ADSORBSI LOGAM Cu DARI LIMBAH ELEKTROPLATING MENGGUNAKAN KARBON AKTIF DALAM KOLOM FIXED BED

Transkripsi

1 DSORBSI LOGM Cu DRI LIMBH ELEKTROPLTING MENGGUNKN KRBON KTIF DLM KOLOM FIXED BED Endang Kwartiningsih* dan Nanda Stiarini** *) Staf Pngajar Jurusan Tknik Kimia Fakultas Tknik UNS **) Mahasiswa Jurusan Tknik Kimia Fakultas Tknik UNS bstract : Wast of industris gnrats contamination to nvironmnt, spcially rivr stram. On of thm was th wast of lctroplating industris. Gnrally, it still containd coppr mtal abov th concntration s limit. Th govrnmnt has sttld it which was 0.1 mgram of coppr/litr of solution. Th ffcts of accumulation coppr in human body wr gastrointstinal irritation, livr and kidny damag. So, it was ndd an ffort to rduc coppr concntration bfor thrown to nvironmnt. On of th tratmnt was an adsorbtion mthod. This rsarch aim s was to know th valu of mass transfr cofficint of coppr adsorbtion. This rsarch was conductd in fixd bd column with activ carbon as adsorbnt. Th variabl obsrvd was rat of flow. Evry priod of tim, th liquid flowd from th column was analyzd using S, so it was known coppr concntration aftr adsorption procss. In this rsarch, mathmatical modl rprsnting th adsorption procss was mad. Th corrlation btwn rat of flow and k c a was rprsntd with Non Dimnsional Group quation, which is : 0,1547 Kca Dp F ρ = Dv Dp µ Kywords : lctroplating, adsorption, S, mass transfr cofficint, coppr PENDHULUN Prkmbangan tknologi yang psat mndorong prtumbuhan industri yang mmiliki andil bsar pada pncmaran lingkungan. Industriindustri yang brdiri banyak mnghasilkan limbah cair yang mmiliki konsntrasi pncmaran diatas batas minimum yang tlah dittapkan. Biasanya limbah cair ini dibuang langsung k aliran sungai tanpa pngolahan yang mmadai. Salah satu dari industri ini adalah industri lctroplating. Limbah cair industri lktoplating brasal dari air bilasan, larutan pmbrsih maupun larutan plating yang tlah jnuh dan tidak dapat digunakan lagi. Limbah ini masih mngandung zatzat brbahaya yang salah satunya adalah logam tmbaga Kandungan tmbaga dalam limbah cair dapat mnybabkan iritasi gastrointstinal (saluran pncrnaan dari lambung). Limbah lctroplating harus diolah trlbih dahulu sblum dibuang mlalui aliran sungai agar kandungan logam tmbaga didalamnya brkurang. Olh karna itu diadakanlah suatu pnlitian yang dapat mngurangi kandungan logam tmbaga dalam limbah yaitu dngan cara pross adsorbsi mnggunakan karbon aktif. Tujuan pnlitian ini adalah untuk mmplajari pngaruh kcpatan aliran limbah trhadap kofisin transfr massa volumtris (k c a), srta mncari prsamaan hubungan klompok tak brdimnsi yang brpngaruh pada kofisin transfr massa volumtris shingga dapat digunakan untuk prancangan alat adsorbr pada skala yang lbih bsar (industri). LNDSN TEORI Elktroplating adalah pross plapisan dngan mnggunakan arus listrik dalam suatu larutan lktrolit. Logam yang akan dilapiskan brtindak sbagai anoda yang dihubungkan dngan kutub positif dari sumbr tgangan, dibnamkan kdalam larutan lktrolit. Logam yang akan dilapisi (bnda krja) brlaku sbagai katoda dan dihubungkan dngan kutub ngativ dari sumbr tgangan. Jika 78 E K U I L I B R I U M Vol. 4. No.. Dsmbr 005 : 78 84

2 sumbr tgangan dinyalakan maka arus akan mngalir mlalui larutan lktrolit, shingga mnybabkan anoda mlarut dan slanjutnya mnmpl pada katoda mmbntuk suatu lapisan logam. noda + - Sumbr Tgangan DC Prpidahan ion Larutan lktrolit Gambar 1. Prinsip lktroplating Katoda Logam yang tlah trlapisi Pross lktroplating krom dilakukan dngan diawali pross plapisan prantara yaitu plapisan tmbaga dan nikl pada bnda krja. Plapisan logam tmbaga dilakukan dngan mnggunakan tmbaga sbagai anodanya dan larutan lktrolitnya trdiri dari potassium sianida (KCN), asam sulfat (H SO 4 ) dan air. dsorpsi adalah suatu pross pmisahan bahan dari campuran gas atau cair, bahan yang harus dipisahkan ditarik olh prmukaan sorbn padat dan diikat olh gaya-gaya yang bkrja pada prmukaan trsbut. Pnyrapan zat dari larutan, mirip dngan pnyrapan gas olh zat padat. (Sukardjo, Drs, 1985) Pross adsorpsi trjadi pada prmukaan pori-pori dalam butir adsorbn, shingga transfr massa logam dari cairan k dalam pori-pori butir adsorbn trsbut akan mngalami pross-pross sbagai brikut: a. prpindahan massa dari cairan k prmukaan butir b. difusi dari prmukaan butir k dalam butir mlalui pori c. prpindahan massa dari cairan dalam pori k dinding pori d. adsorpsi pada dinding pori Prpindahan massa dari cairan dalam pori k dinding pori (pross c) umumnya brlangsung sangat cpat shingga tidak mngontrol. dsorpsi pada dinding pori (pross d) umumnya juga brlangsung rlativ sangat cpat, shingga tidak mngontrol juga. Jadi yang umumnya mngontrol kcpatan pross adsorpsi adalah pross a atau pross b atau kduanya. Jika butir-butir sangat kcil (sprti srbuk) maka difusi dari prmukaan k dalam butir (pross b) brlangsung rlativ sangat cpat shingga tidak mngontrol. kibatnya yang mngontrol adalah prpindahan massa dari cairan k prmukaan butir. Sbaliknya, jika butir-butir brukuran bsar, difusi dari prmukaan k dalam butir rlativ sangat lambat, shingga yang mngontrol adalah pross difusinya. intrfac padat C * C cair X Gambar. Mkanism transfr massa Pross adsorbsi yang ditinjau mnggunakan butir-butir adsorbn brukuran rlatif kcil shingga yang mngontrol kcpatan pross adsorpsi adalah prpindahan massa dari cairan k prmukaan butir yang kcpatannya dapat didkati dngan prsamaan: g * N = kc. a.( C C) waktu. volumbd (1) Misal hubungan kstimbangan adsorsi dapat didkati dngan prsamaan yang mirip hukum Hnry C * = H. X () liran dianggap plug flow. Ingin disusun prsamaan-prsamaan matmatisnya untuk mnghitung kadar dalam air di dalam kolom pada brbagai posisi dan waktu, srta kadar trsrap olh adsorbn pada brbagai posisi dan waktu. dsorpsi Logam Cu dari Limbah Elktroplating Mnggunakan Karbon ktif dalam Kolom Fixd Bd Endang Kwartiningsih dan Nanda Stiarini 79

3 Gambar 3. Fixd bd column adsorbr Nraca massa pada fasa cair dalam lmn volum stbal z: Rat of input rat of output = rat of accumulation C D. S. C D. S. k c. a. C = S. z.ε * ( C C ). z z + z C C z+ z z z F C C z+ z z SD z ε C = D z=0 z z+ z=l F(volum/wtk) C 0 + F. C S. z F(volum/wtk) C (out ) z + F. C z kc a ( C D + z +. * C (3) (4) Jika diambil z 0, diprolh C F C kca * ε C ( C C ) = SD D D (5) C F C kca * ε C ( C C ) = z SD D D (6) Jika prpindahan massa difusi aksial ) diabaikan, maka dngan mudah trlihat bahwa suku C hilang. Nraca massa tradsorpsi dalam adsorbn dalam lmn volum: Rat of input rat of output = rat of accumulation * X k a( C C )S z 0 S z c = ρb (7) JIka diambil z 0 dan dilakukan pnydrhanaan, maka diprolh X k a * = c ( C C ) ρb (8) Jadi diprolh prsamaan difrnsial parsial simultan (6) dan (8) dngan prsamaan (). (Prastya dan Sdiawan,1994 ) Kondisi batas : t = 0, pada smua posisi z, C = C 0 t = t, pada posisi z = 0, C = C 0 t = t, pada posisi z = L, C = C L Prsamaan-prsamaan diffrnsial trsbut di atas dapat dislsaikan dngan cara finit diffrnc approximation implicit. Intrval tbal dibagi mnjadi N bagian yang masing-masing tbalnya z dan batas-batas intrval dibri indks i = 0, 1,, 3,.., N, sdangkan intrval waktu dibagi mnjadi intrval kcil-kcil yang bsarnya masing-masing t dan batasbatas intrval dibri indks j = 0, 1,, 3,. Dngan sistm indks trsbut C (z, t) dapat ditulis C (i, j). Shingga dapat diprolh prsamaan sbagai brikut: αhγ Ci 1, j + 1 α + β Ci, j + 1 (1 + γh ) αhxi, j Ci + 1, j + 1 = βci, j (1 + γh ) (9) Prsamaan (9) brlaku hanya untuk i = 1,, 3,.., N-1 Prsamaan untuk i = 0 diprolh dngan mnyusun nraca massa adsorbat di skitar tmpat masuk cairan (limbah). 80 E K U I L I B R I U M Vol. 4. No.. Dsmbr 005 : 78 84

4 Nraca massa dihitung dalam lmn z volum stbal di skitar i = 0. Gambar 4. Elmn volum pada i = 0 Diprolh prsamaan sbagai brikut: α β αhγ 1+ + C (1 + Hγ ) β HXo, j = C0, j + C α in + (1+ γh ) 0, j C (10) Prsamaan untuk i = N diprolh dngan mnyusun nraca massa adsorbat dalam fas cair pada lmn volum stbal z di skitar i = N 1, j + 1 zskca α = F kca t γ = ρb zεs β = F t Harga k c a dapat dicari dngan mnggunakan mtod Optimasi Goldn Sction. Dngan cara trsbut dapat dihitung harga k c a pada brbagai macam dbit aliran. Harga kca optimum dapat ditntukan dngan mmbuat slisih kuadrat antara C hasil prhitungan dngan C data prcobaan yang mmbrikan nilai jumlah kuadrat ksalahan (Sum of Squars of Errors) minimum untuk mngck kssuaian modl matmatis yang diajukan. SSE Minimum = Σ (C Hitung C Data) METODOLOGI PENELITIN Bahan-bahan yang digunakan dalam pnlitian ini adalah air limbah lktroplating dan karbon aktif. lat-alat yang digunakan mliputi kolom, tangki pnampungan limbah, tangki pngndalian aliran, dan stopwatch Gambar 5. Elmn volum pada i = N Prsamaan akhir yang diprolh adalah sbagai brikut: α β αhγ CN 1, j CN, j + 1 (1 + Hγ ) α HXN, j β = + CN, j (1 + Hγ ) (11) dngan : Ktrangan Gambar: 1. Tangki pnampung limbah. Kran 3. Tangki Pngndali liran 4. liran Ovrflow 5. Manomtr 6. Kolom dsorbr Gambar 6. Rangkaian alat pnlitian dsorpsi Logam Cu dari Limbah Elktroplating Mnggunakan Karbon ktif dalam Kolom Fixd Bd Endang Kwartiningsih dan Nanda Stiarini 81

5 lat pnlitian dirangkai sprti gambar 6. ir limbah dari tangki pnampungan dialirkan mnuju kolom adsorbr dngan kcpatan trtntu. Pada slang waktu trtntu air limbah yang kluar dari kolom adsorbr dianalisa kadar tmbaga-nya dngan mnggunakan tomic bsorbtion Spctrophotomtry (S) shingga diprolh data konsntrasi tmbaga kluar kolom sbagai fungsi waktu. Brdasarkan gambar grafik di atas, diprolh prsamaan kstimbangan Hnry sbagai brikut : C * = X Hasil prcobaan dan prhitungan harga konsntrasi logam tmbaga pada suatu waktu dapat disajikan dalam bntuk grafik brikut ini: HSIL DN PEMBHSN Hasil prhitungan dalam mnntukan prsamaan kstimbangan Hnry disajikan dalam Tabl 1. Konsntrasi limbah mula-mula adalah x10-3 mg/cm 3. Pngambilan sampl pada t=o adalah pada saat sampl prtama kali kluar dari kolom. konsntrasi cairan.e w aktu (mnit) hasil prcobaan Tabl 1. Harga konsntrasi hasil prcobaan pada kadaan kstimbangan Brat adsorbn X C * (gram) (mgr / mgr adsorbn) (mgram / cm 3 ) x x x x x x x x x x Gambar 8. Grafik hubungan kcpatan 155,634 cm 3 /mnit Ralat Rrata = % Kca Optimum = / mnit konsntrasi cairan (mgadsorbat/cm3).e w aktu(mnit) hasil prcobaan Ca* 0. y = 3.104x Xa( mg dsorbat/mg adsorbn) Gambar 9. Grafik hubungan kcpatan 55,76 cm 3 /mnit Ralat Rrata = % Kca Optimum = / mnit Gambar 7. Grafik hubungan konsntrasi tmbaga pada cairan dan konsntrasi tmbaga dalam adsorbn dalam kadaan stimbang 8 E K U I L I B R I U M Vol. 4. No.. Dsmbr 005 : 78 84

6 Konsntrasi cairan.e Waktu(mnit) hasil prcobaan Gambar10. Grafik hubungan kcpatan 305,087 cm 3 /mnit Ralat Rrata = % Kca Optimum = / mnit Konsntrasi cairan.e w aktu (mnit) hasil prcobaan Gambar 11. Grafik hubungan kcpatan 354,918 cm 3 /mnit Ralat Rrata = % Kca Optimum = / mnit Konsntrasi Cairan (mgadsorbat/cm3).e Waktu (mnit) hasil prcobaan Gambar 1. Grafik hubungan kcpatan 454,56 cm 3 /mnit Ralat Rrata = 4.38 % Kca Optimum = / mnit konsntrasi Cairan 4.E-03.E Waktu (mnit) hasil pcobaan Gambar 13. Grafik hubungan kcpatan 584,0946 cm 3 /mnit Ralat Rrata = % Kca Optimum = 0.41 / mnit Dari di atas dapat dilihat hubungan kcpatan volumtris dngan Kca pada grafik di bawah ini: Kca (1/mnit) y = 0.000x Kcpatan volumtris (cm3/mnit) Gambar 14. Grafik hubungan kofisin transfr massa volumtris dngan kcpatan volumtris Hubungan antara kcpatan volumtris dan Kca kmudian dapat dinyatakan dalam prsamaan klompok tak brdimnsi brikut ini : Kca Dp Dv F ρ = K Dp µ Harga konstanta K dan z dapat dicari dngan cara rgrsi linir. Dari prhitungan, diprolh harga K = z = 0,1547 shingga prsamaan KTD yang diprolh Z dsorpsi Logam Cu dari Limbah Elktroplating Mnggunakan Karbon ktif dalam Kolom Fixd Bd Endang Kwartiningsih dan Nanda Stiarini 83

7 adalah Kca Dp Dv F ρ = Dp µ Ralat = 0,941 0,1547 Dari Gambar 14 srta prsamaan klompok tak brdimnsi yang diprolh, dapat dilihat bahwa nilai Kca brbanding lurus dngan kcpatan volumtris. Hal trsbut disbabkan karna makin bsar kcpatan aliran maka turbulnsi yang trjadi makin bsar pula, yang ditandai dngan bsarnya nilai Bilangan Rynolds yang trjadi. danya turbulnsi yang bsar trsbut dapat mnybabkan transfr massa yang trjadi juga akan smakin cpat. KESIMPULN Nilai Kofisin Transfr Massa Volumtris (k c a) pada adsorbsi logam tmbaga dari limbah cair lctroplating mnggunakan karbon aktif dalam kolom fixd bd brbanding lurus dngan kcpatan aliran limbah yang masuk k dalam kolom. Nilai k c a yang diprolh pada brbagai kcpatan aliran dapat dinyatakan dalam bntuk Klompok Tak Brdimnsi brikut ini: Kca Dp Dv F ρ = Dp µ dngan ralat = 0, DFTR DN RTI LMBNG a = Luas prmukaan fktif partikl adsorbn pr unit volum tumpukan bd, cm / cm 3 C = Konsntrasi adsorbat dalam cairan, mgram adsorbat/cm 3 cairan C*= Konsntrasi adsorbat dalam cairan yang stimbang dngan konsntrasi adsorbat dalam adsorbn, mgram adsorbat/cm 3 cairan C 0 = Konsntrasi adsorbat dalam cairan mula-mula, mgram dp = dk = Dv = D = F = H = k c = k c a= S = X = ξ = µ = ρ = ρb = adsorbat/cm 3 cairan Diamtr partikl adsorbn, cm Diamtr kolom, cm Diffusivitas, cm /mnit Diffusitas fktif, cm /mnit Kcpatan volumtric aliran cairan, cm 3 /mnit Ktinggian kolom, cm Kofisin transfr massa, cm/mnit Kofisin transfr massa volumtris, 1/mnit Luas prmukaan kolom, cm Konsntrasi adsorbat dalam adsorbn, mgram adsorbat/mgram adsorbn Porositas, cm3 ruang kosong dalam tumpukan/cm 3 volum tumpukan bd Viskositas cairan, mgram adsorbat/cm. mnit Dnsitas cairan, mgram cairan/cm 3 cairan Bulk Dnsity, mgram adsorbn/cm 3 volum tumpukan bd DFTR PUSTK lbrty, R.., and Danils, F., 199, Kimia Fisika, d V, lih Bahasa Surdia, N. M., dkk, Erlangga, Jakarta Hartomo,. J. dan Kanko, T., 199, Mngnal Plapisan Logam (Elktroplating), NDI Offst, Yogyakarta Lttrman, R. D., 1999, Watr Quality & Tratmnt, McGraw-Hill, Nw York Prastya,. dan Sdiawan, W. B., 1994, Pmodlan Matmatis dan Pnylsaian Numris dalam Tknik Kimia, NDI, Yogyakarta Sukardjo, Drs, 1985, Kimia norganik, Pnrbit Bina ksara, Yogyakarta Wardhana, W.., 1995, Dampak Pncmaran Lingkungan, NDI, Yogyakarta Pmbuatan rang ktif dari Tmpurung Klapa 84 E K U I L I B R I U M Vol. 4. No.. Dsmbr 005 : 78 84