ADSORPSI KADMIUM DENGAN BIOMASSA BEKAS FERMENTASI PABRIK ALKOHOL

Transkripsi

1 ASORPSI KAMIUM ENGAN BIOMASSA BEKAS FERMENTASI PABRIK ALKOHOL A. Nu 1 Y.C. anato 1 Abstact : Havy mtal adsotion by using immobilizd biomass in a ackd column in od to duc havy mtal concntation in wast at was studid. Th objctiv of this sach was to study th ffct of fd at vaiation to mass tansf cofficint and diffusivity on continuous adsotion ocss in a ackd column adsob. Eximntally th sach was condu by continuous ocss in a ackd column with immobilizd biomass as th adsobnt. Th biomass immobilizd by silica gl. An atomic absotion sctohotomtic tchniqu was indictly alid to dtmin th adsobd havy mtal. Th sult was calculatd by a comutizd ogam using numical mthods, finit diffnc and Hook- Jvs otimization. Infa d sctohotomtic tchniqus was alid to dfin functional bonds whos ffct in th adsotion ocss. Th colation btwn fd at with mass tansf cofficint (k f ) and diffusivity () was sntd with a non dimnsional gous quation, which is: Kywods : Adsotion, Immobilizd biomass, Silica gl, Cadmium PENAHULUAN Masalah ncmaan ai yang disbabkan olh limbah industi mauun olh aktivitas manusia dai tahun k tahun smakin sius. i antaa skian banyak macam bahan yang daat mnimbulkan masalah ncmaan ai adalah tsbanya logam bat dngan konsntasi di atas ambang batas k lingkungan. Logamlogam tsbut tidak daat dihancukan olh mikooganism dan daat takumulasi dalam tubuh manusia. Pncaian tknologi yang fktif dan konomis untuk ngambilan dan mungutan logam bat difokuskan ada ngolahan scaa biologi, shubungan dngan kmamuan biomassa dalam mnya logam. Sacchaomycs cvisia mmunyai kmamuan dalam mngakumulasikan logam bat [Suhndayatna, 2001]. Aga nggunaan Sacchaomycs cvisia sbagai biomoval logam bat daat bsaing dngan adsobn lainnya, maka nggunaan biomassa Sacchaomycs cvisia haus lbih muah dibandingkan adsobn lain. Salah satu caa aga biomassa Sacchaomycs cvisia daat diolh dngan lbih muah adalah dngan mmanfaatkan limbah fmntasi abik alkohol, yang mnggunakan Sacchaomycs cvisia sbagai mikoba nguai. Pada alikasi di industi, oss munian digunakan dalam kolom scaa kontinyu kana lbih fktif dan fisin. Pancangan adsob mmbutuhkan data nlitian yang dilakukan kontinyu dalam kolom unggun tta. Tujuan nlitian ini adalah mngtahui ngauh vaiasi laju ali uman ada kofisin tansf massa dan difusifitas kolom adsob. ASAR TEORI Immobilisasi Sl Sacchaomycs cvisia Klmahan nggunaan biomassa Sacchaomycs cvisia adalah ukuannya yang kcil. Ukuan yang kcil mnybabkan sl tsbut tidak daat digunakan dalam kolom adsob. Padahal naan adsobn yang dikmas dalam kolom adsob diandang lbih aktis untuk digunakan di industi. Untuk mncgah tjadinya dkomosisi dan aga biomassa daat dikmas 1 Staf Pngaja Pada Juusan Tknik Kimia Fakultas Tknik Univsitas Sblas Mat

2 GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 dalam kolom adsob, sl biomassa diimmobilisasikan ada silika gl. Modl Adsosi Kontinyu ada Kolom Unggun Tta Untuk alikasi di industi, oss misahan dan munian dalam kolom scaa kontinyu lbih disukai kana lbih fktif dan fisin. Pancangan kolom adsosi mmbutuhkan data-data nlitian yang dilakukan scaa dinamik dan kontinyu dalam kolom unggun tta. Asumsi-asumsi yang dittakan dalam nlitian ini [Ravindan, dkk., 1999 dan Volsky, 2001] adalah : 1. Waktu aksi untuk ngikatan ion logam Cd 2+ dngan gugus fungsional aktif dinding sl blangsung cat, shingga oss adsosi ion logam Cd 2+ dikontol olh tansf massa ion logam Cd 2+ dai caian k adatan mlalui laisan film liquid dan difusi ion logam Cd 2+ dalam atikl adsobn 2. ifusifitas logam Cd 2+ ada kolom untuk aah aksial diabaikan 3. Patikl adsobn bbntuk sikal. Patikl mmunyai bntuk, oositas, komosisi, dan dnsitas yang homogn. 4. Poss adsosi blangsung scaa ivsibl. 5. Konsntasi ion Cd 2+ yang tja dalam atikl bada dalam kstimbangan z = L z + z z z = 0 Gamba 1. US, Cb U S, C in unggun tta atikl adsobn atikl adsobn film liquid = =+ = 0 = R Adsosi Logam ada Kolom Unggun Tta dngan konsntasi logam ada fas liquid ssuai dngan hubungan isotm Langmui. a. Naca massa Cd 2+ ada fas liquid dalam lmn volum A. z bahan isian : C b Cb q U s + + ( 1 ) = 0 (1) z t t b. Tansf masa Cd2+ dai fas liquid k atikl adsobn mlalui film : q = k t (2) c. Naca massa Cd2+ ada atikl adsobn (difusi intaatikl) dalam lmn volum adalah: 2 C 2 C ε (3) d. Pada osisi aksial yang bbda dalam kolom, tjadi bdaan waktu ada osisi yang bbda, dngan hubungan τ = t ε z U. Isotm adsosi Langmui q maksbc q = ( 1+ bc ) f f. Kondisi awal dan kondisi batas: (4) (5) t 0, C b = 0; (0 z L) (6) z = 0, C b = C in ; (t > 0) (7) τ 0, C = 0; (0 R) (8) = 0, C = 0; ( τ > 0) (9) = 0 a S C + ρ τ q = 0 τ = R, C ( ); ( > 0) (10) = k C f b C τ = R = R ( Cb C ) = R Psamaan (1) samai (5) muakan samaan diffnsial asial simultan dngan yang thada C b dan C dngan vaiabl z,, dan t. Psamaan-samaan tsbut dislsaikan dngan mtod finit dffnc. Kofisin tansf massa film volumtic (k f a) dan kofisin difusi intaatikl () daat 148

3 A. Nu, dkk.,adsosi Kadmium ngan Biomassa Bkas Fmntasi Pabik Alkohol diolh dngan mmbandingkan kuva ofil hasil simulasi dngan kuva ofil hasil ksimn, dngan minimasi jumlah kuadat ksalahan sbagai objctiv function mnggunakan mtod Hook-Jvs: ζ = N 2 mo d l ks imn ( C C b b ) i = 1 (11) Untuk mngtahui hubungan laju ali fluida dngan kofisin tansf massa film (k f ) dan kofisin difusi intaatikl () daat dilakukan analisa dimnsi. Hubungan laju ali fluida dngan k f dan daat dinyatakan sbagai klomok tak bdimnsi. k f d K1 µ = ρ K2 d METOE PENELITIAN Alat dan bahan (12) Bahan yang digunakan dalam cobaan ini adalah: limbah fmntasi alkohol, lautan kadmium, dan silika gl. Alat untuk nlitian muakan suatu angkaian alat adsob yang tdii dai U µ Gamba 2. Rangkaian Alat Kintika Adsosi S ρ K3 sbuah kolom adsob yang tbuat dai kaca bdiamt 2.56 cm dan mmiliki tinggi 30 cm yang tlah diisi dngan tumukan adsobn stinggi 10 cm. Uman masuk dai bagian bawah kolom adsob dai tangki uman dngan mnggunakan oma dan dialikan mlalui sbuah oific mt untuk mnguku laju ali volumtis uman yang masuk kdalam kolom adsob. Tangki uman bua mb 10 Lit yang dilngkai ngaduk untuk mncgah ngndaan logam. Saml diambil dai glas ngambilan saml bua lnmy 100 ml. Langkah nlitian Immobilisasi biomassa bkas fmntasi abik alkohol. Biomassa bkas fmntasi abik alkohol yang masih bua sludg, disaing dan dikingkan untuk mndaatkan adatan limbah king. Padatan kmudian di haluskan lalu dicamukan dngan silika gl bukuan msh dngan bandingan antaa biomassa bkas fmntasi abik alkohol dngan silica gl 3:1. Lalu camuan dibasahi dngan ai untuk oss wtting, kmudian camuan dikingkan dngan caa dijmu slama 12 jam. Bikt biomassa bkas fmntasi abik alkohol yang tlah timmobilisasi dicah-cah dan diayak untuk mndaatkan ukuan msh. Studi adsosi scaa batch Studi adsosi scaa batch dilakukan dngan mngadsosi lautan uman dngan konsntasi awal m mnggunakan adsobn dngan vaiasi massa 20g, 40g, 60g, 80g, dan 100g. Masing-masing adsobn dimasukkan kdalam glas bak 100 ml, oss adsosi dilakukan slama 24 jam. Stlah slsai, diambil saml masing-masing 20 ml, lalu saml diuku kandungan Cd 2+ nya dngan mnggunakan AAS. Lalu sisa adsobn sblum dan ssudah oss adsosi di analisa gugus-gugus fungsi yang tkandung dalam adsobn dngan mnggunakan sktoskoi infa mah. Studi adsosi scaa kontinyu Studi adsosi scaa kontinyu dilakukan mngalikan lautan uman dngan konsntasi awal m dai bawah kolom dngan 149

4 GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 vaiasi laju ali ml/s, ml/s, ml/s, dan ml/s. Untuk masingmasing laju ali, oss adsosi dilakukan slama 60 mnit dan diambil saml masingmasing 20 ml stlah oss bjalan slama 0 mnit, 10 mnit,20 mnit, 30 mnit, 40 mnit, 50 mnit, dan 60 mnit. Lalu smua saml diuku kandungan Cd 2+ nya dngan mnggunakan AAS. HASIL AN PEMBAHASAN Poss batch alam oss batch waktu yang digunakan adalah satu hai, hal ini dikanakan tjadinya kstimbangan adsosi mmlukan waktu yang cuku lama, tidak hanya dalam waktu satu jam atau dua jam saja. Tidak adanya oss ngadukan mungkin mnybabkan nyaan adsobn tidak bgitu smuna shingga diolh hasil yang lbih sdikit atau nuunan konsntasi stlah oss adsosi cuma sdikit. Sbagai mbanding dilakukan cobaan dngan mnggunakan biomassa bkas fmntasi alkohol yang blum Tabl 1. No Hubungan Konsntasi Logam Cd 2+ dngan Massa Adsobn Jnis adsobn massa adsob n (g) konst stlh oss (m) 1. Sudah timmobilisasi Sudah timmobilisasi Sudah timmobilisasi Sudah timmobilisasi Sudah timmobilisasi Blum timmobilisasi timmobilisasi sbagai adsobn sbanyak 100 gam dan diolh data sbagai bikut : ai tabl 1 diatas daat dilihat bahwa dalam cobaan oss batch dngan adsobn yang tlah diimobilisasi dan biomassa bkas fmntasi alkohol yang blum diimobilisasi dngan massa yang sama (100 gam), tdaat bdaan konsntasi logam Cd 2+ yang sangat mncolok, ini mnunjukkan kalau biomassa bkas fmntasi alkohol yang blum timmobilisasi lbih banyak mnya logam Cd 2+ bila dibandingkan dngan adsobn yang sudah diimmobilisasi. i dalam oss immobilisasi fungsi dai silika gl adalah sbagai inti yang dislimuti butian lmbut dai biomassa bkas fmntasi alkohol, sdangkan bagian yang mnya logam Cd 2+ adalah biomassa bkas fmntasi alkohol. ai njlasan diatas daat dijlaskan bahwa jumlah biomassa bkas fmntasi alkohol ada cobaan dngan mnggunakan adsobn yang timmobilisasi lbih sdikit dibandingkan ada cobaan dngan adsobn yang blum diimobilisasi ada massa adsobn yang sama (100 gam). Shingga kmamuan mnya adsobn yang timmobilisasi akan lbih sdikit dibandingkan adsobn yang blum timmobilisai. Pnntuan q maks dan b diolh dngan mnggunakan samaan Langmui (samaan 5) yang tlah dimaniulasi sbagai bikut : 1 = q q 1 maks bc 1 + q maks ai data-data cobaan bua Co, C, S sta mnggunakan samaan linaisasi diatas daat dibuat tabl sbagai bikut (tabl 2.): No Tabl 2. Hubungan Antaa Kaasitas monolay (q) dngan Konsntasi Cd 2+ (C). Co (m) C (m) S (g) q 1/q 1/C ai tabl 2 daat dibuat gafik sbagai bikut (gamba 3) 150

5 A. Nu, dkk.,adsosi Kadmium ngan Biomassa Bkas Fmntasi Pabik Alkohol 1,280 1,260 1/q 1,240 1,220 1,200 1,180 1,160 1,140 1,120 1,100 0,320 0,330 0,340 0,350 0,360 0,370 0,380 Gamba 3. ngan mgsi gafik diatas scaa lini maka akan diolh samaan gsi sbagai bikut : y = x Jadi nilai-nilai dai konstanta isothm Langmui adalah sbagai bikut: q maks Gafik hubungan antaa 1/q dngan 1/C = , dan b = ai tabl 1. tlihat bahwa konsntasi Cd 2+ stlah oss bbanding tbalik dngan massa adsobn yang digunakan. Shingga massa biomassa fmntasi alkohol sbanding dngan kaasitas monolay, atinya bahwa smakin bsa massa biomassa fmntasi alkohol yang digunakan maka kaasitas monolay juga akan smakin bsa. Analisa Infa Rd 1/C a. Hasil analisa IR Adsobn sblum oss adsosi ai gafik di atas daat diktahui gugus fungsi yang ada dalam adsobn sblum oss adsosi adalah gugus N-H ada anjang glombang antaa , C-H ada anjang glombang antaa , dan C=O ada anjang glombang antaa Gamba 4. Gafik hubungan antaa % tansmitan dngan anjang glombang dai adsobn sblum oss adsosi. b. Hasil analisa IR Adsobn stlah oss adsosi Gamba 5. Gafik hubungan antaa % Tansmitan dngan anjang glombang dai adsobn stlah oss adsosi. ai gafik diatas daat diktahui gugus fungsi yang ada dalam adsobn stlah oss adsosi adalah gugus C-H ada anjang glombang antaa dan C=O ada anjang glombang antaa Jika dibandingkan dngan gamba sblum oss adsosi, ada gugus fungsi yang hilang dai adsobn yaitu gugus fungsi N-H yang mmiliki anjang glombang antaa cm -1. Maka daat disimulkan bahwa yang ban dai adsobn dalam njaan logam massa kadmium adalah gugus fungsi N- H. Poss kontinyu alam oss kontinyu yang digunakan sbagai titik awal ngambilan saml ( t=0 ) 151

6 GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 adalah saat oss sudah bjalan slama 40 mnit. Saml diambil tia slang waktu 10 mnit slama 60 mnit. Jadi ada 7 titik ngambilan saml stia vaiasi laju ali uman masuk, yaitu 0 mnit, 10 mnit, 20 mnit, 30 mnit, 40 mnit, 50 mnit, dan 60 mnit. Hasil dai ngukuan konsntasi saml daat dibuat tabl sbagai bikut(tabl 3). Tabl 3. Hubungan antaa konsntasi Cd 2+ (m) dalam alian klua kolom dngan waktu dalam bbagai dbit alian uman masuk kolom. t bit ( ml/s ) (mnit) ai tabl di atas daat digambakan gafik sbagai bikut (gamba 6): ai gafik daat dilihat bahwa smakin lama waktu adsosi, kada logam Cd 2+ yang klua dai kolom smakin naik. Hal ini disbabkan kana adsobn yang digunakan smakin lama akan mnjadi jnuh, shingga kmamuan adsobn untuk mnja logam Cd 2+ mnjadi bkuang. Aabila cobaan konsntasi Cd2+ (m) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, t (mnit) ml/s ml/s ml/s ml/s Gamba 6. Gafik hubungan antaa konsntasi Cd 2+ stlah oss dngan waktu. ini dilakukan dalam waktu yang lbih lama maka tidak akan ada lagi logam Cd 2+ yang tja atau dngan kata lain konsntasi logam Cd 2+ ada saat klua kolom adsobn sama dngan konsntasi logam Cd 2+ saat masuk kolom adsobn. ai gafik daat juga dilihat bahwa ada laju ali yang tinggi diolh nuunan logam Cd 2+ yang lbih sdikit dibandingkan dngan laju ali yang kcil. Hal ini disbabkan kana kontak antaa mukaan adobn dngan logam Cd 2+ blangsung sangat cat, shingga kmungkinan logam Cd 2+ untuk tsa adsobn sangat kcil. Bila dibandingkan dngan laju ali yang kcil kontak antaa mukaan adobn dngan logam Cd 2+ blangsung agak lama, shingga kmungkinan logam Cd 2+ untuk tsa bsa. Pnntuan aamt-aamt ancangan kolom adsob. Paamt-aamt yang dimaksud adalah kofisin tansf massa film (k f) dan kofisin difusi intaatikl (). Kdua aamt ini daat digunakan dalam ancangan kolom adsob dngan mnggunakan samaan KT yang ada. Kdua aamt ini daat dicai dngan caa minimasi Hook-Jvs samaan-samaan yang tlah disusun dngan data-data yang diolh dai cobaan batch dan kontinyu. ata yang diolh dai oss batch adalah data-data konstanta yang digunakan dalam samaan isothm Langmui, yaitu kaasitas maksimum monolay adsobn (q maks ) dan b. Sdangkan data yang diambil dai cobaan scaa kontinyu adalah data hubungan konsntasi klua kolom dngan waktu. Vaiasi yang digunakan adalah vaiasi laju ali uman masuk kolom adsob. ai hasil hitungan mnggunakan ogam yang dibuat dai samaansamaan simultan daat diolh data-data sbagai bikut. 152

7 A. Nu, dkk.,adsosi Kadmium ngan Biomassa Bkas Fmntasi Pabik Alkohol Tabl 4. Hubungan laju ali dngan Kfa otimum dan otimum. Laju ali (ml/s) Kfa ot ot ai cobaan dngan smua vaiasi laju ali tlihat bahwa smakin mningkatnya laju ali uman yang masuk kdalam kolom adsob maka k f a akan smakin bsa juga, sdangkan nilai akan smakin mnuun. Hal ini mnunjukkan bahwa smakin bsa laju ali uman akan mngakibatkan smakin bsa ula kcatan tansf massa logam Cd 2+ dalam laisan film antaa mukaan atikl adsobn dngan badan caian lautan yang akan disa, sdangkan kcatan difusi lautan dimukaan atikl adsobn akan smakin mnuun. ai analisis dimnsional juga mmbikan hasil bahwa kofisin tansf massa (k f ) bbanding luus dngan laju ali uman yang masuk k kolom adsobn, olh kana itu logam Cd 2+ yang tsa olh adsobn akan smakin bsa siing dngan mningkatnya laju ali uman masuk kolom adsob. Sdangkan difusivitas () bbanding tbalik dngan laju ali uman. KESIMPULAN Ksimulan yang daat diambil dai nlitian ini adalah : 1.Biomassa bkas fmntasi alkohol yang sudah diimmobilisasi dngan silika gl bisa digunakan sbagai adsobn yang ditumuk dalam kolom adsob untuk oss kontinyu. 2.Gugus fungsi dai biomassa bkas fmntasi alkohol yang ban dalam njaan logam bat Cd 2+ adalah gugus fungsi N-H. 3.Haga dai konstanta-konstanta isotm Langmui nyaan logam Cd 2+ dngan biomassa bkas fmntasi alkohol timmobilisasi sbagai adsobnnya : q maks = mg Cd 2+ / mg adsobn b = Haga kofisin tansf massa (k f ) logam Cd 2+ dai badan lautan k mukaan atikl adsobn bbanding luus dngan laju ali uman masuk kolom adsob. 5.Haga difusivitas () logam Cd 2+ dimukaan atikl adsobn bbanding tbalik dngan laju ali uman masuk kolom adsob. 6.Hubungan antaa kofisin tansf massa (k f ) dan difusivitas () dngan vaiablvaiabl yang mmngauhinya daat dinyatakan dalam samaan klomok tak bdimnsi sbagai bikut : k = ngan kisaan ml/s = U s = ml/s SARAN f d ml / mg m 1.ilukan nlitian lanjutan ada ngolahan ai limbah yang ssungguhnya dngan mmvaiasikan tinggi tumukan ada kolom dan lamanya waktu cobaan. 2.ilukan nlitian lanjutan thada logam bat lain yang ada dalam ai limbah. 3.ilukan nlitian lanjutan ada adsobn biomassa bkas fmntasi alkohol mngnai sifat-sifatnya yang bhubungan dngan nlitian. 4.ilukan nlitian lanjutan tntang mtod oss adsobsi dngan mmodifikasi alat adsobsi shingga didaatkan hasil yang ssuai dngan modl yang diajukan. UCAPAN TERIMAKASIH Pnulis mngucakan timakasih kada Kistiyono, Edi Yahya Nasution, dan P3M IKTI yang tlah mndukung nlitian mlalui ogam Pnlitian osn Muda dngan nomo kontak 033/SPPP/PP- MP/P3M/IV/2005. d U S m 153

8 GEMA TEKNIK - NOMOR 1/TAHUN X JANUARI 2007 AFTAR LAMBANG b = konstanta Langmui, ml/mg C = konsntasi Cd 2+ kstimbangan ada adsosi batch, mg/ml C b = konsntasi Cd 2+ ada fas liquid, mg/ml C in = konsntasi Cd 2+ uman ada kolom adsob, mg/ml C o = konsntasi Cd 2+ mula-mula ada adsosi batch, mg/ml C = konsntasi Cd 2+ kstimbangan ada oositas atikl, mg/ml = kofisin difusi intaatikl, cm 2 /dtik d = diamt atikl, cm k f = kofisin tansf massa film, cm/dtik k f a = kofisin tansf massa film volumtis, 1/dtik L = tinggi tumukan, cm q = jumlah Cd 2+ tja, mg/mg q maks = kaasitas maksimum adsobn, mg/mg = jaak aah adial dai titik usat atikl, cm R = jai-jai atikl, cm s = bat adsobn, mg t U S z ε ζ τ ρ µ ε = waktu, dtik = kcatan vlocity fluida, cm/dtik = jaak aah aksial dai masukan, cm = oositas tumukan kolom = jumlah kuadat ksalahan = waktu, dtik = dnsitas adsobn, mg/ml = viskositas fluida, mg/cm dt = oositas atikl adsobn AFTAR PUSTAKA Ravindan, V., Stvns, M.R., Badiyha, B.N., dan Pi Bazai, M., 1999, Modling th Sotion of Toxic Mtals on Chlant- Imgnatd Adsobnt, AIChE Jounal, 45, Suhndayatna, 2001, Biomoval Logam Bat ngan Mnggunakan Micooganism : Suatu Kajian Kustakaan, Smina Biotknologi untuk Indonsia Abad 21, Singy Foum-PPI Tokyo Institut of Tchnology Volsky, B., 2001, Biosotion: Alication Ascts Pocss Simulation Tools, Intnational Symosium 2001 Biohydomtallugy 154