PENGARUH ph PADA ADSORPSI KATION UNSUR HARA Ca2+ DAN K+ OLEH SILIKA DARI LUMPUR LAPINDO

Transkripsi

1 PENGARUH ph PADA ADSORPSI KATION UNSUR HARA Ca2+ DAN K+ OLEH SILIKA DARI LUMPUR LAPINDO (THE EFFECT OF ph ON THE ADSORPTION OF MICRONUTRIENT CATIONS OF Ca2+ AND K+ BY SILICA FROM LAPINDO MUD) Jaslin Ikhsan, Siti Sulastri, Erfan Priyambodo Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Negeri Yogyakarta, Jl. Colombo No. 1 Yogyakarta jikhsan@uny.ac.id, jaslinikhsan@gmail.com Abstrak Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh ph pada adsorpsi kation unsur hara Ca2+ dan K+ silika lumpur lapindo hasil pemisahan. Data dikumpulkan melalui eksperimen adsorpsi, dimana 3 gram silika hasil pemisahan lumpur Lapindo dilarutkan dalam 300 ml larutan yang berisi Ca2+ atau K+ 0,0001 M atau 0,001 M, dan diaduk selama waktu kesetimbangan, yaitu 2 jam. ph suspensi divariasi dan dibiarkan 2 jam, sampel diambil dan diukur konsentrasi kation bebas dalam larutan dengan Atomic Absorption Spectrophotometry untuk Ca2+ dan Flame Atomic Emission Spectroscopy untuk K+. Variasi ph dilakukan dari 3 hingga 10 dengan suhu dan waktu kontak dipertahankan 30 oc dan 2 jam. Hasil penelitian menunjukkan kedua kation tersebut terikat dengan pola sigmoid, membesar seiring dengan meningkatnya harga ph. Pada semua harga ph yang teramati, Ca2+dan K+. terikat dalam jumlah yang tidak berbeda secara signifikan. Sorben silika dalam air membentuk silanol (SiOH) yang terprotonasi pada ph rendah, membentuk SiOH2+ dan terdeprotonasi pada ph tinggi menjadi SiO. Baik Ca2+ maupun K+. diikat melalui reaksi pertukaran kation dimana Ca2+ atau K+. menggantikan proton H+ dari gugus -OH silanol membentuk [SiO(CaOH)] untuk Ca2+, dan [SiO-K] untuk K+. Kata kunci: adsorpsi;ca2+; K+.; ph; silika Abstract The aim of this research was to determine the effect of ph on the adsorption of micronutrients of Ca2+ and K+. by silica from lapindo mud. Data were collected by the adsorption experiments, on which 3 grams of silica separated from Lapindo mudwere dissolved in 300 ml of or M Ca2+or K+., and stirred for 2 hours. The ph of suspension was varied and left for equilibrate for 2 hours, and a sample was taken and measured for free concentration of K+.cation using Flame Atomic Emission Spectroscopy and of Ca2+ using Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). The ph ranges were from 3 to 10. Temperature of 30 oc and contact time of 2 hours were maintained. The research showed that both cations were adsorbed in sigmoid curve, increased with increasing ph values. In entire ranges of observed ph, the percentage of cations adsorbed by silica was not different significantly. The adsorbent of silica formed silanol (SiOH) in water. The OH groups of silica were protonated forming SiOH2+at lower ph and deprotonated forming SiO at higher ph. Wether Ca2+ or K+. cations were bound to silica surfacesvia cation exchange reactions, on which Ca2+ or K+. exchanged H+of SiOH using one charge of the cations, forming [SiO(CaO)] for Ca2+, and [SiO-K] for K+. Keywords: adsorption; Ca2+;K+.;pH; silica 10

2 Pengaruh ph pada Adsorpsi Kation (Ikhsan, J. dkk) PENDAHULUAN Adsorpsi merupakan pengikatan kation dan anion unsur hara suatu proses oleh silika hasil pemisahan dari lumpur sederhana yang dapat dimanfaatkan untuk Lapindo, dan oleh silika termodifikasi mengurangi limbah lingkungan terutama sebagai penukar kation dan penukar anion. dalam fase larutan, yaitu limbah kimiawi Modifikasi terhadap silika dilakukan agar baik berupa kation maupun anion. Proses diperoleh silika yang mampu mengikat adsorpsi dalam hal ini melibatkan adsorben kation dan anion unsur hara dengan kuat, dalam fase padat dan limbah dalam fase cair. sehingga laju desorpsi unsur-unsur tersebut Penelitian tentang adsorpsi dalam interface menjadi lambat. Prinsip ini dapat diterapkan padat-cair untuk keperluan pengurangan dalam pembuatan pupuk lepas lambat. kation logam telah banyak dilakukan, Faktor yang berpengaruh terhadap misalnya oleh Angove et al. (1998); adsorpsi kation di antaranya adalah sifat Bradbury dan Baeyens (1999); Dube et al. dan konsentrasi adsorben/adsorbat, ph, (2001); Lackovic et al. (2003, 2004); Ikhsan dan suhu. Adsorben silika di dalam air et al. (2005). membentuk silanol (SiOH), yang memiliki Meskipun penelitian tentang adsorpsi gugus fungsional aktif OH. Dari berbagai kation telah banyak dilakukan, kesepakatan pendapat tentang proses adsorpsi dan mekanisme reaksi protonasi dan deprotonasi gugus aktif OH belum pernah ada. Pendekatan dan modeling silanol diusulkan oleh beberapa peneliti untuk mendeskripsikan proses adsorpsi sebagai suatu reaksi dasar yang terjadi pada tersebut juga telah ramai dilakukan, misalnya permukaan logam oksida seperti silika. oleh Hayes et al. (1991); Gunneriusson et Pada ph rendah SiOH terprotonasi menjadi al. (1994); Majone et al. (1996); Du et al. bermuatan positif, dan pada ph tinggi (1997); Ikhsan et al. (1999, 2005), namun terdeprotonasi menjadi bermuatan negatif. karena luasnya faktor yang berpengaruh pada Perbedaan muatan pada permukaan silika adsorpsi kation, maka penelitian adsorpsi sebagai akibat dari perbedaan ph sistem dengan variabel-variabel tertentu menjadi sangat berpengaruh pada perilaku adsorpsi menarik sebagai penambahan pengetahuan kation oleh silika. Disamping itu, ph dapat tentang adsorpsi dan pemanfaatannya. berpengaruh signifikan pada adsorpsi kation tentang mekanisme reaksi, Tujuan dari penelitian ini adalah karena ph memengaruhi sifat hidrolisis mengetahui pengaruh ph pada adsorpsi masing-masing kation. Oleh karena itu, kation unsur hara Ca2+ dan K+ oleh silika. penelitian ini menjelaskan pengaruh ph pada Penelitian ini sebagai bagian hasil dari pengikatan kation Ca2+ dan K+ oleh silika, penelitian permulaan untuk mempelajari reaksi pembentukan kompleks permukaan 11

3 Jurnal Penelitian Saintek, Vol. 20, Nomor 1, April 2015 yang terjadi, dan pengaruh konsentrasi awal dengan menggunakan AAS untuk Ca2+ dan kation pada adsorpsi kation. Flame Atomic Emission Spectroscopy untuk K+. ph suspensi sisa dinaikkan menjadi 4 METODE PENELITIAN dengan meneteskan 0,1 M larutan KOH, Subjek penelitian ini adalah kation dan selalu diaduk dengan magnetic stirrer unsur hara Ca2+, K+, dan silika hasil selama2 jam, kemudian sampel diambil pemisahan dari lumpur Lapindo, sedangkan lagi, dipusingkan, dan filtratnya dianalisis objek penelitiannya adalah pengaruh ph untuk konsentrasi Ca2+ atau K+. Pengambilan pada adsorpsi kation Ca2+ atau K+ oleh sampel dan pengukuran Ca2+ atau K+bebas silika. Data dikumpulkan melalui (1) dilanjutkan pada ph 5, 6, 7, 8,9 dan 10. eksperimen adsorpsi sebagai fungsi ph, dan ph pada terjadinya pengikatan Ca2+ atau K+ (2) eksperimen adsorpsi sebagai fungsi ph dalam jumlah maksimal ditentukan sebagai dengan konsentrasi awal kation berbeda. ph optimum. Eksperimen dilakukan pada suhu 30 oc dan Eksperimen variasi ph untuk kation waktu kontak 2 jam. Langkah eksperimen dengan konsentrasi awal berbeda dilakukan diadopsi dari eksperimen adsorpsi tepi yang sama dengan eksperimen variasi ph, namun dilakukan oleh Ikhsan et al. (2005). konsentrasi awal kation yang berbeda, bukan Eksperimen variasi ph pada adsorpsi 0,0001 M, melainkan 0,001 M. dilakukan dengan melakukan adsorpsi Ca2+ atau K+ dimana konsentrasi awal kation HASIL DAN PEMBAHASAN adalah 0,0001 M. Silika hasil pemisahan Studi Komparasi Pengaruh ph pada dari lumpur Lapindo dengan berat 3 gram Adsorpsi Ca2+ dan K+ dilarutkan dalam M Ca2+ atau K+, dan Pengaruh ph pada adsorpsi Ca2+ dan K+ diaduk secara kontinu dengan menggunakan ditunjukkan oleh Gambar 1. Pada rentang magnetic stirrer sehingga terjadi suspensi ph eksperimen, yaitu dari 3 sampai dengan homogen. ph suspensi yang berisi adsorben 10, adsorpsi kation semakin naik seiring silika dan adsorbat Ca2+ atau K+ tersebut dengan naiknya ph. ph dapat berpengaruh diturunkan dengan menambahkan larutan secara signifikan terhadap adsorpsi karena HCl ke dalamnya sehingga mencapai dapat mengubah sifat permukaan dan sifat ph 3. Setelah pengadukan 2 jam (waktu kation. Sifat permukaan yang dalam hal tercapainya kesetimbangan), 6 ml sampel ini adalah gugus aktif permukaan (SiOH) diambil (centrifuge). silika mengalami protonasi pada ph rendah Filtrat hasil centrifuge dianalisis untuk membetuk SiOH2+, dan deprotonasi pada menentukan konsentrasi Ca2+ atau K+ bebas ph tinggi menjadi SiO, seperti permukaan 12 dan dipusingkan

4 Pengaruh ph pada Adsorpsi Kation (Ikhsan, J. dkk) Gambar 1. Adsorpsi Ca2+ dan K+ oleh Silika dari Lumpur Lapindo logam oksida lainnya, mengikuti persamaan Naiknya ph mengakibatkan berkurang- reaksi 1 dan 2 (Sposito, 1984, Ikhsan et al. nya muatan kation. Hal ini terjadi karena 2012). kecenderungan kation membentuk spesies Pada ph rendah:sioh + H+ Pada ph tinggi: SiOH + OH SiOH2 + (1) logam-hidrokso dalam air pada ph tinggi. SiO + H2O (2) Kation Ca2+ membentuk spesies Ca(OH)+ (Baes dan Mesmer, 1984; Kotrlý dan Šûcha, Tinggi-rendahnya ph yang menentukan 1985). Distribusi spesies kalsium dalam protonasi-deprotonasi gugus aktif silika hidrolisis sebagai fungsi ph diberikan oleh tersebut ditentukan oleh point zero charge Gambar 2. Gambar tersebut dibuat dengan (PZC), suatu harga ph (poin) yang net aplikasi perangkat lunak komputer GRFIT muatan permukaannya adalah netral atau (Ludwig, 1992), dengan melibatkan harga nol. PZC silika dilaporkan oleh Kosmulski konstanta kesetimbangan (β1) Ca(OH)+ yang (2009) dan Ha (1998) berharga sangat kecil. besarnya adalah 1,30 (Kotrlý dan Šûcha, Pada ph lebih kecil dari PZC, permukaan 1985), dan Ksp pembentukan Ca(OH)2 adalah silica cenderung bermuatan positif dan pada 1,3 x 10-6 (Zumdahl, 1989). Pada ph rendah ph tinggi bermuatan negatif. Oleh karena (ph < 5.0) kalsium cenderung berada dalam itu, ph tinggi dapat meningkatkan afinitas spesies Ca(OH)+. Keberadaan spesies Ca2+ kation terhadap gugus aktif silika, yang pada semua rentang ph eksperimen sangat akibatnya dapat meningkatkan adsorpsi kecil dan dapat diabaikan. Sementara itu, kation (Schindler et al., 1987). pada ph tinggi terjadi pembentukan endapan 13

5 Jurnal Penelitian Saintek, Vol. 20, Nomor 1, April 2015 Gambar 2. Distribusi Spesies Kalsium-Hidroksi sebagai Fungsi ph Ca(OH)2 dalam jumlah yang signifikan. Perbedaan adsorpsi kation sangat Dalam eksperimen adsorpsi, pengurangan dipengaruhi oleh sifat kation, terutama konsentrasi Ca2+ karena adsorpsi tidak hidrolisis (Zachara dan McKinley, 1993), dapat dibedakan dengan pengurangannya jari-jari ionik, dan elektronegativitas. Tabel karena pengendapan (Farley et al., 1985, 1 menyajikan data perbedaan sifat-sifat Gunneriusson et al., 1994). Berdasarkan kation Ca2+ dan K+. kelimpahan spesies Ca(OH)+ pada rentang Tabel 1 menunjukkan bahwa Ca2+ dan ph 3-8, spesies ini merupakan satu-satunya K+ memiliki perbedaan ditinjau dari sifat spesies yang mungkin berikatan dengan hidrolisis, jari-jari, dan elektronegativitas. gugus aktif di permukaan silika. Pada ph di Namun, Gambar 1 menunjukkan tidak atas 8, kalsium tidak ditemukan bebas dalam adanya perbedaan yang signifikan adsorpsi larutan karena membentuk endapan. silika terhadap Ca2+ dan K+ pada ph Tidak seperti Ca2+, kation K+ merupakan Berdasarkan data distribusi spesies (Gambar spesies kation bebas yang dominan ada 2), baik Ca2+ maupun K+ berada melimpah dengan muatan +1 pada semua rentang ph pada ph 3-11 sebagai spesies Ca(OH)+ dan eksperimen. Oleh karena itu, spesies ion K+ K+ yang bermuatan sama, yaitu plus satu (+1). merupakan spesies yang berikatan dengan Data ini mengkonfirmasikan bahwa kedua gugus aktif di permukaan silika. kation terikat oleh permukaan silika dengan 14

6 Pengaruh ph pada Adsorpsi Kation (Ikhsan, J. dkk) Tabel 1. Perbedaan Sifat Kalsium dan Kalium Sifat n+ M + H 2O [M(OH)] (n-1)+ + (n-1)h+ 1 Hidrolisis Mn+ + 2 H2O M(OH)2 + 2 H+ Atom 2 Jari-jari Ion 3 Terhidrat Elektronegativitas Kalsium (Log K = 1,3)a (Log K = 1,3 x 10-6)b 1,97 Åb 1,00 Åc 4,12 Åc 1,0 b Kalium --2,31 Åb 1,33 Åb 1,49 Å c 3,31 Åc 0,8 b Keterangan: a Kotrlý dan Šûcha (1985) b Zumdahl (1989) c Volkov et al. (1997) menggunakan muatannya, yaitu plus satu kation K+, penambahan basa tersebut tidak (+1), yang terikat oleh gugus fungsidengan signifikan jumlahnya (reaksi 4). muatan minus satu (SiO ) dari gugus silanol melalui pertukaran kation. Ion H+ dari Pengaruh ph dan Konsentrasi pada silanol SiOH ditukar oleh Ca(OH)+ atau Adsorpsi Kation K+ dengan ikatan elektrostatik seperti yang Konsentrasi awal Ca2+ yang berbeda diusulkan oleh Gunneriusson et al. (1994), menyebabkan dengan reaksi yang direpresentasikan oleh berbeda signifikan. Gambar 3 menunjukkan persamaan reaksi 3 dan 4. pengaruh ph pada adsorpsi Ca2+ dengan SiO + Ca2+ + H2O SiO +K+ [SiO(Ca(OH)] + H+ [SiO K+] (3) (4) persentase Ca2+ terikat konsentrasi awal 0,0001 M dan 0,001M. Gambar 3 menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi awal kation, semakin kecil Mekanisme reaksi ini didukung oleh persentase kation terikat pada semua harga stoikiometri proton yang diperoleh dari hasil ph. Suatu contoh, pada ph 7, konsentrasi eksperimen isotherm adsorpsi. Eksperimen awal kation lebih kecil, terikat oleh gugus adsorpsi Ca2+ oleh silika pada variasi aktif silika dengan persentase lebih besar. konsentrasi dan dilakukan pada ph tetap Jika persentase kation Ca2+ terikat sama, (ph 7) dan suhu tetap (30 oc) menunjukkan maka ph terjadinya ikatan tersebut lebih adanya pelepasan proton (reaksi 3), dan tinggipada kation dengan konsentrasi awal memerlukan penambahan basa. Sebaliknya lebih besar. Sebagai contoh, terikatnya kation pada eksperimen isotherm adsorpsi untuk Ca2+ sebesar 80% terjadi pada ph 6-6,5 untuk 15

7 Jurnal Penelitian Saintek, Vol. 20, Nomor 1, April 2015 Gambar 3. Adsorpsi 0,0001 M dan 0,001 M Ca2+ oleh Silika konsentrasi awal 0,0001 M, tetapi tercapai pada ph 8 untuk konsentrasi awal 0,001 M. KESIMPULAN Adsorpsi kation secara signifikan Data ini juga mendukung mekanisme reaksi dipengaruhi oleh ph. Semakin tinggi ph, menurut persamaan 3 dan 4. Permukaan silika semakin tinggi pula persentase kation terikat mengikat kation melalui gugus aktif SiO. oleh silika. ph dapat mengubah muatan Gugus aktif tersebut terjadi karena adanya gugus aktif permukaan silika, netral pada deprotonasi silanol SiOH, yang tercapai pada phpzc (Point Zero Charge) menjadi positif ph yang lebih tinggi daripada PZC. Semakin pada ph rendah di bawah (PZC), dan menjadi tinggi ph dari PZC, semakin banyak pula negatif pada ph tinggi di atas phpzc. ph muatan negatif tersedia dari gugus aktif di juga memengaruhi sifat kation terutama pada permukaan silika yang siap untuk mengikat pembentukan kompleks logam hidrokso. kation. Sejalan dengan itu, Spark et al. (1995) Spesies [Ca(OH)]+ merupakan komplek menemukan bahwa naiknya konsentrasi kalsium hidrokso dengan distribusi paling sorben membuat luas permukaan aktif sorben dominan sepanjang rentang ph eksperimen. semakin tinggi dan mengakibatkan adsorpsi Sedang K+ cenderung berada sebagai kation kation bergeser ke ph yang lebih kecil. bebas. Kedua kation terikat oleh gugus aktif Dengan kata lain, konsentrasi awal kation silika melalui pergantian kation H+ oleh Ca2+ yang lebih besar memerlukan gugus aktif spesies dengan muatan plus satu (+), yaitu pengikat yang lebih banyak, dan itu tercapai Ca(OH)+ atau K+. Pada konsentrasi yang pada ph yang lebih tinggi. lebih tinggi, adsorpsi kation bergeser ke ph 16

8 Pengaruh ph pada Adsorpsi Kation (Ikhsan, J. dkk) yang lebih besar karena konsentrasi kation yang lebih besar membutuhkan gugus aktif permukaan (SiO ) dalam konsentrasi lebih besar, dan untuk itu ph sistem harus lebih tinggi. Illite Surfaces. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 187, Farley, K.J., Dzombak, D.A. and Morel, F.M.M A Surface Precipitation Model for the Sorption of Cations on Metal Oxides. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 106, Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didanai oleh DP2M Ditjen DIKTI melalui BOPTN UNY, dengan nomor kontrak: 04/FUNDAMENTAL-BOPTN/ UN.34.21/2014. Penulis bersyukur atas kesempatan ini dan menyampaikan terima kasih kepada DP2M DIKTI dan UNY. DAFTAR PUSTAKA Angove, M.J., Johnson, B.B., and Wells, J.D The Influence of Temperature on the Adsorption of Cadmium(II) and Cobalt(II) on Kaolinite. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 204, Baes, C.F. and Mesmer, R.E The Hydrolysis of Cations. New York: John Wiley & Sons. Bradbury, M.H. and Baeyens, B Modelling the Sorption of Zn and Ni on Ca-Montmorillonite. Geochimicaet Cosmochimica Acta, Vol. 63, Dube, A., Zbytniewski, R., Kowalkowski, T., Cukrowska, B., and Buszewski, B Adsorption and Migration of Heavy Metals in Soil. Polish Journal of Environmental Studies, Vol. 10, No. 1, Du, Q., Sun, Z., Forsling, W., and Tang, H Adsorption of Copper at Aqueous Gunneriusson, L., LÕvgren, L., and SjÕberg, S Complexation of Pb(II) at Goethite (α-feooh)/water Interface: The influence of Chloride. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol. 58, Hayes, K.F., Redden, G., Ela, W. and Leckie, J.O Surface Complexation Models: an Evaluation of Model Parameter Estimation Using FITEQL and Oxide Mineral Titrtion Data. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 142, Ha, J.W The Morphology of Silica Supported MoO3 Catalysts. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 4, No. 4, Ikhsan, J., Johnson, B.B. and Wells, J.D A Comparative Study of the Adsorption of Transition Metals on Kaolinite. Journal Colloid and Interface Science, Vol. 217, Ikhsan, J., Wells, J.D., Johnson, B.B., Angove, B.B Sorption of 3-amino-1,2,4-triazole and Zn(II) onto Montmorillonite. Clays and Clay Minerals, Vol. 53, No. 2, Ikhsan, J., Widjajanti L.F.X., E., Sunarto ThermodinamicParameters on thesorption of Phosphate Ions by Montmorillonite. Proceedings of International Conference 17

9 Jurnal Penelitian Saintek, Vol. 20, Nomor 1, April 2015 of the Indonesian Chemical Society 2012, Malang: Unibraw. Terms. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 179, Kosmulski, M ph-dependent Surface Charging and Points of Zero Charge. IV. Update and New Approach. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 337, Schindler, P.W., Lietchi, P., and Westall, J.C Adsorption of Copper, Cadmium and Lead from Aqueous Solution to the Kaolinite/Water Interface. Netherlands Journal of Agricultural Science, Vol. 35, Kotrlý, S. and Šûcha, L Handbook of Chemical Equilibria in Analytical Chemistry. New York: John Wiley & Sons. Lackovic, K., Angove, M.J., Wells, J.D., and Johnson, B.B Modelling the Adsorption of Cd(II) onto MuloorinaIllite and Related Clay Minerals. Journal Colloid and Interface Science, Vol. 257, No. 1, Spark, K.M., Wells, J.D. and Johnson, B.B Characterizing Trace Metal Adsorption on Kaolinite. European Journal of Soil Science, Vol. 46, Sposito, G The Surface Chemistry of Soils. Oxford: Oxford University Press. Lackovic, K., Angove, M.J., Wells, J.D., and Johnson, B.B Modeling the adsorption of Cd(II) onto Goethite in the Presence of Citric Acid. Journal of Colloid and Interface Science,Vol269, No. 1, Volkov, A.G., Paula, S., Deamer, D.W Two Mechanisms of Permeation of Small Neutral Molecules and Hydrated Ions Across Phospholipid Bilayers, Bioelectrochemistry Bioenergetics Vol. 42, , accessed from electrobionics.org/ionic_radii.pdf on March 26, Ludwig, C GRFIT A Computer Program for Solving Speciation Problem: Evaluation of Equilibrium Constants, Concentrations and Orher Physical Parameters. Switzerland: University of Berne. Zachara, J.M. and McKinley, J.P Influence of Hydrolysis on the Sorption of Metal Cations by Smectites: Important of Edge Coordination Reactions. Aquatic Science, Vol. 55, Majone, M., Papini, M.P., and Rolle, E Modeling Lead Adsorption on Clays by Models with and without Electrostatic Zumdahl, S.S Chemistry. 2nd edition, Lexington: D.C. Heath and Company. 18