KAJIAN SELEKTIVITAS ION Pb +2 DAN Cr +3 PADA PROSES PERTUKARAN ION

Transkripsi

1 PROSIDING SEMINAR NASIONAL REKAYASA KIMIA DAN PROSES 2004 ISSN : KAJIAN SELEKTIVITAS ION Pb +2 DAN Cr PADA PROSES PERTUKARAN ION Isni utami Jurusan Teknik Kimia, UPN Veteran Jawa Timur JL.Raya Rungkut Madya Gunung Anyar Surabaya yahoo.com ABSTRAK +2 Kajian selektivitas ion Pb dan Cr pada proses pertukaran ion bertujuan untuk mengurangi kandungan logam berat dalam limbah industri elektoplating dan +2 menerapkan selektivitas ion Pb dan Cr dalam pengolahan limbah di lapangan. Penelitian dilakukan dengan metoda pertukaran ion dengan menggunakan resin jenis Dowex 50 dan air limbah elektroplating. Peubah yang dikerjakan adalah berat resin pada rentang 20 s/d dengan variasi kecepatan pengadukan 50 s/d 250 rpm dan waktu tinggal 10 s/d 50 menit. Analisis data hasil percobaan dengan spektrofotometer dan SSA diperoleh kondisi terbaik pada berat resin dengan kecepatan pengadukan 200 rpm dan waktu pengadukan 40 menit diperoleh penurunan kadar Pb +2 92,72% dan Cr 94,78%,dengan selektivitas Pb +2 9,606 dan Cr 12,87. Pendahuluan Laju pertumbuhan industri di Indonesia selain memberikan dampak positif ternyata juga ada dampak negatif yang mengikutinya, salah satu contoh adalah limbah cair yang dihasilkan dalam industri elektroplating. Salah satu industri elektoplating yang ada di kawasan industri di surabaya limbah cair yang dihasilkan mengandung ion Pb +2 dan Cr dengan konsentrasi berturut turut 24,2 mg/lt dan 101,32 mg/lt.baku mutu limbah cair industri pelapisan yang diizinkan oleh pemerintah masing masing adalah Pb +2 0,1 mg/lt dan Cr 0,5 mg/lt, maka untuk menurunkan polutan yang melebihi ambang batas yang diijinkan di dalam air buangan diperlukan proses pengolahan air limbah sebelum dibuang ke badan sungai, metode perukaran ion dengan menggunakan resin merupakan salah satu alternatif pengolahan air limbah yang mempunyai keuntungan lebih efektif dan tidak memerlukan tempat yang luas sehingga lebih murah. Prinsip kerja proses pertukaran ion adalah memindahkan ion ion yang tidak diinginkan dalam air limbah ke dalam media penukar ion dan menggantikannya dengan sejumlah yang sama ion ion lain yang ada pada media penukar ion. Tinjauan Pustaka Proses pertukaran ion adalah proses kimia yang reversible dari media penukar ion dengan air limbah dan reaksi berlangsung secara stokiometris. Faktor faktor yang berpengaruh dalam proses pertukaran ion meliputi : selektivitas ion, ukuran media ion dan konsentrasi ion dalam air limbah. a. Selektivitas ion Pada konsentrasi ion yang rendah, pertukaran ion akan meningkat dengan meningkatnya valensi ion sebagai berikut : Al³ > Ca² > Na ; PO4³ > MnO4² > Cl,sedangkan valensi ion yang sama, pertukaran ion dapat meningkat dengan meningkatnya bilangan atomnya : Cs > Rb > K > Na ; Ca² > Mg² > Be² Pada kondisi konsentrasi ion cukup tinggi kemungkinan ion dengan valensi kecil mempunyai kemampuan selektivitas lebih tinggi tinggi. b. Ukuran media penukar ion B-9-1

2 Ukuran media penukar ion yang kecil aakan mempunyai laju penukaran ion yang lebih tinggi dibandingkan dengan berukuran besar. c. Konsentrasi ion dalam air atau air limbah Konsentrasi ion dalam air limbah tinggi akan mempercepat waktu jenuh atau waktu regenerasi. (Journal Analytica Chimica Acta, 2001). Bebeberapa taksiran koefisien selektivitas ion untuk sistem biner, sebagaimana yang disajikan pada tabel 1. Tabel 1. Koefisien selektivitas kation untuk sistim biner pada resin asam kuat Kation Seklektivitas Kation Selektivitas Li 1.0 Zn² 3.5 H 1.3 Co² 3.7 Na 2.0 Cu² 3.8 NH.2.6 Cd² 3.9 K 2.9 Be² Rb 3.2 Mn² 4.1 Cs 3.3 Ni² 3.9 Ag 8.5 Ca² 5.2 UO 2.5 Sr² 6.5 Mg 3.3 Pb² 9.9 Keseimbangan Pertukaran Ion Tinjau reaksi pertukaran ion dengan tingkat valensi berbeda : 4.0 Ba² 11.5 A B R + B + + A R bila valensinya sama, maka : A A [A + ] R [B] [A] R [B] KB = = dihilangkan ) [A + ] [B + ] R [B] + R [A] (untuk penyederhannan, muatan aa + bb + ba + a B dengan valensi berbeda: A R R + a + b a [B ] [A ]R b [A]R [B] KR = = ( muatan tidak dinyatakan ) [A + ] b [B + ]R a [B] R a [A] b Untuk prtukaran ion A monovalen dengan kation B divalent dalam larutan ditulis sebagai berikut: [ B² + ] * [ A + ]² C X * ( 1- X ) ² K B/2A = = [ B² + ] [ A + ]² * C E X ( 1- X * ) 2 Keterangan : K B/2A = koefisienh selektivitas (gram /lt) [ A + ] * ; [ B² + ] * = konsentrasi A + dan B + dalam media penukar ion (mol/gram) + + [ A ] ; [ B² ] + + = konsentrasi A dan B dalam larutan ( mol/ lt) C = konsentrasi kation total dalam larutam (eq/lt) C E = konsentasi pertukaran ion tiap bagian (eq/ gram) ( 1 - X ) ; ( 1- X * ) = fraksi A + dalam media penukar ion Untuk prtukaran ion A monovalen dengan kation B triivalent dalam larutan ditulis sbb : [ B 3+ ] [ A + ] 3 C X * ( 1- X ) 3 K B/3A = = + B-9-2

3 3+ + 3* * 3 [ B ] [ A ] C E X ( 1- X ) Koefisien selektifitas bergantung pada aktivitas kedua fase dan konsentrasi kation total dalam larutan ( C ). Semakin besar konsentrasi total kation dalam larutan maka nilai koefisien selektivitas akan semakin besar pula. Koefisien selektivitas yang diperoleh dapat ditampilkan dalam bentuk log K B/2A yang merupakan fungsi koefisien selektivuitas itu sendiri, sedangkan log C merupakan nilai fungsi dari konsentrasi kation total dalam larutan. Dengan mengalurkan fungsi log K B/2A terhadap log C maka dapat dilihat fenomena selektivitas kation yang ada dalam larutan. Metodologi Penelitian Serangkaian percobaan dilakukan dengan tetapan air limbah elektroplating dengan konsentrasi awal Cr dan Pb +2 berturut turut 101,32 ppm dan 24,2 ppm.volume limbah 1000 lt dan sebagai media penukar ion adalah resin jenis dowex 50w-x8,Sedangkan peubah yang dikerjakan adalah sebagai berikut : Berat resin (gram) : 20 ; 40 ; 60 ; 80 ; 100 Waktu tinggal (menit) : 10 ; 20 ; 30 ; 40 ; 50 Kecepatan pengadukan : 50 ; 100 ; 150 ; 200 ; 250 Pelaksanaan pelelitian Air limbah yang mengandung Pb² dan Cr³ sebanyak 1 liter dimasukkan kedalam beaker glass, kemudian ditambahkan resin sebanyak 20 s/d dan diaduk dengan variasi kecepatan pengadukan 50 s/d 250 rpm dan lama pengadukan 10 s/d 50 menit. Setelah waktu tertentu diambil sample filtrate untuk dianalisa kadar Pb², kadar C dan kadar Cr total yang tersisa dengan menggunakan metode Spektrofotometer dan SSA sehingga kadar Cr³ dapat dihitung. Hasil dan pembahasan Dengan metode Spektrofotometer serapan atom dari data hasil analisa dapat dihitung persen ( % ) kation Pb² dan Cr³ yang terserap oleh media penukar ion sebagai mana yang disajikan pada kurva berikut ini : r 6 perse 60 Gambar 1. en penurunan Pb² dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 50 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Gambar 2. en penurunan Cr dalam media penukar ion resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 50 rpm dan variasi berat resin 20 s/d B-9-3

4 Dari gambar dapat dilihat pada awal proses perjadi peningkatan pertukaran yang signifikan antara ion yang ada di limbah dengan media penukar dan terjadi penuruna setelah lebih dari 30 menit, hal ini disebabkan karena resin mulai jenuh dan adanya pengadukan yang terus menerus maka sebagian ion ion yang sudah tertukar akan terlepas kembali. Pada gambar 1 dan 2 kondisi terbaik dicapai pada putaran 50 rpm dengan waktu pertukaran 40 menit dan jumlah resin diperoleh persen penurunan Pb² dan Cr³ berturut turut 61,94% dan 63,44%. 8 Gambar 3. en penurunan Pb² dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 100 rpm dan variasi berat resin 20 s/d 8 Gambar 4. en penurunan Cr dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 50 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Pada gambar 3 dan 4 terlihat bahwa dengan bertambahnya waktu kontak akan meningkatkan pertukaran ion, selain itu peningkatan jumlah resin juga diikuti dengan peningkatan pertukaran ion, hal ini disebabkan kapasitas media penukar bertambah dan cenderung konstan setelah jumlah resin diatas 80 gr. Gambar 3 dan 4 menunjukkan kondisi terbaik penyerapan ion Pb² dan Cr³ oleh resin Dowex-50 dicapai pada waktu kontak 40 menit dengan kecepatan putaran pengadukan 100 rpm dan jumlah resin diperoleh persen penurunan Pb² dan Cr³ berturut turut 73.83% dan 75,74%. 9 8 pers Gambar 5. en penurunan Pb² dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 150 rpm dan variasi berat resin 20 s/d B-9-4

5 e 9 8 Waktu ( menit ) Gambar 6. en penurunan Cr dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 150 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Dari gambar 5 dan 6 persen penyerapan Pb² dan Cr³ oleh resin Dowex-50 kondisi terbaik dicapai pada waktu kontak 40 menit dengan kecepatan putaran pengadukan 150 rpm dan jumlah resin diperoleh persen penurunan Pb² dan Cr³ berturut turut 84,73% dan 84,73% perse Gambar 7. en penurunan Pb² dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 200 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Gambar 8. en penurunan Cr dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 200 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Dari gambar 7 dan 8 persen penyerapan Pb² dan Cr³ oleh resin Dowex-50 kondisi terbaik dicapai pada waktu kontak 40 menit dengan kecepatan putaran pengadukan 200 rpm dan jumlah resin diperoleh persen penurunan Pb² dan Cr³ berturut turut 92,72% dan 94,18%. B-9-5

6 pers gram Gambar 9. en penurunan Pb² dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 250 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Gambar 10. en penurunan Cr dalam media penukar ion jenis resin Dowex-50 pada rentang waktu pengadukan 10 s/d 50 menit dengan kecepatan pengadukan 250 rpm dan variasi berat resin 20 s/d Dari gambar dapat dilihat pada awal proses perjadi peningkatan pertukaran yang signifikan antara ion yang ada di limbah dengan media penukar dan terjadi penuruna setelah lebih dari 30 menit, hal ini disebabkan karena resin mulai jenuh dan adanya pengadukan yang terus menerus maka sebagian ion ion yang sudah tertukar akan terlepas kembali. Peningkatan jumlah resin juga diikuti dengan peningkatan pertukaran ion, hal ini disebabkan kapasitas media penukar bertambah sehingga memungkinkan ion yang ada dilimbah secara maksimal dapan menggantikan media penukar,dan cenderung konstan setelah jumlah resin diatas 80 gr. Secara keseluruhan pada kecepatan putar 200 rpm adalah kondisi terbaik yang dapat dicapai dan cenderung konstan diatas 200 rpm. Secara umum, persen penyerapan Pb² dan Cr³ oleh resin Dowex-50 kondisi terbaik dicapai pada waktu kontak 40 menit dengan kecepatan putaran pengadukan 200 rpm dan jumlah resin diperoleh persen penurunan Pb² dan Cr³ berturut 89,62% dan Cr³ 91,44%. B-9-6

7 log C log K log K (Pb/2Na) log K (Cr/3Na) Gambar 11. Koefisien selektivitas ion Pb² dan Cr³ pada kondisi terbaik dengan konsentrasi total kation dalam larutan pada rentang waktu 10 s/d 50 menit dengan berat resin dan kecepatan pengadukan 200 rpm. Dari gambar 11 menunjukkan nilai koefisien ion Cr³ lebih besar dibanding nilai koefisien selektivitas ion Pb²,hal ini disebabkan karena partikel Cr³ mempunyai berat atom lebih kecil dari pada Pb² Oleh karena Cr³ mempunyai massa yang lebih kecil akan lebih mudah bermigrasi ke media penukar ion dibanding Pb² sehingga nilai koefisien selektivitas ion Cr³ akan lebih besar dari pada ion Pb².Pada kondisi terbaik pada kecepatan pengadukan 200 rpm dan waktu kontak 40 menit dengan berat resin diperoleh nilai selektifitas Pb 9,606 dan C 12,879. r 3+ Kesimpulan Dari hasil penelitian diperoleh kondisi terbaik penurunan Pb dan C r 3+ pada kecepatan pengadukan 200 rpm dengan waktu kontak 40 menit dan berat resin 80 gran persen penurunan yang dicapai untuk ion Pb dan C berturut turut 92,72% dan 94,78 % dengan nilai selektivitas Pb 9,606 dan 3+ Cr 12,879. Daftar Pustaka r 3 + Arnold E. Greenberg, Chairman( 1985) Standart Method,Sixteenth Edition APHA Harry M.Freeman(,1985) Standart Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal,Mc Grow Hill Nelson.L.Nernerow,(1973), Industrial Water Polotion Origins,Characteristic and Treatment Syracuse University S Mustafa,Hbashir,Nrevana,A Naeem(1997), Selectivity Reversal and Dimerization of Cromate in The Exchanger AmberliteIRA 400,Journal Reaktive & Funnctional Polymer,vol 34, Steven C.Chapra, (1987), Surface Water Quality Modeling Mc Graw- Hill International W Wesley Eckenfeldes Jr,(1985) Industrial Water Pollution Control,Mc Grow Hill,Trid Edition, B-9-7