua kelebihan kitosan dibandingkan kitin. Dalam proses melarutkan, kitin
memerlukan pelarut toksik seperti lithium chloride dan dimethylacetamide sedangkan
kitosan cepat larut dalam pelarut asam asetat. Kelebihan yang kedua ialah kitosan
memiliki gugus amino bebas yang merupakan bagian aktif yang dapat berikatan
dalam banyak reaksi kimia (Knaul et al., 1999) 36
Kitosan memiliki muatan molekul positif (NH3+) yang dapat berikatan secara
kimia dengan muatan negatif yang dimiliki oleh lemak, lipid, kolesterol, ion-ion
metal, protein dan makromolekul (Li et al., 1992). Kitin dan kitosan mengalami
peningkatan secara komersial sehingga sesuai digunakan sebagai sumber material
karena memiliki sifat yang sangat baik yakni biokompatibilitas, biodegradabilitas,
kemampuan adsorpsi, dapat membentuk film dan sebagai chelating agent ion metal
(Rout, 2001).
Menurut viskositasnya, berat molekul kitosan dibagi atas tiga yaitu kitosan
bermolekul tinggi, sedang dan rendah. Kitosan bermolekul tinggi biasanya berasal
dari hewan laut bercangkang keras misalnya kepiting, kerang dan blangkas dengan
berat molekul 800.000-1.100.000 Mv sedangkan kitosan bermolekul sedang dengan
berat molekul 400.000-800.000 Mv dan bermolekul rendah dengan berat molekul
dibawah 400.000 Mv berasal dari hewan laut dengan cangkang atau kulit yang lunak
misalnya udang, cumi-cumi dan rajungan.
2.2. Sifat-Sifat Kitosan
Kitosan adalah padatan amorf putih yang tidak larut dalam alkali dan asam mineral
kecuali pada keadaan tertentu. Keterlarutan kitosan yang paling baik ialah dalam
Universitas Sumatera Utara
larutan asam asetat 1%, asam format 10% dan asam sitrat 10%. Kitosan tidak dapat
larut dalam asam piruvat, asam laktat, dan asam-asam anorganik pada pH tertentu,
walaupun setelah dipanaskan dan diaduk dengan waktu yang agak lama. Keterlarutan
kitosan dalam larutan asam format ataupun asam asetat dapat membedakan kitosan
dan kitin karena kitin tidak dapat melarut dalam keadaan pelarut asam tersebut.
Kitosan dibedakan dari kitin oleh kelarutannya dalam larutan asam encer. Kitosan
bermuatan positif karena kelompok amina pada pH asam, yang besarannya
tergantung pada tingkat deasetilasi, dan dengan demikian kitosan diklasifikasikan
sebagai polielektrolit kationik, sedangkan polisakarida yang lain memberikan muatan
netral ataupun anionik.
Kitosan memiliki sifat unik yang dapat digunakan dalam berbagai cara serta
memiliki kegunaan yang beragam, antara lain sebagai perekat, aditif untuk kertas dan
tekstil, penjernihan air minum, serta untuk mempercepat penyembuhan luka, dan
memperbaiki sifat pengikatan warna. Kitosan merupakan pengkelat yang kuat untuk
ion logam transisi. Kitosan mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi logam dan
membentuk kompleks kitosan dengan logam. (Robert,G.A.F,1992)
2.3. Kegunaan Kitosan
Kitosan banyak digunakan oleh berbagai industri antara lain industri farmasi,
kesehatan,
biokimia,
bioteknologi,
pangan,
pengolahan
limbah,
kosmetik,
agroindustri, industri tekstil, industri perkayuan, industri kertas dan industri
elektronika. Aplikasi khusus berdasarkan sifat yang dipunyainya antara lain untuk
pengolahan limbah cair terutama bahan sebagai bersifat resin penukar ion untuk
meminimalisasi logam-logam berat, mengkoagulasi minyak / lemak, serta
mengurangi kekeruhan,penstabil minyak, rasa dan lemak dalam produksi industri
pangan. (Rismana,2004)
Universitas Sumatera Utara
Kitosan juga merupakan bahan polimer yang mudah dibakar tanpa
meninggalkan sisa-sisa. Jika logam berat mudah diserap oleh kitosan yang kemudian
mengeluarkan logam yang terserap dengan cara membakar ini adalah cara yang
paling ekonomis tanpa memerlukan elusi lagi. Oleh karena itu kitosan sangat baik
untuk menurunkan kandungan ion logam pada air limbah industri. (Oguntimian et al.
2002).
Kitosan mudah mengalami degradasi secara biologis, tidak beracun dan baik sebagai
flokulan dan koagulan serta mudah membentuk membran atau film. Kitosan
merupakan suatu biopolymer alam yang reaktif yang dapat melakukan perubahan –
perubahan kimia. Karena ini banyak turunan kitosan dapat dibuat dengan mudah.
Beberapa turunan kitosan yang telah dihasilkan dan juga telah diketahui kegunaannya
antara lain :
- N-karboksialkil kitosan, digunakan sebagai pengumpul ion logam
- Asetil kitosan, digunakan dalam industri tekstil dan membrane
- Kitosan glukan, digunakan sebagai pengkelat ion logam dan agen penggumpal
Sama seperti kitin, kitosan juga dapat digunakan dalam berbagai bidang, misalnya
a. Untuk industri kertas, kaca, kain, dan pewarna
b. Dalam industri kosmetik
c. Dalam bidang pertanian dan makanan
d. Dalam industri semen
e. Dalam bidang kesehatan
Universitas Sumatera Utara
f. Untuk penyerapan ion logam
(Robert,G.A.F.,1992)
Kitosan banyak digunakan oleh berbagai industri antara lain industri farmasi,
kesehatan,
biokimia,
bioteknologi,
pangan,
pengolahan
limbah,
kosmetik,
agroindustri, industri tekstil, industri perkayuan, industri kertas, dan industri
elektronika. Aplikasi khusus berdasarkan sifat yang dipunyainya antara lain untuk
pengolahan limbah cair terutama bahan sebagai bersifat resin penukar ion untuk
meminimalisasi logam-logam berat, mengkoagulasi minyak/lemak, serta mengurangi
kekeruhan, penstabil minyak, rasa dan lemak dalam produk industri pangan.
(Rismana,E.,2004)
2.3.1. Kemampuan Kitosan Untuk Menyerap Logam
Kemampuan kitosan untuk mengikat logam dengan cara pengkelat adalah
dihubungkan dengan kadar nitrogen yang tinggi pada rantai polimernya. Kitosan
mempunyai satu kumpulan amino linier bagi setiat unit glukosa. Kumpulan amino ini
mempunyai sepasang elektron yang dapat berkoordinat atau membentuk ikatan-ikatan
aktif dengan kation-kation logam. Unsur nitrogen pada setiap monomer kitosan
dikatakan sebagai gugus yang aktif berkoordinat dengan kation logam. (Hutahahean,
S. Ida.,2001) Interaksi kitosan dengan ion logam terjadi karena proses
pengkompleksan dimana penukaran ion, penyerapan dan pengkhelatan terjadi selama
proses berlangsung. Ketiga – tiga proses tersebut tergantung dari ion logam masing –
masing seperti penukaran ion logam masing-masing seperti penukaran ion pada
logam Ca. kitosan menunjukkan affinitas yang tinggi pada logam transisi golongan 3,
begitu pula pada logam yang bukan golongan alkali dengan konsentrasi rendah.
(Muzzarelli, R.A.A.,1973)
Universitas Sumatera Utara
2.4. Mekanisme Serapan Kitosan
Pada umumnya mekanisme serapan kitosan terhadap logam dapat dirumuskan pada
tiga cara, yaitu : Secara pengkelatan, dimana terbentuknya ikatan aktif antara nitrogen
kitosan dengan kation logam, dalam hal ini nitrogen dari kitosan bertindak sebagai
basa lewis yang menyumbangkan sepasang electron untuk berkoordinat dengan
logam.
Secara pertukaran ion yaitu berlaku pertukaran antara proton dari kitosan
dengan kation logam. Secara memperangkap, dimana ion logam terperangkap dalam
lingkaran rantai polimer kitosan.
2.5 Kitosan Blangkas
Kitosan blangkas merupakan kitosan yang diperoleh dari kulit blangkas (Limulus
Polyphemus). Kitin yang diproses dari kulit blangkas didapat dengan hasil 30,60%.
Kitosan dihasilkan melalui proses deasetilasi kitin dengan menggunakan larutan
alkali (NaOH). Proses pembuatan kitosan blangkas dilakukan dengan 2 (dua) tahap
yaitu proses deproteinasi dengan pemberian NaOH 2 M untuk mengurangi protein
pada kulit udang dan proses demineralisasi dengan pemberian HCl 2 M sehingga
kandungan mineral CaCO3 hilang dari kulit udang.
2.6. Tembaga (Cu)
Tembaga (Cu) adalah salah satu logam dari golongan transisi IB dengan nomor atom
29; berat atom 63,546; diameter 8,92; adalah titik lebur 1083 ºC; titik didih 2310 ºC;
jari-jari atom1,173 Å; sedangkan jari-jari ion 0,96 Å. Cu merupakan logam transisi
yang berwarna jingga kemerahan tidak reaktif terhadap asam-asam encer seperti HCl
Universitas Sumatera Utara
dan H2SO4 encer kecuali HNO3 dan H2SO4 pekat yang dipanaskan. Senyawa Cu(II)
lebih stabil dalam larutan (M. Natsir Arsyad, 2001).
Tembaga mempunyai dua macam oksida yang telah diketahui yaitu tenorite
(CuO) dan cuprite (Cu2O). Keduanya termasuk dalam semikonduktor tipe –p (Johan
et al., 2011). CuO adalah senyawa semikonduktor dengan struktur monoklinik. CuO
merupakan anggota paling sederhana senyawa tembaga dan menunjukkan berbagai
sifat fisik yang berguna seperti superkonduktivitas suhu tinggi, efek korelasi elektron
dan dinamika putar. Sebagai semikonduktor tipe-p, CuO telah digunakan dalam
banyak aplikasi seperti dalam gas sensor, katalis, baterai, superkonduktor suhu tinggi,
konversi energi surya dan bidang emisi (Ghane et al., 2010). Gambar 2.2
menunjukkan struktur kristal CuO.
Gambar 2.2 Struktur Kristal CuO ( Wang, 2006)
Dalam Wang (2006), CuO murni adalah sebuah padatan hitam dengan kepadatan 6,4
g/cm3 , mempunyai titik leleh yang tinggi yaitu 1330°C dan tidak larut dalam air.
CuO sering digunakan sebagai pigment dalam keramik. Selain itu juga dalam
makanan hewan. CuO juga digunakan dalam pembuangan material berbahaya.
2.7. Air
Air merupakan kebutuhan hidup manusia yang sangat vital. Secara langsung air
diperlukan untuk minum, memasak, mandi, mencuci dan lain-lain. Secara tidak
langsung air dibutuhkan sebagai bagian ekosistem yang dengannya kehidupan di
bumi dapat berlangsung. Selain penggunaan air secara konvensional, air juga
diperlukan untuk meningkatkan kualitas hidup manusia, yaitu untuk menunjang
Universitas Sumatera Utara
kegiatan industridan teknologi. Kegiatan industri dan teknologi tidak dapat terlepas
dari kebutuhan akan air. Dalam hal ini air sangat diperlukan agar industri dan
teknologi dapat berjalan dengan baik. Walaupun air merupakan sumber daya alam
yang dapat diperbarui, tetapi air akan dapat dengan mudah terkontaminasi oleh
aktivitas manusia. Air banyak digunakan oleh manusia untuk tujuan yang bermacammacam sehingga dengan mudah dapat tercemar (Azwar, 1996).
2.8. Pencemaran Air
Pencemaran air dapat merupakan masalah, dan sangat berhubungan dengan
pencemaran udara serta penggunaan lahan atau daratan. Pada saat udara yang
tercemar jatuh ke bumi bersama air hujan, maka air tersebut sudah tercemar.
Beberapa jenis bahan kimia untuk pupuk dan pestisida pada lahan pertanian akan
terbawa air ke daerah sekitarnya sehingga mencemari air pada permukaan lokasi yang
bersangkutan. Dengan demikian banyak sekali penyebab terjadinya pencemaran air,
yang akhirnya akan bermuara ke laut yang menyebabkan pencemaran pantai dan laut
sekitarnya (Darmono, 2001)
Pencemaran air karena ketidaktahuan manusia, seperti pembuangan air
limbah, tinja, dan lain sebagainya. Pembangunan berbagai pabrik ataupun
penggunaan berbagai zat kimia dalam industri yang sisanya dibuang begitu saja kea
lam menyebabkan timbulnya pencemaran air. Satu tragedi dunia yang banyak
mendapat perhatian dari tercemarnya air ialah timbulnya penyakit minamata,
disebabkan oleh sisa-sisa pabrik plastik yang dibuang ke kali, sehingga ikan dan
kerang-kerangan yang hidup di dalamnya banyak mengandung mercuri, dan bersifat
racun bagi manusia.
1) Beberapa macam polutan yang menimbulkan pencemaran air misalnya: Sisa –
sisa benda organik
2) Makhluk hidup tingkat rendah
Universitas Sumatera Utara
3) Bahan makanan untuk tanaman
4) Zat kimia organik sintesis
5) Zat kimia anorganik dan mineral
6) Sedimen
7) Radio aktif
8) Minyak
9) Suhu
(Azwar, 1996)
2.9. Sumber Air
Sumber air untuk berbagai keperluan berasal dari air permukaan (sungai, danau, dan
waduk) dan air tanah. Sumber air tersebut pada hakikatnya berasal dari air dikenal
sebagai air tanah. Jika air tanah dalam kondisi tekanan tinggi, air tanah tersebut dapat
mengalir ke permukaan tanah secara otomatis sebagai mata air.
2.9.1. Air Permukaan
Air tawar berasal dari dua sumber, yaitu air permukaan (surface water) dan air tanah
(ground water). Air permukaan adalah air yang berada di sungai, danau, waduk,
rawa, dan badan air lain, yang tidak mengalami infiltrasi ke bawah tanah. Air yang
mengalir dari daratan menuju suatu badan air disebut limpasan permukaan (surface
run off); dan air yang mengalir disungai menuju laut disebut aliran air sungai (river
run off).
Air hujan yang jatuh ke bumi dan menjadi air permukaan memiliki kadar
bahan-bahan terlarut atau unsur hara yang sangat sedikit. Air hujan biasanya bersifat
asam, dengan nilai pH sekitar 4,2. Hal ini disebabkan air hujan melarutkan gas-gas
yang terdapat di atmosfer, misalnya gas karbondioksida (CO2), sulfur (S), dan
nitrogen oksida yang dapat membentuk asam lemah (Novotny, at all, 1994).
Universitas Sumatera Utara
2.9.2. Air Tanah
Air tanah merupakan air yang berada di bawah permukaan tanah, pergerakan air
tanah sangat lambat dengan kecepatan arus berkisar antara 10-10-10-3 m/detik dan
dipengaruhi oleh porositas, permeabilitas dari lapisan tanah. Pada dasarnya air tanah
dapat berasal dari air hujan baik melalui proses infiltrasi secara langsung ataupun
tidak langsung dari air sungai, danau, rawa dan genangan air lainnya.
Air tanah biasanya memiliki kandungan besi relatif tinggi, jika air tanah
mengalami kontak dengan udara dan mengalami oksigenasi, ion ferri pada ferri
hidroksida yang banyak terdapat dalam air tanah akan teroksidasi menjadi ion ferro
dan akan mengalami pengendapan serta membentuk warna kemerahan pada air .
Maka, sebelum air tanah digunakan , sebaiknya air tanah yang baru disedot
didiamkan terlebih dahulu selama beberapa saat untuk mengendapkan besi Perlakuan
ini bertujuan untuk menurunkan kadar karbondioksida dan menaikkan kadar oksigen
terlarut (Effendi, 2003).
2.10. Standar Baku Air
Standar mutu air minum atau air untuk kebutuhan rumah tangga ditetapkan
berdasarkan Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesian Nomor 492 Tahun
2010 tentang persyaratan kualitas air minum. Standarisasi kualitas air tersebut
bertujuan untuk memelihara, melindngi, dan mempertinggi derajat kesehatan
masyarakat, terutama dalam pengelolaan air atau kegiatan usaha mengolah dan
mendistribusikan air minum untuk masyarakat umum. Adanya standarisasi tersebut,
dapat dinilai kelayakan pendistribusian sumber air untuk keperluan
rumah tangga
maupun industri (Kusnaedi,2010)
2.11. Logam
Logam berasal dari kerak bumi yang berupa bahan-bahan murni, organik, dan
anorganik. Logam merupakan bahan pertama yang dikenal oleh manusia dan
digunakan sebagai alat-alat yang berperanan penting dalam sejarah perdapan
Universitas Sumatera Utara
manusia. Dalam kehidupan sehari-hari logam digunakan sebagai alat pelengkapan
rumah tangga seperti sendok, garpu, pisau, dan lain-lain, sampai pada tingkat
perhiasan mewah seperti emas, dan perak.
Secara alami siklus perputaran logam adalah dari kerak bumi kemudian ke
lapisan tanah, kemudian ke makhluk hidup (tanaman, hewan, dan manusia), ke dalam
air, mengendap dan akhirnya kembali ke kerak bumi. Logam itu sendiri dalam kerak
bumi dibagi menjadi logam makro dan logam mikro, dimana logam makro ditemukan
lebih dari 1000 mg/kg dan logam mikro jumlahnya kurang dari 500 mg/kg.
Logam dapat menyebabkan timbulnya suatu bahaya pada makhluk hidup. Hal
ini terjadi jika sejumlah logam mencemari lingkungan. Logam-logam tertentu sangat
berbahaya bila ditemukan dalam konsentrasi tinggi dalam lingkungan karena logam
tersebut mempunyai sifat yang dapat merusak jaringan tubuh makhluk hidup.
Kandungan logam akan berubah-ubah tergantung pada kadar pencemaran oleh ulah
manusia atau oleh perubahan alam, seperti erosi (Darmono, 1995)
Logam berat adalah unsur kimia yang termasuk dalam kelompok logam yang
beratnya lebih dari 5 g untuk setiap cm3. Logam berat bersifat esensial tetapi dapat
menjadi toksik bila berlebihan, misalnya besi (Fe), mangan (Mn), dan zink (Zn).
Logam berat masuk ke dalam tubuh manusia biasanya melalui mulut, yaitu makanan
yang terkontaminasi oleh alat masak, wadah dan juga alat pernapasan seperti asap
dari pabrik, proses industri, dan buangan limbah. Kontaminasi makanan juga dapat
terjadi dari tanaman pangan yang diberi pupuk yang mengandung logam.
Toksik logam pada manusia menyebabkan beberapa akibat negatif, tetapi
yang terutama adalah timbulnya kerusakan jaringan, terutama jaringan detoksikasi
dan ekskresi (hati dan ginjal) (Darmono, 1995).
Universitas Sumatera Utara
2.11.1 Besi (Fe)
Besi yang murni adalah logam berwarna putih-perak, yang kukuh dan liat. Ia melebur
pada 1535oC. Besi dapat dimagnitkan. Asam klorida encer atau pekat dan asam sulfat
encer melarutkan besi (Svehla, 1985).
Besi merupakan logam dalam kelompok makromineral di dalam kerak bumi,
tetapi termasuk kelompok mikro dalam sistem biologi. Logam ini mungkin logam
yang pertama ditemukan dan digunakan oleh manusia sebagai alat pertanian. Pada
sistem biologi seperti hewan, manusia, dan tanaman, logam ini bersifat esensial,
kurang stabil dan secara perlahan berubah menjadi fero (Fe
2+
) atau feri (Fe3+)
(Darmono, 2001).
Kadar Besi (Fe) di perairan yang mendapat cukup aerasi hampir tidak pernah
lebih dari 0,3 mg/L. Kadar besi diperairan alami berkisar antara 0,05 – 0,2 mg/L.
Pada air tanah dangkal dengan kadar oksigen yang rendah, kadar besi dapat mencapai
10-100 mg/L. Kadar besi >1,0 mg/L dianggap membahayakan kehidupan organism
akuatik. Air yang dipergunakan bagi air minum sebaiknya kadar besi kurang dari 0,3
mg/L (Effendi, 2003).
A. Efek Toksik Logam Besi
Tempat pertama dalam tubuh yang mengontrol pemasukan Fe adala usus halus.
Bagian dari usus ini berfungsi untuk absorpsi dan sekaligus ekskresi Fe yang tidak
diserap. Besi dari usus diabsorpsi dalam bentuk feritin, dimana bentuk fero lebih
mudah diabsorpsi daripada bentuk feri. Feritin masuk kedalam darah berubah bentuk
menjadi transferin. Dalam darah tersebut besi berstatus sebagai besi bervalensi tiga
yang kemudian ditransfer ke hati dan limpa yang kemudian disimpan dalam organ
tersebut sebagai cadangan dalam bentuk feritin dan hemosiderin. Toksisitas terjadi
apabila kelebihan (kejenuhan) dalam ikatan tersebut (Darmono, 2009).
Universitas Sumatera Utara
Toksisitas Fe pada anak kemungkinan besar terjadi karena banyak obat
maupun vitamin yang banyak mengandung Fe diberikan pada anak. Disamping itu,
kebiasaan anak makan sembarangan di lingkungan sekitarnya juga.
mempengaruhi hal tersebut. Toksisitas Fe ini bila berlanjut akan
menyebabkan kerusakan lambung, hati, ginjal dinding pembuluh darah dan otak.
(Darmono, 2001)
2.11.2 Mangan (Mn)
Logam Mangan adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memilki lambang Mn
dan nomor atom 25, berwarna silver metalik, keras dan sangat rapuh. Logam mangan
memiliki energi ionisasi 7,21 g/cm3 , titik leburnya sekitar 1) 1246 717, 3KJ/mol,
2)1509 KJ/mol, 3) 3248 KJ/mol. Logam mangan memiliki jari-jari atom 1,35 Ao
,logam ini bersifat paramagnetik. Fungsi utama dalam tubuh : Komponen enzim
A. Absorbsi dan Metabolisme
Pengambilan mangan oleh manusia terutama terjadi melalui makanan, seperti bayam,
teh dan rempah-rempah. Bahan makanan yang mengandung konsentrasi tertinggi
adalah biji-bijian dan beras, kacang kedelai, telur, kacang-kacangan, minyak zaitun,
kacang hijau dan tiram. Setelah penyerapan dalam tubuh manusia mangan akan
diangkut melalui darah ke hati, ginjal, pankreas dan kelenjar endokrin.
B. Kebutuhan dan sumber Mangan (Mn)
Sumber makanan utama :Gandum, buah-buahan yang dikeringkan. Kebutuhan Harian
Dewasa :Dibutuhkan 3,5 miligram.
C. Akibat defisiensi Mangan
Kekurangan mangan pada manusia dapat menyebabkan Penurunan berat badan, iritasi
kulit, mual dan muntah, perubahan warna rambut , pertumbuhan rambut yang lambat.
Kelebihan Mangan (Mn) mampu menimbulkan keracunan kronis pada manusia
hingga berdampak menimbulkan lemah pada kaki, otot muka kusam, dan dampak
Universitas Sumatera Utara
lanjutan bagi manusia yang keracunan Mn, bicaranya lambat dan hyperrefleks. Efek
mangan terjadi terutama di saluran pernapasan dan di otak. Gejala keracunan mangan
adalah halusinasi, pelupa dan kerusakan saraf. Ketika orang-orang yang terkena
mangan untuk jangka waktu lama mereka menjadi impoten. Suatu sindrom yang
disebabkan oleh mangan memiliki gejala seperti, skizofrenia kebodohan, lemah otot,
sakit kepala dan insomnia. karena merupakan elemen penting bagi kesehatan manusia
kekurangan mangan juga dapat menyebabkan efek kesehatan. Ini adalah efek berikut:
1). Kegemukan , 2). Gula, 3). Pembekuan Darah, 4). Masalah kulit, 5). Menurunkan
kadar kolesterol, 6). Gangguan Skeleton , 7). Kelahiran cacat,8). Perubahan warna
rambut,9). Gejala Neurological. Mangan kronis dapat mengakibatkan keracunan dari
lama menghirup debu dan asap. Sistem saraf pusat adalah situs utama kerusakan dari
penyakit, yang dapat mengakibatkan cacat permanen. Gejala termasuk kelembekan,
kantuk, kelemahan, gangguan emosi, gaya berjalan spastik, berulang kram kaki, dan
kelumpuhan. Insiden tinggi pneumonia dan infeksi saluran pernapasan atas lainnya
telah ditemukan pada pekerja yang terkena debu atau asap dari senyawa mangan.
2.11.3 Zink (Zn)
Zink adalah logam yang putih-kebiruan, logam ini cukup mudah ditempa dan liat
pada 110-1500C. Zink melebur pada 4100C dan mendidih pada 9060C. Yang terakhir
ini dengan mudah larut dalam asam klorida encer dan asam sulfat encer dengan
mengeluarkan hidrogen (Svehla, 1985).
Zink (Zn) adalah komponen alam yang terdapat dalam kerak bumi. Zink (Zn)
adalah logam yang memiiki karakteristik cukup reaktif, berwarna putih-kebiruan,
pudar bila terkena uap udara dan terbakar bila kena uap udara dengan api hijau
terang. Zink (Zn) dapat bereaksi dengan asam, basa, dan senyawa non logm. Zink
(Zn) memiliki nomor atom 30 dan memiliki titik lebur 419,73oC. Kadar zink pada air
minum sebaiknya tidak lebih dari 2 mg/liter. (Widowati, 2008)
Universitas Sumatera Utara
A. Efek Toksik Logam Zink
Zink adalah logam esensial yang relatif non toksik, terutama bila termakan tmelalui
mulut. Zink dapat menjadi toksik bila termakan berlebihan, sehingga menimbulkan
gejala seperti mual, muntah, sakit perut dan kelemahan (Darmono, 2009). Toksisitas
zink menurun dengan meningkatnya kesadahan, dengan meningkatnya suhu dan
menurunnya oksigen terlarut (Effendi, 2003).
Logam Zink (Zn) sebenarnya tidak toksik dalam keadaan sebagai ion, Zink
(Zn) bebas memiliki toksisitas tinggi. Meskipun Zink (Zn) merupakan unsur esensial
bagi tubuh tetapi dalam dosis tinggi Zink (Zn) dapat berbahaya. Konsumsi Zink (Zn)
berlebih akan mengalami hematologi, hati dan ginjal (Sartono, 2002).
2.12 ICP-OES ( Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy )
ICP (Inductively Coupled Plasma) adalah suatu metode analisis yangmenggunakan
couple induksi, yaitu induksi medan magnet dan medanlistrik sebagai sumber energi
untuk mengeksitasi elektron-elektron dariatom-atom yang ada dalam contoh.
Couple atau gabungan dari 2 buah induksi ini sangat penting, agarterbentuk
medan magnet dengan frekuensi tinggi, sehingga atom-atomdalam contoh tidak
hanya tereksitasi kesatu tingkat energi elektron yanglebih tinggi, tetapi juga akan
tereksitasi kebeberapa macam tingkat energielaktron yang lebih tinggi.
Gabungan elektron-elektron yang tereksitasi ini akan membentuk awan-awan
electron yang jenuh dengan elektron-elektron atau disebut juga plasma. Jadi,
gabungan dari kedua induksi ini akan menimbulkan medan magnet dengan frekuensi
plasma yang lebih tinggi atau disebut juga inductively couple high frequency plasma
(Greenberg dan Doidge, 2000).
Elektron-elektron yang sudah tereksitasi ke tingkat energi elektronyang lebih
tinggi, akan kembali ke keadaan dasar sambil melepaskan energy yang berupa sinar.
Universitas Sumatera Utara
Sinar yang dilepaskan masuk ke spektrofotometer, dan oleh grating difraksi, sinar ini
didispersikan menjadi spektrum garis yangspesfik untuk masing-masing atom atau
ion yang terkandung dalam contoh tersebut. Besarnya intensitas sinar yang
dilepaskan atau diemisikan oleh elektron-elektron saat kembali ke keadaan dasar
diukur oleh
spektrofotometer, karena intensitas sinar yang diukur adalah intensitas
sinar emisi, maka disebut ICP-OES ( Inductively Coupled Plasma-Optical Emission
Spectroscopy ). (Prima Nurgaheny,2013).
2.12.1
Prinsip Kerja dan Komponen ICP-OES
Perangkat keras ICP OES yang utama adalah plasma, dengan bantuan gas akan
mengatomisasi elemen dari energy ground state ke eksitasi state sambil
memancarkan energi cahaya hv.
Plasma yang dilengkapi dengan tabung konsentris yang disebut torch, paling
sering dibuat dari silika. Torch ini terletak di dalam water-cooled coil of a radio
frequency (r.f.) generator. Gas yang mengalir ke dalam Torch, r.f. diaktifkan dan gas
di coil region menghasilkan electrically conductive.
Pembentukan induksi plasma sangat bergantung pada kekuatan magnetic field
dan pola yang mengikuti aliran gas. Perawatan plasma biasanya dengan inductive
heating dari gas mengalir. Induksi dari magnetic field yang yang menghasilkan
frekuensi tinggi annular arus listrik di dalam konduktor. Yang mengakibatkan
pemanasan dari konduktor akibat dari ohmic resistance.
Untuk mencegah kemungkinan short-circuiting serta meltdown, plasma harus
diisolasi dari lingkungan instrumen. Isolasi dapat dilakukan dengan aliran gas-gas
melalui sistem. Tiga aliran gas melalui sistem – outer gas, intermediate gas, dan inner
atau carrier gas. outer gas biasanya gas Argon atau Nitrogen. Outer gas berfungsi
untuk mempertahankan plasma, menjaga posisi plasma, dan osilasi panas plasma dari
luar torch. Argon umumnya digunakan untuk intermediate gas dan inner atau carrier
gas. Fungsi carrier gas adalah untuk membawa sampel ke plasma.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3
Komponen Utama dan Susunan Instrumen ICP-OES
[Sumber : Boss & Fredeen, 1997]
ICP-OES terdiri dari beberapa komponen sebagai berikut :
1. plasma
plasma sebuag gas terionisasi. Ketika obor dinyalakan medan magnet yang kuat.
2.
medan magnet
sebuah medan magnet adalah medan vector yang dapat memberikan sutu gaya
magnet pada muatan listrik bergerak dan pada dipol magnetik. Ketika
ditempatkan dalam magnet, magnet dipol cenderung untuk menyelaraskan
dengan medan magnet dari RF generator dihidupkan, gas Argon yang mengalir
dinytakann dengan sautan tesla (biasanya strip tembaga diluar tabung). Gas argon
yang terionisasi dalam bidang ini mengalir dalam suatu pola simetris rotationally
kearah medan magnet kumparan RF, yang stabil. Suhu tinggi plasma sekitar
7000K ini kemudian dihasilkan sebagai hasil dari tumbukan intensitas anata atom
argon netral dan partikel bermuatan.
Universitas Sumatera Utara
3.
pompa peristaltic
sebuah pompa peristaltik adalah jenis pompa perpindahan positif digunakan
untuk memompa berbagai cairan. Fluida yang terkandung dalam tabung fleksibel
yang dipasang didalam casing pompa melingkar dengan sampel organic menjadi
nebulizer.
4.
Nebulizer
Nebulizer berfungsi utntuk mengubah cairan sampel menjadi aerosol.
5.
Spray Chamber
Spray Chamber berfungsi untuk mentransportsikan aerosol ke plasma, pada
Spray Chamber ini aerosol mengalami desolvasi atal volitisasi yaitu proses
penghilangan pelarut sehingga didapatkan aerosol kering yang bentuknya sama.
6.
Difraksi kisi
Dalam optic, kisi difraksi adalah komponen optik dengan pola yang teratur yaitu,
terbagi menjadi beberapa sinar cahaya berada diarah yang berbeda dimana ia
dipisahkan menjadi komponen- komponen radiasi dalam spectrometer optik.
Intensitas cahaya kemudian di ukur dengan photomultiplier.
7.
Photomultiplier
Photomultiplier merupakan sebuah vakum dan lebih khusus lagi photobes,
dimana alat ini sangat senstif terhadap detektor cahaya dalam bentuk sinar
ultraviolet, cahaya tampak dan inframerah.
Sampel yang akan dianalisis harus dalam larutan. Untuk sampel padatan
diperlukan preparasi sampel dengan proses digestion pada umumnya dengan acid
digestion. Nebulizer berfungsi untuk mengubah larutan sampel menjadi erosol.
Cahaya emisi oleh atom suatu unsur pada ICP harus dikonversi ke suatu sinyal listrik
yang dapat diukur banyaknya. Hal ini diperoleh dengan mengubah cahaya tersebut ke
dalam komponen radiasi (hampir selalu dengan cara difraksi kisi) dan kemudian
mengukur intensitas cahaya dengan photomultiplier tube pada panjang gelombang
spesifik untuk setiap elemen. Cahaya emitted oleh atom atau ions dalam ICP
Universitas Sumatera Utara
dikonversikan ke sinyal listrik oleh photomultiplier dalam spectrometer. Intensitas
dari sinyal dibandingkan intensitas standard yang diketahui konsentrasinya yang telah
diukur sebelumnya. Beberapa elemen memiliki lebih dari satu wavelengths spesifik
dalam spektrum yang dapat digunakan untuk analisis. Dengan demikian, pilihan
wavelength yang paling sesuai sangat mempengaruhi akurasi
.
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kitosan
Kitosan (poly-β-1,4-glucosamine) merupakan biopolimer karbohidrat (polisakarida)
dari glukosamin yang dihasilkan dari proses N-deasetilasi kitin. Bahan ini pertama
kali ditemukan oleh Rouget (1859). Kitosan merupakan polimer alam yang memiliki
rantai linear dengan rumus struktur (C6H11NO4)n. Kitosan dapat diperoleh dari hewan
berkulit keras terutama yang berasal dari laut seperti kulit udang, rajungan, kepiting,
cumi-cumi (Allan et al., 1979), dari jenis serangga (insect) dan jamur (fungi). Kitosan
hanya dapat larut dalam pelarut asam seperti asam asetat, asam formiat, asam laktat,
asam sitrat dan asam hidroklorat. Kitosan tidak larut dalam air, alkali dan asam
mineral encer kecuali dibawah kondisi tertentu yaitu dengan adanya sejumlah pelarut
asam sehingga dapat larut dalam air, metanol, aseton dan campuran lainnya. Salah
satu pelarut asam ialah asam asetat yang memiliki struktur kimia CH3COOH. Sifat
kelarutannya disebabkan oleh kemampuan disosiasi menjadi ion H+ dan CH3COOsehingga berperan sebagai salah satu pereaksi kimia dan bahan baku industri yang
penting.
Kitosan merupakan polimer alami terbesar kedua setelah selulosa (RuizHerra,
1978) dan struktur keduanya juga hampir sama. Perbedaannya hanya pada gugus
rantai C-2 pada selulosa mengandung gugus hidroksida (OH) sedangkan pada kitosan
diganti dengan gugus amina (NH2)
OH
OH
OH
OH
OH
O
O
NH2
OH
O
NH2
O
OH
O
NH2
Gambar 2.1 Struktur Kitosan
5
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan struktur kimianya, kitin dan kitosan memiliki susunan yang
sama. Kitin terbentuk dari ikatan linear asetilglukosamin sedangkan kitosan
dihasilkan dari perpindahan gugus asetil (CH3-CO) agar molekul dapat larut pada
sebagian besar pelarut asam, proses ini disebut deasetilasi. Perbedaan yang nyata
antara kitin dan kitosan ialah kandungan asetil dari polimer tersebut. Faktanya,
terdapat dua kelebihan kitosan dibandingkan kitin. Dalam proses melarutkan, kitin
memerlukan pelarut toksik seperti lithium chloride dan dimethylacetamide sedangkan
kitosan cepat larut dalam pelarut asam asetat. Kelebihan yang kedua ialah kitosan
memiliki gugus amino bebas yang merupakan bagian aktif yang dapat berikatan
dalam banyak reaksi kimia (Knaul et al., 1999) 36
Kitosan memiliki muatan molekul positif (NH3+) yang dapat berikatan secara
kimia dengan muatan negatif yang dimiliki oleh lemak, lipid, kolesterol, ion-ion
metal, protein dan makromolekul (Li et al., 1992). Kitin dan kitosan mengalami
peningkatan secara komersial sehingga sesuai digunakan sebagai sumber material
karena memiliki sifat yang sangat baik yakni biokompatibilitas, biodegradabilitas,
kemampuan adsorpsi, dapat membentuk film dan sebagai chelating agent ion metal
(Rout, 2001).
Menurut viskositasnya, berat molekul kitosan dibagi atas tiga yaitu kitosan
bermolekul tinggi, sedang dan rendah. Kitosan bermolekul tinggi biasanya berasal
dari hewan laut bercangkang keras misalnya kepiting, kerang dan blangkas dengan
berat molekul 800.000-1.100.000 Mv sedangkan kitosan bermolekul sedang dengan
berat molekul 400.000-800.000 Mv dan bermolekul rendah dengan berat molekul
dibawah 400.000 Mv berasal dari hewan laut dengan cangkang atau kulit yang lunak
misalnya udang, cumi-cumi dan rajungan.
2.2. Sifat-Sifat Kitosan
Kitosan adalah padatan amorf putih yang tidak larut dalam alkali dan asam mineral
kecuali pada keadaan tertentu. Keterlarutan kitosan yang paling baik ialah dalam
Universitas Sumatera Utara
larutan asam asetat 1%, asam format 10% dan asam sitrat 10%. Kitosan tidak dapat
larut dalam asam piruvat, asam laktat, dan asam-asam anorganik pada pH tertentu,
walaupun setelah dipanaskan dan diaduk dengan waktu yang agak lama. Keterlarutan
kitosan dalam larutan asam format ataupun asam asetat dapat membedakan kitosan
dan kitin karena kitin tidak dapat melarut dalam keadaan pelarut asam tersebut.
Kitosan dibedakan dari kitin oleh kelarutannya dalam larutan asam encer. Kitosan
bermuatan positif karena kelompok amina pada pH asam, yang besarannya
tergantung pada tingkat deasetilasi, dan dengan demikian kitosan diklasifikasikan
sebagai polielektrolit kationik, sedangkan polisakarida yang lain memberikan muatan
netral ataupun anionik.
Kitosan memiliki sifat unik yang dapat digunakan dalam berbagai cara serta
memiliki kegunaan yang beragam, antara lain sebagai perekat, aditif untuk kertas dan
tekstil, penjernihan air minum, serta untuk mempercepat penyembuhan luka, dan
memperbaiki sifat pengikatan warna. Kitosan merupakan pengkelat yang kuat untuk
ion logam transisi. Kitosan mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi logam dan
membentuk kompleks kitosan dengan logam. (Robert,G.A.F,1992)
2.3. Kegunaan Kitosan
Kitosan banyak digunakan oleh berbagai industri antara lain industri farmasi,
kesehatan,
biokimia,
bioteknologi,
pangan,
pengolahan
limbah,
kosmetik,
agroindustri, industri tekstil, industri perkayuan, industri kertas dan industri
elektronika. Aplikasi khusus berdasarkan sifat yang dipunyainya antara lain untuk
pengolahan limbah cair terutama bahan sebagai bersifat resin penukar ion untuk
meminimalisasi logam-logam berat, mengkoagulasi minyak / lemak, serta
mengurangi kekeruhan,penstabil minyak, rasa dan lemak dalam produksi industri
pangan. (Rismana,2004)
Universitas Sumatera Utara
Kitosan juga merupakan bahan polimer yang mudah dibakar tanpa
meninggalkan sisa-sisa. Jika logam berat mudah diserap oleh kitosan yang kemudian
mengeluarkan logam yang terserap dengan cara membakar ini adalah cara yang
paling ekonomis tanpa memerlukan elusi lagi. Oleh karena itu kitosan sangat baik
untuk menurunkan kandungan ion logam pada air limbah industri. (Oguntimian et al.
2002).
Kitosan mudah mengalami degradasi secara biologis, tidak beracun dan baik sebagai
flokulan dan koagulan serta mudah membentuk membran atau film. Kitosan
merupakan suatu biopolymer alam yang reaktif yang dapat melakukan perubahan –
perubahan kimia. Karena ini banyak turunan kitosan dapat dibuat dengan mudah.
Beberapa turunan kitosan yang telah dihasilkan dan juga telah diketahui kegunaannya
antara lain :
- N-karboksialkil kitosan, digunakan sebagai pengumpul ion logam
- Asetil kitosan, digunakan dalam industri tekstil dan membrane
- Kitosan glukan, digunakan sebagai pengkelat ion logam dan agen penggumpal
Sama seperti kitin, kitosan juga dapat digunakan dalam berbagai bidang, misalnya
a. Untuk industri kertas, kaca, kain, dan pewarna
b. Dalam industri kosmetik
c. Dalam bidang pertanian dan makanan
d. Dalam industri semen
e. Dalam bidang kesehatan
Universitas Sumatera Utara
f. Untuk penyerapan ion logam
(Robert,G.A.F.,1992)
Kitosan banyak digunakan oleh berbagai industri antara lain industri farmasi,
kesehatan,
biokimia,
bioteknologi,
pangan,
pengolahan
limbah,
kosmetik,
agroindustri, industri tekstil, industri perkayuan, industri kertas, dan industri
elektronika. Aplikasi khusus berdasarkan sifat yang dipunyainya antara lain untuk
pengolahan limbah cair terutama bahan sebagai bersifat resin penukar ion untuk
meminimalisasi logam-logam berat, mengkoagulasi minyak/lemak, serta mengurangi
kekeruhan, penstabil minyak, rasa dan lemak dalam produk industri pangan.
(Rismana,E.,2004)
2.3.1. Kemampuan Kitosan Untuk Menyerap Logam
Kemampuan kitosan untuk mengikat logam dengan cara pengkelat adalah
dihubungkan dengan kadar nitrogen yang tinggi pada rantai polimernya. Kitosan
mempunyai satu kumpulan amino linier bagi setiat unit glukosa. Kumpulan amino ini
mempunyai sepasang elektron yang dapat berkoordinat atau membentuk ikatan-ikatan
aktif dengan kation-kation logam. Unsur nitrogen pada setiap monomer kitosan
dikatakan sebagai gugus yang aktif berkoordinat dengan kation logam. (Hutahahean,
S. Ida.,2001) Interaksi kitosan dengan ion logam terjadi karena proses
pengkompleksan dimana penukaran ion, penyerapan dan pengkhelatan terjadi selama
proses berlangsung. Ketiga – tiga proses tersebut tergantung dari ion logam masing –
masing seperti penukaran ion logam masing-masing seperti penukaran ion pada
logam Ca. kitosan menunjukkan affinitas yang tinggi pada logam transisi golongan 3,
begitu pula pada logam yang bukan golongan alkali dengan konsentrasi rendah.
(Muzzarelli, R.A.A.,1973)
Universitas Sumatera Utara
2.4. Mekanisme Serapan Kitosan
Pada umumnya mekanisme serapan kitosan terhadap logam dapat dirumuskan pada
tiga cara, yaitu : Secara pengkelatan, dimana terbentuknya ikatan aktif antara nitrogen
kitosan dengan kation logam, dalam hal ini nitrogen dari kitosan bertindak sebagai
basa lewis yang menyumbangkan sepasang electron untuk berkoordinat dengan
logam.
Secara pertukaran ion yaitu berlaku pertukaran antara proton dari kitosan
dengan kation logam. Secara memperangkap, dimana ion logam terperangkap dalam
lingkaran rantai polimer kitosan.
2.5 Kitosan Blangkas
Kitosan blangkas merupakan kitosan yang diperoleh dari kulit blangkas (Limulus
Polyphemus). Kitin yang diproses dari kulit blangkas didapat dengan hasil 30,60%.
Kitosan dihasilkan melalui proses deasetilasi kitin dengan menggunakan larutan
alkali (NaOH). Proses pembuatan kitosan blangkas dilakukan dengan 2 (dua) tahap
yaitu proses deproteinasi dengan pemberian NaOH 2 M untuk mengurangi protein
pada kulit udang dan proses demineralisasi dengan pemberian HCl 2 M sehingga
kandungan mineral CaCO3 hilang dari kulit udang.
2.6. Tembaga (Cu)
Tembaga (Cu) adalah salah satu logam dari golongan transisi IB dengan nomor atom
29; berat atom 63,546; diameter 8,92; adalah titik lebur 1083 ºC; titik didih 2310 ºC;
jari-jari atom1,173 Å; sedangkan jari-jari ion 0,96 Å. Cu merupakan logam transisi
yang berwarna jingga kemerahan tidak reaktif terhadap asam-asam encer seperti HCl
Universitas Sumatera Utara
dan H2SO4 encer kecuali HNO3 dan H2SO4 pekat yang dipanaskan. Senyawa Cu(II)
lebih stabil dalam larutan (M. Natsir Arsyad, 2001).
Tembaga mempunyai dua macam oksida yang telah diketahui yaitu tenorite
(CuO) dan cuprite (Cu2O). Keduanya termasuk dalam semikonduktor tipe –p (Johan
et al., 2011). CuO adalah senyawa semikonduktor dengan struktur monoklinik. CuO
merupakan anggota paling sederhana senyawa tembaga dan menunjukkan berbagai
sifat fisik yang berguna seperti superkonduktivitas suhu tinggi, efek korelasi elektron
dan dinamika putar. Sebagai semikonduktor tipe-p, CuO telah digunakan dalam
banyak aplikasi seperti dalam gas sensor, katalis, baterai, superkonduktor suhu tinggi,
konversi energi surya dan bidang emisi (Ghane et al., 2010). Gambar 2.2
menunjukkan struktur kristal CuO.
Gambar 2.2 Struktur Kristal CuO ( Wang, 2006)
Dalam Wang (2006), CuO murni adalah sebuah padatan hitam dengan kepadatan 6,4
g/cm3 , mempunyai titik leleh yang tinggi yaitu 1330°C dan tidak larut dalam air.
CuO sering digunakan sebagai pigment dalam keramik. Selain itu juga dalam
makanan hewan. CuO juga digunakan dalam pembuangan material berbahaya.
2.7. Air
Air merupakan kebutuhan hidup manusia yang sangat vital. Secara langsung air
diperlukan untuk minum, memasak, mandi, mencuci dan lain-lain. Secara tidak
langsung air dibutuhkan sebagai bagian ekosistem yang dengannya kehidupan di
bumi dapat berlangsung. Selain penggunaan air secara konvensional, air juga
diperlukan untuk meningkatkan kualitas hidup manusia, yaitu untuk menunjang
Universitas Sumatera Utara
kegiatan industridan teknologi. Kegiatan industri dan teknologi tidak dapat terlepas
dari kebutuhan akan air. Dalam hal ini air sangat diperlukan agar industri dan
teknologi dapat berjalan dengan baik. Walaupun air merupakan sumber daya alam
yang dapat diperbarui, tetapi air akan dapat dengan mudah terkontaminasi oleh
aktivitas manusia. Air banyak digunakan oleh manusia untuk tujuan yang bermacammacam sehingga dengan mudah dapat tercemar (Azwar, 1996).
2.8. Pencemaran Air
Pencemaran air dapat merupakan masalah, dan sangat berhubungan dengan
pencemaran udara serta penggunaan lahan atau daratan. Pada saat udara yang
tercemar jatuh ke bumi bersama air hujan, maka air tersebut sudah tercemar.
Beberapa jenis bahan kimia untuk pupuk dan pestisida pada lahan pertanian akan
terbawa air ke daerah sekitarnya sehingga mencemari air pada permukaan lokasi yang
bersangkutan. Dengan demikian banyak sekali penyebab terjadinya pencemaran air,
yang akhirnya akan bermuara ke laut yang menyebabkan pencemaran pantai dan laut
sekitarnya (Darmono, 2001)
Pencemaran air karena ketidaktahuan manusia, seperti pembuangan air
limbah, tinja, dan lain sebagainya. Pembangunan berbagai pabrik ataupun
penggunaan berbagai zat kimia dalam industri yang sisanya dibuang begitu saja kea
lam menyebabkan timbulnya pencemaran air. Satu tragedi dunia yang banyak
mendapat perhatian dari tercemarnya air ialah timbulnya penyakit minamata,
disebabkan oleh sisa-sisa pabrik plastik yang dibuang ke kali, sehingga ikan dan
kerang-kerangan yang hidup di dalamnya banyak mengandung mercuri, dan bersifat
racun bagi manusia.
1) Beberapa macam polutan yang menimbulkan pencemaran air misalnya: Sisa –
sisa benda organik
2) Makhluk hidup tingkat rendah
Universitas Sumatera Utara
3) Bahan makanan untuk tanaman
4) Zat kimia organik sintesis
5) Zat kimia anorganik dan mineral
6) Sedimen
7) Radio aktif
8) Minyak
9) Suhu
(Azwar, 1996)
2.9. Sumber Air
Sumber air untuk berbagai keperluan berasal dari air permukaan (sungai, danau, dan
waduk) dan air tanah. Sumber air tersebut pada hakikatnya berasal dari air dikenal
sebagai air tanah. Jika air tanah dalam kondisi tekanan tinggi, air tanah tersebut dapat
mengalir ke permukaan tanah secara otomatis sebagai mata air.
2.9.1. Air Permukaan
Air tawar berasal dari dua sumber, yaitu air permukaan (surface water) dan air tanah
(ground water). Air permukaan adalah air yang berada di sungai, danau, waduk,
rawa, dan badan air lain, yang tidak mengalami infiltrasi ke bawah tanah. Air yang
mengalir dari daratan menuju suatu badan air disebut limpasan permukaan (surface
run off); dan air yang mengalir disungai menuju laut disebut aliran air sungai (river
run off).
Air hujan yang jatuh ke bumi dan menjadi air permukaan memiliki kadar
bahan-bahan terlarut atau unsur hara yang sangat sedikit. Air hujan biasanya bersifat
asam, dengan nilai pH sekitar 4,2. Hal ini disebabkan air hujan melarutkan gas-gas
yang terdapat di atmosfer, misalnya gas karbondioksida (CO2), sulfur (S), dan
nitrogen oksida yang dapat membentuk asam lemah (Novotny, at all, 1994).
Universitas Sumatera Utara
2.9.2. Air Tanah
Air tanah merupakan air yang berada di bawah permukaan tanah, pergerakan air
tanah sangat lambat dengan kecepatan arus berkisar antara 10-10-10-3 m/detik dan
dipengaruhi oleh porositas, permeabilitas dari lapisan tanah. Pada dasarnya air tanah
dapat berasal dari air hujan baik melalui proses infiltrasi secara langsung ataupun
tidak langsung dari air sungai, danau, rawa dan genangan air lainnya.
Air tanah biasanya memiliki kandungan besi relatif tinggi, jika air tanah
mengalami kontak dengan udara dan mengalami oksigenasi, ion ferri pada ferri
hidroksida yang banyak terdapat dalam air tanah akan teroksidasi menjadi ion ferro
dan akan mengalami pengendapan serta membentuk warna kemerahan pada air .
Maka, sebelum air tanah digunakan , sebaiknya air tanah yang baru disedot
didiamkan terlebih dahulu selama beberapa saat untuk mengendapkan besi Perlakuan
ini bertujuan untuk menurunkan kadar karbondioksida dan menaikkan kadar oksigen
terlarut (Effendi, 2003).
2.10. Standar Baku Air
Standar mutu air minum atau air untuk kebutuhan rumah tangga ditetapkan
berdasarkan Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesian Nomor 492 Tahun
2010 tentang persyaratan kualitas air minum. Standarisasi kualitas air tersebut
bertujuan untuk memelihara, melindngi, dan mempertinggi derajat kesehatan
masyarakat, terutama dalam pengelolaan air atau kegiatan usaha mengolah dan
mendistribusikan air minum untuk masyarakat umum. Adanya standarisasi tersebut,
dapat dinilai kelayakan pendistribusian sumber air untuk keperluan
rumah tangga
maupun industri (Kusnaedi,2010)
2.11. Logam
Logam berasal dari kerak bumi yang berupa bahan-bahan murni, organik, dan
anorganik. Logam merupakan bahan pertama yang dikenal oleh manusia dan
digunakan sebagai alat-alat yang berperanan penting dalam sejarah perdapan
Universitas Sumatera Utara
manusia. Dalam kehidupan sehari-hari logam digunakan sebagai alat pelengkapan
rumah tangga seperti sendok, garpu, pisau, dan lain-lain, sampai pada tingkat
perhiasan mewah seperti emas, dan perak.
Secara alami siklus perputaran logam adalah dari kerak bumi kemudian ke
lapisan tanah, kemudian ke makhluk hidup (tanaman, hewan, dan manusia), ke dalam
air, mengendap dan akhirnya kembali ke kerak bumi. Logam itu sendiri dalam kerak
bumi dibagi menjadi logam makro dan logam mikro, dimana logam makro ditemukan
lebih dari 1000 mg/kg dan logam mikro jumlahnya kurang dari 500 mg/kg.
Logam dapat menyebabkan timbulnya suatu bahaya pada makhluk hidup. Hal
ini terjadi jika sejumlah logam mencemari lingkungan. Logam-logam tertentu sangat
berbahaya bila ditemukan dalam konsentrasi tinggi dalam lingkungan karena logam
tersebut mempunyai sifat yang dapat merusak jaringan tubuh makhluk hidup.
Kandungan logam akan berubah-ubah tergantung pada kadar pencemaran oleh ulah
manusia atau oleh perubahan alam, seperti erosi (Darmono, 1995)
Logam berat adalah unsur kimia yang termasuk dalam kelompok logam yang
beratnya lebih dari 5 g untuk setiap cm3. Logam berat bersifat esensial tetapi dapat
menjadi toksik bila berlebihan, misalnya besi (Fe), mangan (Mn), dan zink (Zn).
Logam berat masuk ke dalam tubuh manusia biasanya melalui mulut, yaitu makanan
yang terkontaminasi oleh alat masak, wadah dan juga alat pernapasan seperti asap
dari pabrik, proses industri, dan buangan limbah. Kontaminasi makanan juga dapat
terjadi dari tanaman pangan yang diberi pupuk yang mengandung logam.
Toksik logam pada manusia menyebabkan beberapa akibat negatif, tetapi
yang terutama adalah timbulnya kerusakan jaringan, terutama jaringan detoksikasi
dan ekskresi (hati dan ginjal) (Darmono, 1995).
Universitas Sumatera Utara
2.11.1 Besi (Fe)
Besi yang murni adalah logam berwarna putih-perak, yang kukuh dan liat. Ia melebur
pada 1535oC. Besi dapat dimagnitkan. Asam klorida encer atau pekat dan asam sulfat
encer melarutkan besi (Svehla, 1985).
Besi merupakan logam dalam kelompok makromineral di dalam kerak bumi,
tetapi termasuk kelompok mikro dalam sistem biologi. Logam ini mungkin logam
yang pertama ditemukan dan digunakan oleh manusia sebagai alat pertanian. Pada
sistem biologi seperti hewan, manusia, dan tanaman, logam ini bersifat esensial,
kurang stabil dan secara perlahan berubah menjadi fero (Fe
2+
) atau feri (Fe3+)
(Darmono, 2001).
Kadar Besi (Fe) di perairan yang mendapat cukup aerasi hampir tidak pernah
lebih dari 0,3 mg/L. Kadar besi diperairan alami berkisar antara 0,05 – 0,2 mg/L.
Pada air tanah dangkal dengan kadar oksigen yang rendah, kadar besi dapat mencapai
10-100 mg/L. Kadar besi >1,0 mg/L dianggap membahayakan kehidupan organism
akuatik. Air yang dipergunakan bagi air minum sebaiknya kadar besi kurang dari 0,3
mg/L (Effendi, 2003).
A. Efek Toksik Logam Besi
Tempat pertama dalam tubuh yang mengontrol pemasukan Fe adala usus halus.
Bagian dari usus ini berfungsi untuk absorpsi dan sekaligus ekskresi Fe yang tidak
diserap. Besi dari usus diabsorpsi dalam bentuk feritin, dimana bentuk fero lebih
mudah diabsorpsi daripada bentuk feri. Feritin masuk kedalam darah berubah bentuk
menjadi transferin. Dalam darah tersebut besi berstatus sebagai besi bervalensi tiga
yang kemudian ditransfer ke hati dan limpa yang kemudian disimpan dalam organ
tersebut sebagai cadangan dalam bentuk feritin dan hemosiderin. Toksisitas terjadi
apabila kelebihan (kejenuhan) dalam ikatan tersebut (Darmono, 2009).
Universitas Sumatera Utara
Toksisitas Fe pada anak kemungkinan besar terjadi karena banyak obat
maupun vitamin yang banyak mengandung Fe diberikan pada anak. Disamping itu,
kebiasaan anak makan sembarangan di lingkungan sekitarnya juga.
mempengaruhi hal tersebut. Toksisitas Fe ini bila berlanjut akan
menyebabkan kerusakan lambung, hati, ginjal dinding pembuluh darah dan otak.
(Darmono, 2001)
2.11.2 Mangan (Mn)
Logam Mangan adalah unsur kimia dalam tabel periodik yang memilki lambang Mn
dan nomor atom 25, berwarna silver metalik, keras dan sangat rapuh. Logam mangan
memiliki energi ionisasi 7,21 g/cm3 , titik leburnya sekitar 1) 1246 717, 3KJ/mol,
2)1509 KJ/mol, 3) 3248 KJ/mol. Logam mangan memiliki jari-jari atom 1,35 Ao
,logam ini bersifat paramagnetik. Fungsi utama dalam tubuh : Komponen enzim
A. Absorbsi dan Metabolisme
Pengambilan mangan oleh manusia terutama terjadi melalui makanan, seperti bayam,
teh dan rempah-rempah. Bahan makanan yang mengandung konsentrasi tertinggi
adalah biji-bijian dan beras, kacang kedelai, telur, kacang-kacangan, minyak zaitun,
kacang hijau dan tiram. Setelah penyerapan dalam tubuh manusia mangan akan
diangkut melalui darah ke hati, ginjal, pankreas dan kelenjar endokrin.
B. Kebutuhan dan sumber Mangan (Mn)
Sumber makanan utama :Gandum, buah-buahan yang dikeringkan. Kebutuhan Harian
Dewasa :Dibutuhkan 3,5 miligram.
C. Akibat defisiensi Mangan
Kekurangan mangan pada manusia dapat menyebabkan Penurunan berat badan, iritasi
kulit, mual dan muntah, perubahan warna rambut , pertumbuhan rambut yang lambat.
Kelebihan Mangan (Mn) mampu menimbulkan keracunan kronis pada manusia
hingga berdampak menimbulkan lemah pada kaki, otot muka kusam, dan dampak
Universitas Sumatera Utara
lanjutan bagi manusia yang keracunan Mn, bicaranya lambat dan hyperrefleks. Efek
mangan terjadi terutama di saluran pernapasan dan di otak. Gejala keracunan mangan
adalah halusinasi, pelupa dan kerusakan saraf. Ketika orang-orang yang terkena
mangan untuk jangka waktu lama mereka menjadi impoten. Suatu sindrom yang
disebabkan oleh mangan memiliki gejala seperti, skizofrenia kebodohan, lemah otot,
sakit kepala dan insomnia. karena merupakan elemen penting bagi kesehatan manusia
kekurangan mangan juga dapat menyebabkan efek kesehatan. Ini adalah efek berikut:
1). Kegemukan , 2). Gula, 3). Pembekuan Darah, 4). Masalah kulit, 5). Menurunkan
kadar kolesterol, 6). Gangguan Skeleton , 7). Kelahiran cacat,8). Perubahan warna
rambut,9). Gejala Neurological. Mangan kronis dapat mengakibatkan keracunan dari
lama menghirup debu dan asap. Sistem saraf pusat adalah situs utama kerusakan dari
penyakit, yang dapat mengakibatkan cacat permanen. Gejala termasuk kelembekan,
kantuk, kelemahan, gangguan emosi, gaya berjalan spastik, berulang kram kaki, dan
kelumpuhan. Insiden tinggi pneumonia dan infeksi saluran pernapasan atas lainnya
telah ditemukan pada pekerja yang terkena debu atau asap dari senyawa mangan.
2.11.3 Zink (Zn)
Zink adalah logam yang putih-kebiruan, logam ini cukup mudah ditempa dan liat
pada 110-1500C. Zink melebur pada 4100C dan mendidih pada 9060C. Yang terakhir
ini dengan mudah larut dalam asam klorida encer dan asam sulfat encer dengan
mengeluarkan hidrogen (Svehla, 1985).
Zink (Zn) adalah komponen alam yang terdapat dalam kerak bumi. Zink (Zn)
adalah logam yang memiiki karakteristik cukup reaktif, berwarna putih-kebiruan,
pudar bila terkena uap udara dan terbakar bila kena uap udara dengan api hijau
terang. Zink (Zn) dapat bereaksi dengan asam, basa, dan senyawa non logm. Zink
(Zn) memiliki nomor atom 30 dan memiliki titik lebur 419,73oC. Kadar zink pada air
minum sebaiknya tidak lebih dari 2 mg/liter. (Widowati, 2008)
Universitas Sumatera Utara
A. Efek Toksik Logam Zink
Zink adalah logam esensial yang relatif non toksik, terutama bila termakan tmelalui
mulut. Zink dapat menjadi toksik bila termakan berlebihan, sehingga menimbulkan
gejala seperti mual, muntah, sakit perut dan kelemahan (Darmono, 2009). Toksisitas
zink menurun dengan meningkatnya kesadahan, dengan meningkatnya suhu dan
menurunnya oksigen terlarut (Effendi, 2003).
Logam Zink (Zn) sebenarnya tidak toksik dalam keadaan sebagai ion, Zink
(Zn) bebas memiliki toksisitas tinggi. Meskipun Zink (Zn) merupakan unsur esensial
bagi tubuh tetapi dalam dosis tinggi Zink (Zn) dapat berbahaya. Konsumsi Zink (Zn)
berlebih akan mengalami hematologi, hati dan ginjal (Sartono, 2002).
2.12 ICP-OES ( Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy )
ICP (Inductively Coupled Plasma) adalah suatu metode analisis yangmenggunakan
couple induksi, yaitu induksi medan magnet dan medanlistrik sebagai sumber energi
untuk mengeksitasi elektron-elektron dariatom-atom yang ada dalam contoh.
Couple atau gabungan dari 2 buah induksi ini sangat penting, agarterbentuk
medan magnet dengan frekuensi tinggi, sehingga atom-atomdalam contoh tidak
hanya tereksitasi kesatu tingkat energi elektron yanglebih tinggi, tetapi juga akan
tereksitasi kebeberapa macam tingkat energielaktron yang lebih tinggi.
Gabungan elektron-elektron yang tereksitasi ini akan membentuk awan-awan
electron yang jenuh dengan elektron-elektron atau disebut juga plasma. Jadi,
gabungan dari kedua induksi ini akan menimbulkan medan magnet dengan frekuensi
plasma yang lebih tinggi atau disebut juga inductively couple high frequency plasma
(Greenberg dan Doidge, 2000).
Elektron-elektron yang sudah tereksitasi ke tingkat energi elektronyang lebih
tinggi, akan kembali ke keadaan dasar sambil melepaskan energy yang berupa sinar.
Universitas Sumatera Utara
Sinar yang dilepaskan masuk ke spektrofotometer, dan oleh grating difraksi, sinar ini
didispersikan menjadi spektrum garis yangspesfik untuk masing-masing atom atau
ion yang terkandung dalam contoh tersebut. Besarnya intensitas sinar yang
dilepaskan atau diemisikan oleh elektron-elektron saat kembali ke keadaan dasar
diukur oleh
spektrofotometer, karena intensitas sinar yang diukur adalah intensitas
sinar emisi, maka disebut ICP-OES ( Inductively Coupled Plasma-Optical Emission
Spectroscopy ). (Prima Nurgaheny,2013).
2.12.1
Prinsip Kerja dan Komponen ICP-OES
Perangkat keras ICP OES yang utama adalah plasma, dengan bantuan gas akan
mengatomisasi elemen dari energy ground state ke eksitasi state sambil
memancarkan energi cahaya hv.
Plasma yang dilengkapi dengan tabung konsentris yang disebut torch, paling
sering dibuat dari silika. Torch ini terletak di dalam water-cooled coil of a radio
frequency (r.f.) generator. Gas yang mengalir ke dalam Torch, r.f. diaktifkan dan gas
di coil region menghasilkan electrically conductive.
Pembentukan induksi plasma sangat bergantung pada kekuatan magnetic field
dan pola yang mengikuti aliran gas. Perawatan plasma biasanya dengan inductive
heating dari gas mengalir. Induksi dari magnetic field yang yang menghasilkan
frekuensi tinggi annular arus listrik di dalam konduktor. Yang mengakibatkan
pemanasan dari konduktor akibat dari ohmic resistance.
Untuk mencegah kemungkinan short-circuiting serta meltdown, plasma harus
diisolasi dari lingkungan instrumen. Isolasi dapat dilakukan dengan aliran gas-gas
melalui sistem. Tiga aliran gas melalui sistem – outer gas, intermediate gas, dan inner
atau carrier gas. outer gas biasanya gas Argon atau Nitrogen. Outer gas berfungsi
untuk mempertahankan plasma, menjaga posisi plasma, dan osilasi panas plasma dari
luar torch. Argon umumnya digunakan untuk intermediate gas dan inner atau carrier
gas. Fungsi carrier gas adalah untuk membawa sampel ke plasma.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3
Komponen Utama dan Susunan Instrumen ICP-OES
[Sumber : Boss & Fredeen, 1997]
ICP-OES terdiri dari beberapa komponen sebagai berikut :
1. plasma
plasma sebuag gas terionisasi. Ketika obor dinyalakan medan magnet yang kuat.
2.
medan magnet
sebuah medan magnet adalah medan vector yang dapat memberikan sutu gaya
magnet pada muatan listrik bergerak dan pada dipol magnetik. Ketika
ditempatkan dalam magnet, magnet dipol cenderung untuk menyelaraskan
dengan medan magnet dari RF generator dihidupkan, gas Argon yang mengalir
dinytakann dengan sautan tesla (biasanya strip tembaga diluar tabung). Gas argon
yang terionisasi dalam bidang ini mengalir dalam suatu pola simetris rotationally
kearah medan magnet kumparan RF, yang stabil. Suhu tinggi plasma sekitar
7000K ini kemudian dihasilkan sebagai hasil dari tumbukan intensitas anata atom
argon netral dan partikel bermuatan.
Universitas Sumatera Utara
3.
pompa peristaltic
sebuah pompa peristaltik adalah jenis pompa perpindahan positif digunakan
untuk memompa berbagai cairan. Fluida yang terkandung dalam tabung fleksibel
yang dipasang didalam casing pompa melingkar dengan sampel organic menjadi
nebulizer.
4.
Nebulizer
Nebulizer berfungsi utntuk mengubah cairan sampel menjadi aerosol.
5.
Spray Chamber
Spray Chamber berfungsi untuk mentransportsikan aerosol ke plasma, pada
Spray Chamber ini aerosol mengalami desolvasi atal volitisasi yaitu proses
penghilangan pelarut sehingga didapatkan aerosol kering yang bentuknya sama.
6.
Difraksi kisi
Dalam optic, kisi difraksi adalah komponen optik dengan pola yang teratur yaitu,
terbagi menjadi beberapa sinar cahaya berada diarah yang berbeda dimana ia
dipisahkan menjadi komponen- komponen radiasi dalam spectrometer optik.
Intensitas cahaya kemudian di ukur dengan photomultiplier.
7.
Photomultiplier
Photomultiplier merupakan sebuah vakum dan lebih khusus lagi photobes,
dimana alat ini sangat senstif terhadap detektor cahaya dalam bentuk sinar
ultraviolet, cahaya tampak dan inframerah.
Sampel yang akan dianalisis harus dalam larutan. Untuk sampel padatan
diperlukan preparasi sampel dengan proses digestion pada umumnya dengan acid
digestion. Nebulizer berfungsi untuk mengubah larutan sampel menjadi erosol.
Cahaya emisi oleh atom suatu unsur pada ICP harus dikonversi ke suatu sinyal listrik
yang dapat diukur banyaknya. Hal ini diperoleh dengan mengubah cahaya tersebut ke
dalam komponen radiasi (hampir selalu dengan cara difraksi kisi) dan kemudian
mengukur intensitas cahaya dengan photomultiplier tube pada panjang gelombang
spesifik untuk setiap elemen. Cahaya emitted oleh atom atau ions dalam ICP
Universitas Sumatera Utara
dikonversikan ke sinyal listrik oleh photomultiplier dalam spectrometer. Intensitas
dari sinyal dibandingkan intensitas standard yang diketahui konsentrasinya yang telah
diukur sebelumnya. Beberapa elemen memiliki lebih dari satu wavelengths spesifik
dalam spektrum yang dapat digunakan untuk analisis. Dengan demikian, pilihan
wavelength yang paling sesuai sangat mempengaruhi akurasi
.
Universitas Sumatera Utara