KAJIAN PENYERAPAN LOGAM BERAT AIR RAKSA

KAJIAN PENYERAPAN LOGAM BERAT AIR RAKSA (Hg)
DENGAN MENGGUNAKAN KARBON AKTIF DARI BATOK
KELAPA
Usulan Penelitian untuk Tesis S-2

Program Studi Teknik Sistem
Program Pascasarjana Fakultas Teknik

diajukan oleh
Hismi Susane
11/322609/PTK/07518

kepada
PROGRAM PASCA SARJANA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS GADJAH MADA
YOGYAKARTA
November 2011
1

Usulan Penelitian

Kajian Penyerapan Logam Berat Air Raksa (Hg) dengan Menggunakan
Karbon Aktif dari Batok Kelapa

yang diajukan oleh
Hismi Susane
11/322609/PTK/07518

Telah disetujui oleh:

Pembimbing Utama

Prof. Dr. Ryo Nishikido,

Tanggal

Pembimbing Pendamping

Prof. Dr. Uchi Hiroki

Tanggal

2

1. Latar Belakang
a.

Permasalahan
Kasus pencemaran limbah cair yang mengandung logam berat air raksa
(Hg), di Indonesia saat ini banyak terjadi dan masih sedang berlangsung terutama
di daerah-daerah industri dan kegiatan pertambangan emas rakyat, pertambangan
emas tanpa ijin (PETI), seperti di Jawa Barat yaitu di daerah Pongkor . Bogor,
Cineam - Tasikmalaya, Ciawitali, Waluran - Sukabumi, di Bengkulu (Lebong
Tandai), di Sulawesi Utara (Lanud), di Nusa Tenggara Barat (Lombok Utara dan
Sumbawa besar) dan masih banyak lagi di daerah lainnya. Di daerah-daerah
tersebut, masyarakat setempat saat ini sedang aktif melakukan penambangan dan
pengolahan bijih emas secara konvesional yaitu dengan cara amalgamasi.
Limbah dari kegiatan pengolahan (ekstraksi) emas dengan cara amalgamasi
tersebut masih mengandung logam berat Hg cukup tinggi dan langsung dibuang
ke badan air penerima (sungai/ kolam/ waduk/laut) tanpa diolah terlebih dahulu,

sehingga mencemari lingkungan perairan sekitarnya (Hasanudin, 1995).
Berkenaan dengan hal itu, penelitian ini mencoba melakukan percobaan
penyerapan (adsorption) logam berat Hg dalam bentuk senyawa kompleks methyl
mercury, sehingga diharapkan dapat diterapkan dalam mengatasi pencemaran
limbah cair yang mengandung logam berat Hg (Ellis, 1989). Adapun media yang
digunakan adalah karbon aktif yang dibuat dari batok kelapa yang telah
dikarbonisasi (coalite).

b.

Keaslian penelitian
Penelitian ini sudah pernah dilakukan terlebih dahulu, namun bahan yang
digunakan berbeda. Dalam peneliatian ini karbon aktif yang digunakan adalah
karbon aktif yang berasal dari batok kelapa dan bertujuan untuk melihat
3

kemampuan serapan karbon aktif meyerap Hg pada limbah cair pada kondisi
isotherm.
c.

Faedah yang dapat diharapkan
Diharapkan dengan penelitian ini mampu mengatasi masalah pencemaran
lingkungan, berupa limbah yang memiliki kandungan logam. Kandungan logam
yang terkandung dalam air, sangat berbahaya bagi kesehatan manusia. Dan
diharapkan penelitian ini bisa dijadikan sebagai bahan pembelajaran bagi
mahasiswa dan masyarakat umum.

2. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :


Mengetahui kemampuan serapan karbon aktif batok kelapa terhadap logam berat
Hg dalam limbah cair yang berbentuk senyawa methyl mercury.



Mengetahui kemungkinan pemanfaatan karbon aktif yang berasal dari batok
kelapa sebagai media penyerap logam berat Hg pada kondisi isotherm.

3.

Tinjauan Pustaka dan Landasan Teori
Penghilangan merkuri dengan proses adsorpsi dengan karbon aktif umumnya
digunakan untuk penghilangan merkuri dengn konsentrasi yang rendah. Selain
karbon aktif proses adsorpsi dapat dilakukan dengan menggunakan adsorbent yang
lain misalnya fly ash, silica aktif atau lainnya. Untuk proses asorpsi dengan karbon
aktif dapat dilakukan dengan filter karbon aktif granular.
Karbon aktif merupakan zat karbon yang berwarna hitam dan mempunyai
porositas yang tinggi. Diameter partikel molekul karbon aktif antara 10-105 [A] dan
luas permukaan spesifiknya antara 500-1500 m2 per gram, mempunyai daya adsorpsi
4

yang besar terhadap zat-zat misalnya detergent, senyawa phenol, warna organic, gas
H2S, methane dan zat-zat organic lainnya dalam bentuk gas maupun cairan (Maron
dan Prutton, 1965).
3.1.

Sifat dan jenis karbon aktif
Karbon aktif biasanya dibuat dari bahan baku yang mengandung karbon (C)
misalnya, batok kelapa, limbah kayu, arang, batu bara atau senyawa karbon

lainnya, dengan cara memanaskan tanpa oksigen pada suhu tinggi (distilasi
kering) serta diaktifkan dengan proses tertentu sehingga mempunyai sifat adsorpsi
yang lebih spesifik. Daya adsorpsi karbon aktif tergantung dari ukuran partikel
atau atau luas permukaan spesifiknya dan juga cara pengaktifannya. Dilihat dari
bentuk ukuran partikelnya dapat digabungkan dalam dua jenis yaitu karbon aktif
bubuk (Powder activated Carbon disingkat PAC) dan Karbon aktif Butiran
(Granular Activated Carbon disingkat GAC)
A. Karbon aktif bubuk (powder activated carbon)
Karbon aktif bubuk mempunyai ukuran pertikel yang sangat halus yaitu
sekitar 50-75 micron. Karena ukurannya sangat halus dan ringan maka
pengerjaannya sangat sulit (mudah terbang) maka biasanya dicampur dengan
air dengan kandungan air sekitar 30-50%.
Salah satu contoh spesifikasi karbon aktif bubuk untuk pengolahan air
minum dapat dilihat pada table berikut.
Table 1 Standar Pemilihan Karbon Aktif Bubuk untuk Pengolahan Air minum
ITEM
Ukuran Butiran

Standar Pemilihan
Spesifikasi

Surplus kurang 10% setelah 100 mesh
screening 74 µ

Methylene blue decoloration
Iodine Adsorption
Dry Weight reduction

20-50%

˃ 150 mg/l
˃ 1000 mg/g
˂ 45-540%
5

pH
Chloride
Lead (Pb)
Zinc (Zn)
Cadmium (Cd)
Arsenic (As)

Conductivity
Sumber : (JWWA, 1977).

4-11
˂ 0,5 %
˂ 10 ppm
˂ 50 ppm
˂ 1 ppm
˂ 2 ppm
˂ 900 µΩ/cm

4-11
˂ 0,5 %
˂ 10 ppm
˂ 50 ppm
˂ 1 ppm
˂ 2 ppm
-

B. Karbon aktif butiran (granular activated carbon disingkat GAC)

Yaitu Karbon aktif dalam bentuk butiran atau kepingan (flake) dengan
ukuran partikel 0,16-1,5 mm. cara pengerjaan maupun cara pengangkutannya
lebih mudah. Salah satu spesifikasi dari karbon aktif butiran dapat dilihat pada
table berikut.
Table 2 Contoh Spesifikasi Karbon Aktif Butiran (Granular Activated Carbon,
GAC)
ITEM
Ukuran Butiran
Methylene blue decoloration
Iodine Adsorption
Dry Weight reduction
pH
Chloride
Lead (Pb)
Zinc (Zn)
Cadmium (Cd)
Arsenic (As)
Sumber : (JWWA, 1977).
3.2.

Standar Pemilihan
8-32 mesh (2,302-0,495 mm) lebih
dari 95%
˃ 150 mg/g
˃ 1000 mg/g
˂ 5%
4-11
˂ 0,5%
˂ 10 ppm
˂ 50 ppm
˂ 1 ppm
˂ 2 ppm

Prinsip dan dasar pengolahan dengan karbon aktif
Proses pengolahan air dengan karbon aktif adalah merupakan proses
adsorpsi secara fisika (physical adsorption) yaitu proses terkonsentrasinya
molekul-molekul adsorbate (zat yang akan diadsorp) dalam air (misalnya zat
organic, logam berat dll.) ke permukaan karbon aktif oleh karena adanya gaya

6

tarik menarik antara molekul karbon aktif dengan molekul-molekul adsorbate
yang ada dalam air (Gaya Van Der Walls). Karbon aktif adalah salah satu zat yang
mempunyai daya menyerap zat-zat pultan yang ada dalam air sehingga zat
tersebut akan menempel atau terkonsentrasi pada permukaan karbon aktif,
sehingga konsentrasi zat polutan yang ada dalam air tersebut menjadi hilang atau
berkurang. Proses ini disebut Adsorpsi.
Persamaan Freundlich
Hubungan antara jumlah massa zat yang teradsopsi oleh karbon aktif per
massa karbon aktif yang diberikan, dengan konsentrasi adsorbate (missal zat
organik), dalam air pada keadaan setimbang, secara empiris ditunjukkan oleh
persamaan, Freundlich sebagai berikut (Treyball, 1980) :
1

Y=

X
=k C n
M

(1)

Dimana :
Y = Jumlah zat teradsorp per jumlah massa karbon aktif
X = Jumlah massa zat yang teradsorpsi
M = Jumlah massa karbon aktif
C = Konsentrasi zat polutan dalam air (disebut adsorbate) pada keadaan setimbang
K,n = konstanta
Hubungan Kesetimbangan antara

X
M

dengan C dapat dilihat pada gambar 1.

7

Gambar 1 Grafik Hubungan antara Zat yang Teradsorp per Jumlah Karbon Aktif
X
M

dengan Konsentrasi (C) pada saat Kesetimbangan

Logaritma dari persamaan (1) diatas adalah sebagai berikut :
log

Jika

X 1
= log C +log k
M n
log

X
M

(2)

diplotkan dengan log C, akan didapatkan suatu garis lurus dengan

slope (kemiringan) sama dengan

1
n

dan intercept sama dengan log k seperti

gambar 2.

Gambar 2 Grafik Hubungan antara

log

X
M

dengan Log C untuk Adsorpsi

Isothemis Freundlich

8

Harga k dan n bervariasi tergantungd ari macam zat yang akan diadsorpsi
dan juga tergantung dari jenis maupun sifat dari karbon aktifnya. Disamping itu
juga tergantung pada suhu maupun tekanan.
Besarnya harga k dan n diketahui dengan cara melakukan percobaan

laboratorium yanitu dengan cara mengukur harga

tertentu, kemudian dibuat grafik antara

garis lurus dengan slope

1
n

log

X
M

X
M

untuk tiap konsentrasi C

dengan Log C sehingga didapat

dan intercept sama dengan log k. pada prakteknya

persamaan Freundlich tersebut diatas cukup akurat untuk konsentrasi zat yang
akan diadsorp (adsorbate, C) rendah, sedangkan untuk konsetrasi C yang tinggi

kurang sesuai. Beberapa contoh harga parameter adsorpsi Freundlich (k dan

1
n

) untuk penghilangan merkuri dengan berbagai jenis adsorbent dapat dilihat pada
table berikut.
Tabel 3 Parameter Adsorpsi Isotherm Freundlich untuk Adsorpsi Merkuri

Sumber : EPA, 1997. “Capsule Report : Aqueous Mercury Treatment”.
4.3.

Adsorpsi merkuri dengan karbon aktif bubuk
9

A. Proses Pengolahan
Pada umunya, karbon aktif diinjeksikan kedalam air baku sebelum proses
koagulasi. Melalui kontak dan pencampuran, zat polutan yang ada dalam air
baku, akan teradsorp oleh karbon aktif. Setelah itu karbon aktif yang telah
menyerap zat-zat polutan tersebut bersama-sama dengan kotoran lain misalnya
lumpur, dipisahkan dengan cara koagulasi dan sedimentasi sehingga keluar
berupa lumpur (sludge) berwarna hitam. Untuk partikel-partikel karbon aktif
yang belum dapat terpisahkan oleh proses koagulasi dan sedimentasi dapat
dihilangkan dengan proses filtrasi. Tetapi pada prakteknya kadang-kadang
partikel-partikel karbon aktif yang sangat halus masih juga dapat lolos pada
proses filtrasi. Terutama pada musim dingin dimana suhu sangat rendah,
proses koagulasi tidak berjalan dengan baik, sehingga partikel-partikel karbon
aktif tidak dapat diendapkan dan akibatnya beban filter terlalu besar. Untuk
menghindari hal tersebut, biasanya dapat dilakukan dengan cara memberikan
koagulan Poly Aluminium chloride serta pengontrolan proses yang ketat.
Cara pembubuhan dan pengkontakkan karbon aktif dengan air baku dapat
dilakukan dalam tangki kontak khusus (Contact Chamber) yang dilengkapi
dengan pengaduk, atau dapat juga disesuaikan dengan peralatan yang ada
misalnya pada bak pemisah pasir (grit chamber) atau dapat juga dilakukan
bersama-sama di tangki koagulasi, pada bak pencampur cepat (Rapid Mixing
Tank) atau pada clarifier (accelator). Beberapa contoh diagram pengolahan air
dengan karbon aktif bubuk dapat dilihat pada gambar 3 berikut.

10

Gambar 3 Sistem Pengolahan air dengan Karbon Aktif Bubuk Menggunakan
Bak Kontaktor Karbon Aktif

Gambar 4 Sistem Pengolahan Air Minum dengan Karbon Aktif Bubuk, dengan
Cara Pembubuhan di dalam Bak Koagulasi-Sedimentasi (Clarifier)
Beberapa keuntungan dari proses pengolahan air dengan karbon aktif
bubuk antara lain yaitu :


Fasilitas pengolahan disesuaikan dengan peralatan yang sudah ada.



Sangat

ekonomis

untuk

pengolahan

dalam

keadaan

darurat

(emergency) atau untuk pengolahan jangka pendek, karena dapat
dilakukan tanpa membuat peralatan yang khusus.


Luas permukaan spesifik dari karbon aktifnya besar, sehingga daya
adsorpsinya juga besar.



Kemungkinan tumbuh mikroorganisme kecil sekali.

11

Sedangkan beberapa keburukkannya antara lain:


Cara pengerjaan (handling) dan pengangkutannya lebih sulit karena
partikelnya sangat halus dan mudah terbang serta mudah terbakar.



Regenerasi sulit dilakukan karena karbon aktif yang telah dipakai
dalam proses pengolahan akan bercampur dengan kotoran-kotoran
lain, berupa lumpur yang berwarna hitam.



Pengontrolan proses lebih sulit serta kemungkinan kerusakan
mesin atau peralatan akibat penyumbatan lebih besar.

B. Perhitungan kebutuhan karbon aktif
Untuk proses yang kontinyu, perhitungan kebutuhan karbon aktif
tergantung dari laju alir air baku, konsentrasi zat yang akan diadsorp
(adsorbate) dalam air baku dan tergantung dari macam proses yang
digunakan misalnya proses operasi satu tahap (single stage operation) atau
proses operasi dua tahap atau lebih (multi stage oepration) secara cross
current atau counter current.
Pengolahan air dengan cara adsorpsi satu tahap (single stage operation)
ditunjukkan seperti pada gambar dengan anggapan bahwa karbon aktif
sebagai adsorbent tidak larut atau tidak bereaksi dengan air atau solventnya
(Treyball, 1980).
Air baku dengan konsentrasi adsorbate (zat yang akan diadsorp) sebesar
Cn dan laju alir Q, diturnkan konsentrasinya menjadi C 1 (massa adsorbate per
unit volume air baku) dengan laju penambahan karbon aktif M
(massa/waktu). Jumlah massa zat yang teradsorp per jumlah massa karbon
aktif tidak akan naik dari Yn menjadi Y1. Untuk operasi yang kontinyu maka
jumlah adsorbate yang direduksi (diambil) dari air baku akan sama dengan
12

jumlah yang diadsorp oleh karbon aktif. Persamaan matematikanya dapat
dituliskan sebagai berikut :
Q (C0 - C1) = M (Y1 – Y0) (3)
Jika digambar dalam koordinat C, Y, persamaan (3) tersebut diatas
menunjukkan garis lurus melalui titik (Yn, Cn) dan titik (Y1, C1) dengan slope

(kemiringan) –

M
. Jika operasi dalam keadaan keseimbangan, maka aliran
Q

efluen juga akan berada dalam keadaan keseimbangan, sehingga titik (Y 1, C1)
terletak pada garis kesetimbangan adsorpsi (C vs Y). Hal ini ditunjukkan pada
gambar.
Apabila waktu kontak tidak mencukupi, maka kesetimbangan belum
tercapai, maka titik (Y1, C1) tidak terletak pada garis kesetimbangan, misalnya
pada titik A (lihat gambar 5). Dengan menganggap persamaan Freundlich
1

Y =k C n Y (persamaan 1) berlaku pada operasi tersebut diatas, maka

keadaan kesetimbangan :

13

Gambar 5 Operasi Adsorpsi Satu Tahap (Single Stage Operation)
Y 1=k C

1
n
1

(4)

Jika dianggap bahwa untuk adsorbent yang masih baru, Y 0=0, maka jika
persamaan (4) disubstitusikan ke persamaan (3), didapatkan hasil sebagai
berikut :
M (C 0−C 1)
=
1
Q
k C 1n

(5)

14

Persamaan (5) tersebut merupakan cara analitik untuk menghitung ratio
atau perbandingan antara jumlah karbon aktif per unit volume air baku untuk
menurunkan konsentrasi adsorbate dalam air baku dari C0 menjadi C1.
Secara garis besar ada 3 tipe untuk adsorpsi sothermis yaitu garis
kesetimbangan C vs Y akan berupa garis lurus untuk n = 1; berupa garis
cekung ke atas untuk n ˃ 1 dan berupa garis cekung ke bawah untuk n ˂ 1. Hal
ini terlihat eperti pada gambar.
Jika untuk masing-maisng tipe adsorpsi tersebut diatas, konsentrasi adsorbate
dalam air baku diturunkan dan Cn menjadi C1, terdapat 3 buah garis operasi
yang menyebar dari titik A (gambar 6). Slope atau kemiringan dari masingmasing garis operasi berbanding lurus terhadap ratio antara laju penambahan

karbon aktif dengan laju air baku (

M
Q

).

Gambar 6 Kurva Kesetimbangan Freundlich untuk Adsorpsi Satu Tahap
Untuk adsorpsi yang baik, biasanya besarnya harga n antara 2-10; antara 12 untuk yang agak sulit; sedangkan untuk n lebih kecil dari adsorpsi sangat
sulit dilakukan. Disamping itu besarnya harga k juga merupakan parameter
yang penting untuk proses adsorpsi.
4.4.

Adsorpsi Merkuri dengan Filter Karbon Aktif Granular
15

Adsorpsi dengan arbon aktif butiran (granular) adalah proses yang paling
banyak digunakan untuk penghilangan merkuri didalam air. Prosesnya adalah
dengan cara mengalirkan air yang mengandung merkuri ke dalam suatu filter yang
diisi dengan karbon aktif. Proses filtrasinya dapat dilakukan dengan cara gravitasi
maupun dengan tekanan, tetapi yang sering digunakan umumnya adalah dengan
filtrasi dengan tekanan. Dilihat dari system pengalirannya dapat dibagi dua yaitu
aliran dari atas ke bawah (down flow) dan aliran dari bawah ke atas (up flow).
Sedangkan prosesnya dapat dilakukan secara seri maupun parallel. Beberapa
contoh aliran proses filtrasi karbon aktif granular dapat dilihat pada gambar 7a
sampai dengan gambar 7e. Salah satu contoh kontruksi filter karbon aktif dapat
dilihat pada gambar 8.

Gambar 7a Filter Karbon Aktif Butiran (Granular) Unggun Tetap (Fixed Bed)
dan Unggun Mengembang (Expanded Bed)

16

Gambar 7b Filter Karbon Aktif Butiran (Granular) Unggun Tetap (Fixed Bed)
Dipasang Seri

Gambar 7c Filter Karbon Aktif Butiran (Granular) Unggun Tetap (Fixed Bed)
Dipasang Parallel

Gambar 7d Filter Karbon Aktif Butiran (Granular) Unggun Mengembang
(Expanded Bed) Dipasng Seri

Gambar 7e Filter Karbon Aktif Butiran (Granular) Unggun Mengembang
(Expanded Bed) Dipasang Parallel.

17

Gambar 8 Konstruksi Filter Karbon Aktif Bertekanan yang Banyak Digunakan

4.

Metodologi Penelitian
Untuk mendapatkan larutan buatan (artificial) dilakukan dengan cara
mencampur atau mengaduk antara air raksa (Hg) murni dengan asam humus
(humic acid) sehingga diperoleh larutan kompleks methyl mercury (Hassler,
1974). Sedangkan media yang digunakan adalah karbon aktif yang dibuat dari
batok kelapa yang telah dikarbonisasi (coalite). Secara lengkap metodologi
penelitian dapat dilihat diagram alir pada Gambar 9. Percobaan ini menggunakan
pendekatan sebagaimana sistem netralisasi limbah cair dan penyerapan logam
emas atau perak dari bijihnya, yaitu dengan sistem unggun karbon aktif tetap atau
fixed bed (Stanley, 1997). Adapun susunan alat percobaan penyerapan tersebut
dapat dilihat Gambar 10 dan dengan memvariasikan antara fraksi ukuran butir,
berat karbon aktif dan debit larutan yang mengalir, dapat diketahui konsentrasi
logam berat Hg baik sebelum dan setelah proses adsorpsi. Pengamatan dan
pengambilan contoh dilakukan secara sesaat dengan selang waktu 2 jam selama 6
jam.

18

Gambar 9 Diagram Alir Percobaan Adsorpsi Logam Berat Hg dalam Larutan
Methyl Mercury dengan Menggunakan Karbon Aktif Batok Kelapa

Gambar 10 Susunan Alat Percobaan Adsorpsi Logam Berat Hg dalam Larutan

5.

Jadual Penelitian
19

Tahap kegiatan

Bulan ke:
1

2

3

4

5

6

7

8

Persiapan
a Pemesanana Bahan Kimia
b Pembuatan Alat
c Preliminary Experiment
Pelaksanaan
a Percb. Adsorpsi Mercury Methyl
b Analisis Kimia Hg setelah Proses
Penyerapan
Penyelesaian
a Analisis Data dan Pengolahan Data
b Penyusunan

dan

Penggandaan

Laporan

Daftar Pustaka
Anonymous, 1978, “Design Criteria for Waterworks Facilities”, Japan Water
Works Association (JWWA).
Ellis, D., 1989, “Environments of Risk: Case Histories of Impact Assesment”,
Springer – Vertag Berlin, Heidelberg New York.
Hasanudin, D., 1995, “Pengkajian Limbah Pengolahan Bijih Emas Milik KUD
Mekarjaya di Karang Paningal Cineam Tasikmalaya Jawa Barat”, DPE,
DJPU, Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara.
Hassler, J.W., 1974, “Purification with Actived Carbon : Specialist in Activated
Carbon, Research, Manufacture & Marketing”, Chemical Publishing Co
Inc., New York.
Maron, S.H., and Prutton, C.F., “Principles of Physical Chemistry”, McMillan
Company. London, 1965.
Said, Nusa Idaman, 2010, “Metoda Penghilangan Logam Merkuri di dalam Air
Limbah Industri”, JAI Vol 6, pp 4-9.
Solihin, Chamid, Chusharini, dan Sugarba, Garlan, “Kajian Penyerapan Logam
Berat (Hg) dengan Menggunakan Karbon Aktif Batubara Sub-bituminus
yang Dikarbonisasi (coalite)”, Universitas Islam Bandung.
Stanley, G.G., 1997, “The Extractive Metallurgy of Gold in South Africa”, The
South Africa Institute of Mining & Metallurgy, Johannesberg, Vol. 1.
Treyball, R.E., 1980, “Mass Transfer Operations”, Third Edition. McGraw Hill
Kogakusha.

20