ADSORPSI ION LOGAM Cu(II) PADA ZEOLIT A YANG DISINTESIS DARI ABU DASAR BATUBARA PT IPMOMI PAITON DENGAN METODE KOLOM

Transkripsi

1 ADSORPSI ION LOGAM Cu(II) PADA ZEOLIT A YANG DISINTESIS DARI ABU DASAR BATUBARA PT IPMOMI PAITON DENGAN METODE KOLOM Mia Ratnasari*, Nurul Widiastuti 1 nurul_widiastuti@chem.its.ac.id Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Abstrak - Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kapasitas adsorpsi ion Cu(II) pada zeolit A yang disintesis dari abu dasar batubara dalam sistem kolom dengan aliran dari atas ke bawah. Zeolit A disintesis dari abu dasar dengan metode peleburan alkali diikuti proses hidrotermal. Suhu peleburan dilakukan pada 750 ºC selama 1 jam dan proses hidrotermal pada 100 ºC selama 12 jam. Hasil analisis XRD menunjukkan zeolit yang terbentuk adalah zeolit A. Zeolit A yang dihasilkan diuji kemampuan adsorpsinya terhadap ion logam Cu(II) dengan melakukan variasi laju alir yaitu 1,5 ml/menit, 3 ml/menit dan 4 ml/menit. Untuk menentukan kapasitas adsorpsinya digunakan model Thomas. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa semakin kecil laju alir, maka kapasitas adsorpsi ion logam Cu(II) pada abu dasar semakin besar. Dengan laju alir 1,5 ml/menit, 3 ml/menit dan 4 ml/menit diperoleh kapasitas adsorpsi berturutturut sebesar 140,77 mg/g; 127,62 mg/g dan 91,20 mg/g. Kata kunci : Adsorpsi, Zeolit A sintesis dari abu dasar, Kolom adsorpsi, Model Thomas Abstrack - The aim of this research is to determine the adsorption capacity of Cu(II) on granular zeolite A was synthesised from coal bottom ash in down flow fixed bed column. The zeolite A was synthesised from coal bottom ash using alkali fusion method followed by hydrothermal process. Alkali fusion was conducted at temperature 750 O C for a hour, followed by hydrothermal process at 100 O C for 12 hours. XRD and SEM result indicated that the syntesised zeolite was zeolite A type. The granular zeolite A was formed by adding kaolin powder as the binding agent then tested for removal of Cu(II) by variated flow rate column system at 1,5 ml/min; 3 ml/min; and 4 ml/min. Thomas model was used to order determine the adsorption capacity. The result obtained shows that the smaller flow rate is the greater adsorption capacity of the granular zeolite A toward Cu(II) from solution. At the flow rate of 1.5 ml/min, 3 ml/min dan 4 ml/min, the adsorption capacity was 140,77 mg/g; 127,62 mg/g dan 91,20 mg/g respectively. Keywoords: Adsorption, Granular Zeolite A, Column adsorption, Thomas model B - 120

2 Pendahuluan Tingginya tingkat logam berat di lingkungan merupakan ancaman serius bagi kesehatan manusia, sumber daya hidup dan sistem ekologi. Industri pelapisan logam (electroplating) saat ini memberikan kontribusi paling besar terhadap pencemaran lingkungan. Oleh karena itu pengolahan limbah pelapisan logam ini perlu penanganan serius. (Alvarez-Ayuso et al., 2003). Berbagai penelitian telah dilakukan guna mengurangi atau bahkan menghilangkan logam berat berbahaya dari limbah pelapisan logam seperti cara pengendapan (precipitation) menggunakan bahan kimia, ekstraksi menggunakan pelarut tertentu, pertukaran ion, osmosa balik (reverse osmosis) dan adsorpsi. Proses adsorpsi dengan pilihan jenis adsorben yang tepat jika dibandingkan dengan proses lainnya merupakan proses yang sederhana tapi cukup efektif dalam penghilangan logam berat dari limbah cair (Gupta dkk.,2006). Abu layang dan abu dasar adalah limbah pembakaran batu bara yang pada umumnya berasal dari pembangkit listrik yang melimpah jumlahnya. Data survey menunjukkan bahwa jumlah residu abu layang dan abu dasar di PLTU Paiton pada tahun 1997 mencapai ton (Megawati dan Henny, 200). Prosentase residu proses tersebut berupa 80% abu layang (fly ash) dan 20% abu dasar (bottom ash). Pemanfaatan abu layang telah banyak dilakukan seperti bahan utama geopolimer, bahan aditif semen dan sebagainya karena tingginya kandungan Si dan Al, sedangkan abu dasar belum dimanfaatkan karena kandungan Si dan Al nya rendah dan tingginya kandungan karbon. Dari dua permasalahan diatas, yaitu limbah pelapisan logam dan limbah abu dasar, maka pada penelitian ini dilakukan pemanfaatan abu dasar dengan cara mentransfomnya menjadi zeolit-a dan menggunakan zeolit tersebut sebagai adsorben untuk logam Cu(II). Penelitian sebelumnya telah berhasil mentransform abu dasar menjadi zeolit (Yanti, 2009) dengan metode peleburan diikuti hidrotermal. Zeolit tersebut memiliki kapasitas adsorpsi terhadap ion logam Cu(II) hingga mg/g dengan konsentrasi awal larutan ion logam Cu(II) 50 mg/l pada ph 8 selama 360 menit dan jumlah adsorben 0,5 gram dalam sistem batch. Untuk mengaplikasikan adsorben tersebut perlu dilakukan dalam sistem kolom. Penelitian ini merupakan penelitian lanjutan dari sistem batch yang bertujuan untuk menentukan kapasitas adsorpsi Cu(II) pada zeolit A hasil sintesis dari abu dasar dalam sistem kolom. Model pendekatan yang digunakan untuk mengetahui kapasitas adsorpsi ion Cu(II) pada zeolit A yang disintesis dari abu dasar adalah model Thomas dengan bentuk linier sbb: C K q X O Th o ln 1 KThCot C t Q Material dan Metode Abu dasar yang digunakan pada penelitian ini berasal dari PT. IPMOMI Probolinggo. Komposisi kimia dan fasa mineral kristalin dari abu dasar telah dianalisis pada penelitian sebelumnya (Yanti, 2009). Bahan untuk pembuatan zeolit meliputi pelet NaOH 99% (Merck p.a), aquadest, aqua DM dan serbuk NaAlO 2, kaolin. Sedangkan bahan untuk pengujian kapasitas adsorpsi meliputi Cu(NO 3 ) 2.3H 2 O (Merck, p.a), aqua DM, HNO 3 65% dan HNO3 encer (1:499). Metode sintesis Zeolit A Pada penelitian ini, zeolit A disintesis dari abu dasar menggunakan metode peleburan diikuti kristalisasi hidrotermal (Yanti, 2009). Pertama, abu dasar dihilangkan kandungan airnya, dihaluskan B - 121

3 dan diayak. Selanjutnya abu dasar dicampur dengan NaOH halus dengan perbandingan massa NaOH/abu dasar = 1,2. Campuran kemudian dipanaskan pada suhu 750ºC selama 1 jam dalam muffle furnace. Setelah peleburan, campuran didinginkan, digerus dan dibuat suspensi dengan penambahan 12 air deionisasi ml/g. Campuran hasil peleburan diaduk dan diperam selama 2 jam pada suhu kamarselanjutnya campuran yang telah diperam tersebut disaring dan diambil supernatannya sebagai larutan sumber Si dan Al. Kandungan Si, Al dan Na terlarut pada supernatan tersebut dianalisa dengan ICP-AES. Residu dicuci dengan aquades sampai ph 9. Supernatan yang telah diketahui kandungan Si, Al dan Na-nya selanjutnya dibuat slurry berkomposisi molar relatif 3,165 Na 2 O : Al 2 O 3 : 1,926 SiO 2 : 128 H 2 O dengan penambahan larutan NaAl 2 O-NaOH sebagai sumber Al untuk mengatur rasio molar Si/Al yang sesuai untuk dapat men sintesis zeolit A. Campuran (slurry) dan residu dimasukkan dalam autoklaf stainless steel yang tertutup rapat untuk kristalisasi hidrotermal pada suhu 100 C selama 12 jam. Setelah perlakuan hidrotermal, padatan hasil kristalisasi dipisahkan dari filtratnya, dicuci dengan air destilat sampai ph 9-10 dan dikeringkan pada suhu 105 C selama 24 jam kemudian ditimbang. Zeolit A hasil sintesis dikarakterisasi dengan difraksi sinar- X (XRD) dan SEM. Selanjutnya zeolit hasil sintesis ini dibentuk menjadi tablet (granul) dengan penambahan kaolin sebagai pengikat agar dapat digunakan pada sistem kolom untuk mereduksi logam Cu(II). Metode Studi Adsorpsi Adsorpsi dengan aliran secara kontinyu dilakukan dengan menggunakan kolom gelas (tinggi = 13,5 cm, diameter = 1 cm). 1 gram zeolit A dimasukkan dalam kolom, kemudian dialiri larutan ion logam Cu(II) 50 mg/l dengan ph awal larutan 6 pada suhu kamar. Laju alir influen diatur dengan variasi 1,5 ml/menit, 3 ml/menit, 4 ml/menit. Larutan yang telah melalui kolom (effluen) ditampung dan diambil secara berkala pada selang waktu 12 jam untuk selanjutnya dianalisa menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (SSA). Hasil dan Pembahasan Sintesis zeolit A dari abu dasar Zeolit-A pada penelitian ini dibuat dari abu dasar dengan metode peleburan diikuti hidrotermal. Pada tahap peleburan dengan alkali, abu dasar terdekomposisi menjadi garam alkali yaitu garam natrium silikat dan aluminat (Ojha dkk, (2004). padatan abu dasar yang mengandung garam natrium silikat dan natrium alumina silikat dihaluskan dan dilarutkan dalam air destilat hingga konsentrasi NaOH sekitar 2M. Proses pelarutan leburan abu dasar dengan air destilasi adalah sebagai berikut Na 2 SiO 3 (s) + H 2 O(aq) Na 2 AlSiO 4 (s)+ H 2 O(aq) Na 2 SiO 3 (aq) Na 2 Al(OH) 4 (aq) Untuk membuat zeolit-a, selanjutnya rasio molar SiO 2 /Al 2 O 3 gel awal dalam ekstrak leburan dikontrol melalui penambahan sumber Al dan diikuti oleh kristalisasi zeolit. Reaksi yang terjadi ketika proses kristalisasi berlangsung yaitu : NaOH (aq) + NaAl(OH) 4(aq) + Na 2 SiO 3(aq) [Na x (AlO 2 ) y (SiO 2 ) z. NaOH. H 2 O] (gel) Na p [(AlO 2 ) p (SiO 2 ) q ]. h H 2 O suhu kamar Suhu 373,3 oc Zeolit yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan XRD (Gambar 1) dan SEM dalam keadaan serbuk (Gambar 2) maupun granul (Gambar 3). B - 122

4 [Na 96 (AlO 2 ) 96 (SiO 2 ) H 2 O] yang memiliki kristal kubik seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 3 menunjukkan morfologi zeolit A yang disintesis setelah dibentuk menjadi granul dengan penambahan kaolin, dari gambar dapat dilihat adanya struktur kubik zeolit A. Selanjutnya zeolit-a ini diuji kapasitas adsorpsinya dalam sistem kolom. Gambar 1. Difraktogram XRD Zeolit A hasil sintesis dari abu dasar Gambar 2. Mikrograf SEM zeolit A hasil sintesis dari abu dasar Studi Adsorpsi Pengaruh Laju alir Zeolit-A granul diuji kapasitas adsorpsinya dalam sistem kolom terhadap ion logam Cu(II) dengan konsentrasi awal 50 mg/l dan ph 6. Pemilihan konsentrasi larutan ion Cu(II) 50 mg/l didasarkan pada hasil adsorpsi batch pada penelitian yang dilakukan Said (2010), sedangkan ph 6 adalah ph larutan ion Cu(II) pada konsentrasi 50 mg/l tanpa proses pengaturan ph. Pengambilan data dalam sistem kolom ini dilakukan dengan cara mengatur laju alir influen dengan variasi 1,5; 3; dan 4 ml/menit. Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 3. Morfologi zeolit A granul Pola difraksi sinar-x yang didapatkan dari produk hidrotermal, dicocokkan dengan Data Base Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) 1997 dengan nomor seri PDF untuk zeolit-a. Kesamaan yang terlihat pada Gambar 1 menunjukkan bahwa struktur zeolit yang dihasilkan pada penelitian ini merupakan zeolit A Gambar 4. Kurva breakthrough adsorpsi ion Cu(II) pada zeolit A dengan variasi laju alir (pada kondisi awal, ph = 6; konsentrasi Co = 50 mg/l; massa adsorben = 1 gram, dan tinggi adsorben = 4 cm) Pada Gambar 4 terlihat bahwa pada waktu 0 jam, konsentrasi ion Cu(II) tidak berada pada angka 0. Ini karena waktu B - 123

5 kontak larutan Cu(II) dengan adsorben yang tidak cukup lama, akibatnya ketika larutan Cu(II) meninggalkan kolom, kesetimbangan belum terjadi. Dengan bertambahnya waktu, konsentrasi efluen meningkat hingga akhirnya mendekati konsentrasi influen. Data konsentrasi effluen dari hasil variasi laju alir ini diolah menggunakan persamaan Thomas sehingga didapatkan hasil berupa tetapan laju Thomas (K Th ), kapasitas adsorpsi (q o ), waktu penerobosan (breakthrough-t b ), dan waktu jenuh (t e ) yang ditampilkan pada Tabel 1. Tabel 1. Nilai Tetapan Thomas(K th ), kapasitas adsorpsi (q o ), waktu breakthrough (t b ) dan waktu jenuh (exhausted - t e ). Laju alir (ml/menit) Massa (gram) K th (L/mg.jam) q o (mg/g) t b (jam) t e (jam) 1,5 1 0, ,77 31,5 195,7 0, , ,62 14,4 138,5 0, , ,20 7,9 89,9 0,944 R 2 Terlihat pada Tabel 1 bahwa laju alir sebanding dengan nilai ketetapan Thomas dan berbanding terbalik dengan nilai kapasitas adsorpsi. Semakin besar laju alir maka nilai ketetapan Thomas semakin besar pula dan kapasitas adsorpsi semakin kecil. Nilai kapasitas adsorpsi ion Cu(II) pada zeolit-a dengan laju alir 1,5; 3; dan 4 ml/menit berturut-turut adalah 140,77 mg/g, 127,62 mg/g, dan 91,20 mg/g. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan ini, dapat disimpulkan bahwa zeolit-a hasil sintesis dari abu dasar dapat digunakan untuk mengadsorp ion Cu(II). Kapasitas adsorpsi ion Cu(II) dipengaruhi oleh laju alir. Nilai kapasitas adsorpsi ion Cu(II) pada zeolit-a dengan variasi laju alir 1,5; 3; dan 4mL/menit berturut-turut adalah 140,77 mg/g; 127, 62 mg/g; dan 91,20 mg/g. SIMBOL C o : adalah konsentrasi ion logam influen (mgl -1 ) C t : konsentrasi effluen pada waktu t (mgl -1 ) K Th : konstanta laju Thomas (ml menit -1 mg -1 ) Q : laju alir (ml menit -1 ) q o : kapasitas adsorpsi (mg g -1 ) X : jumlah adsorben dalam kolom (g) Daftar Pustaka Aksu, Z. and I.A. Isoglu, Removal of copper(ii) ions from aqueous solution by biosorption onto agricultural waste sugar beet pulp. J. Process Biochem., 40: Alvarez-Ayuso E., A. Garcıa Sanchez, X. Querol, Purification of metal electroplating waste waters using zeolites. Water Research 37 (2003) B - 124

6 Babel, S., Kurniawan, T.A., Journal of Hazardous Materials, B97, 219 (2003) Benefield, Larry D., J.F Judkins and B.L Weand (1982) Process Chemistry for water and waste water treatment Prentice hall, Inc, New Jersey Chandrasekar, et al.,(2008) Synthesis of hexagonal and cubic mesoporous silica using power plant bottom ash. Microporous and Mesoporous materials. Vol 111, p Chunfeng et al, Evaluation of zeolites synthesized from fly ash as potential adsorbents for wastewater containing heavy metals, Journal of Environmental Sciences 21(2009) Han Runping, Copper(II) and lead(ii) removal from aqueous solution in fixed-bed columns by manganese oxide coated zeolite, Journal of Hazardous Materials B137 (2006) Oxtoby, David W., Gillis, H.P., Nachtrieb, N.H., (2003) Prinsip prinsip Kimia Modern. Jilid 2. Ed. 4. Erlangga, Jakarta. Palar, Heryando Pencemaran dan Teknologi Logam Berat. Jakarta Rineka Cipta. Yanti, Yuli (2009), Sintesis zeolit A dan Zeolit Karbon Aktif dari Abu Dasar PLTU Paiton denga Metode Peleburan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. B - 125