Abstrak. Kata Kunci: Flotasi; Limbah; Logam Berat; Ozon

Transkripsi

1 PENGARUH WAKTU FLOTASI DAN KONSENTRASI LOGAM AWAL TERHADAP KINERJA PROSES PENGOLAHAN LIMBAH CAIR YANG MENGANDUNG LOGAM BESI, TEMBAGA, DAN NIKEL DENGAN FLOTASI OZON Eva Fathul Karamah, Setijo Bismo, Dewi Widyaningrum Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok Abstrak Polusi lingkungan oleh logam berat yang diketahui beracun dan tidak dapat terbiodegradasi telah menjadi masalah yang serius. Perhatian dititikberatkan pada pengembangan metode pengolahan limbah alternatif. Logam berat yang akan menjadi penelitian kali ini adalah besi, tembaga, dan nikel, yang akan dihilangkan dari limbah cair sintetik tunggal dengan metode flotasi. Flotasi merupakan metoda pemisahan bahan dengan pengapungan oleh gelembung udara sebagai diffuser. Diffuser yang biasa digunakan adalah udara atau oksigen. Penelitian ini akan mempelajari flotasi yang menggunakan ozon sebagai diffuser. Selain diffuser, pada flotasi ozon ini menggunakan zeolit alam lampung (ZAL) sebagai bahan pengikat, sodium lauril sulfat (SLS) sebagai kolektor, polialumunium klorida (PAC) sebagai bahan koagulan, dan NaOH 3M sebagai pengatur ph. Penelitian ini dilakukan dengan memvariasikan waktu flotasi untuk memperoleh kondisi operasi optimum untuk ketiga logam di atas dan konsentrasi logam awal untuk mengetahui kisaran konsentrasi logam yang dapat diolah. Variabel tetapnya adalah konsentrasi ozon dan tekanan udara kompresor yang digunakan. Hasil penelitian menunjukkan waktu flotasi optimum untuk ketiga logam adalah sama, yaitu 25 menit. Dengan kondisi operasi optimum (2 g/l ZAL; 0,4 g/l SLS; 0,133 g/l PAC; ph pencampuran 7; dan waktu flotasi 25 menit) dapat mencapai persentase pemisahan hingga 99,50% untuk logam besi dan 89,46% untuk logam tembaga; serta dapat mengolah limbah dengan konsentrasi logam awal hingga 150 mg/l besi dan 100 mg/l tembaga. Kondisi operasi optimum untuk logam nikel adalah dengan dosis 2 g/l ZAL; 0,4 g/l SLS; 0,0667 g/l PAC; ph pencampuran 9, dan waktu flotasi selama 25 menit dapat menghasilkan persentase pemisahan nikel sebesar 98,17% dan dapat mengolah limbah dengan konsentrasi logam awal hingga 150 mg/l nikel. Kata Kunci: Flotasi; Limbah; Logam Berat; Ozon 1. Pendahuluan Logam-logam berat yang biasanya terkandung dalam limbah-limbah industri antara lain nikel, seng, tembaga, mangan dan besi. Berdasarkan pemantauan BPLHD DKI Jakarta, kawasan Jakarta Barat merupakan kawasan yang paling tinggi tingkat pencemaran air tanah oleh besi, yaitu mencapai 3,12 hingga 20,83% (Hanni, S. V., 2003). Beberapa industri seperti pewarnaan, kertas, (penambangan) minyak, pelapisan dan pengelasan logam, serta pembuatan peralatan telepon melepaskan sejumlah tembaga yang tidak diharapkan Logam berat perlu diolah lebih lanjut karena cenderung untuk dapat terbioakumulasi atau terakumulasi dalam tubuh makhluk hidup dalam jangka waktu lama ( Pada penelitian ini dilakukan proses separasi dengan metode flotasi menggunakan campuran udara-ozon sebagai diffuser. Flotasi merupakan metoda pemisahan bahan dengan pengapungan oleh gelembung gas sebagai diffuser. Penggunaaan ozon sebagai diffuser dalam proses flotasi ini dipilih karena mempunyai banyak keuntungan. Antara lain ozon merupakan zat oksidator kuat, lebih kuat dibandingkan dengan asam hipoklorit, zat disinfektan yang sangat efektif dibanding dengan klor untuk menghancurkan bakteri, virus, maupun protozoa; dan dapat membantu proses flokulasi-koagulasi sebagai zat koagulan ( comparison-of-disinfectants.htm). Pada proses flotasi ini digunakan bonding agent yang berfungsi sebagai zat pengikat bagi partikel-partikel logam, sehingga dengan bantuan udara maka logam-logam berat yang sudah terikat akan naik ke atas kolom dan mengapung. Pada penelitian ini digunakan zeolit alam Lampung sebagai bahan pengikat karena mudah diperoleh dan murah serta telah terbukti mampu mengikat logam.daya adsorpsi zeolit untuk logam berat relatif besar,

2 dapat dianalogikan dengan daya penghilangan amonia yang tinggi dalam perairan biologis ( Ada banyak parameter yang mempengaruhi keberhasilan proses flotasi, diantaranya adalah waktu operasi, penambahan bahan kimia (bahan pengikat, surfaktan, koagulan), laju alir diffuser yang digunakan, dan konsentrasi ion logam dalam limbah. Penelitian kali ini difokuskan untuk mempelajari pengaruh waktu flotasi dan konsentrasi ketiga jenis logam tersebut di atas terhadap kinerja proses flotasi. 2. Bahan dan Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan limbah cair sintetik tunggal dalam larutan garamnya. Secara umum penelitian terbagi menjadi preparasi dan karakterisasi zeolit alam lampung, uji produktivitas ozonator, preparasi sampel, proses flotasi, analisis sampel sebelum dan setelah proses, serta pengolahan data. Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Skema Alat Flotasi Tangki flotasi yang digunakan berkapasitas 5 liter dan terbuat dari material flexiglass. Tinggi total tangki flotasi sebesar 93 cm, dengan tinggi tabung 50 cm dan tinggi bagian kerucut bawah 43 cm, serta diameter dalam tangki 11 cm dan diameter luarnya 12 cm. Preparasi zeolit alam lampung dilakukan dengan pengayakan (ukuran ± 0,4 mm), pencucian selama 30 menit dengan pengadukan berulang-ulang, dan pengeringan pada suhu ± 120 o C selama 2 jam. Karakterisasi zeolit untuk mengetahui luas permukaan pori zeolit sebelum dan sesudah preparasi dilakukan dengan menggunakan alat BET Autosorb. Uji produktivitas ozon dilakukan dengan menggunakan metode iodometri. Gas ozon yang dihasilkan oleh generator ozon ditangkap oleh larutan Kalium Iodida (KI). Reaksi oksidasi KI oleh ozon menghasilkan I 2 (Iodium). I 2 yang terbentuk kemudian dititrasi dengan menggunakan larutan Natrium Tiosulfat (Na 2 S 2 O 3 ). Banyaknya tiosulfat yang teroksidasi menunjukkan jumlah iodium yang dihasilkan dari reaksi kalium iodida dengan ozon. Proses preparasi limbah cair sintetik dimulai dengan pembuatan larutan tunggal yang mengandung logam Fe, Cu dan Ni 100 mg/l dalam bentuk garamnya, yaitu FeSO 4. 7 H 2 O; Cu(NO 3 ) 2.4H 2 O; dan NiCl 2. 6H 2 O sebanyak 3 L. Untuk variasi konsentrasi, pembuatan sampel diulangi untuk konsentrasi logam 150, 250, dan 500 mg/l. Setelah sampel dibuat kemudian dilakukan analisis sampel. Proses flotasi dari limbah cair sintetis tunggal ini akan dilakukan secara batch satu tahap menggunakan campuran udara-ozon sebagai diffuser. Sebanyak 2g/L ZAL dan 0,4 g/l SLS dimasukkan ke dalam sampel yang telah dianalisis sebelumnya. Kemudian campuran tersebut diaduk dengan pengadukan cepat 140 rpm selama 20 menit. Selama pengadukan, ph campuran limbah diatur agar mencapai nilai 7, dengan menambahkan NaOH 3M setetes demi setetes. Setelah 20 menit, sebanyak 0,133 g/l PAC ditambahkan ke dalam campuran tersebut dengan tetap dilakukan pengadukan. Pengadukan cepat (kecepatan 140 rpm) dilakukan selama 1 menit kemudian dilanjutkan dengan pengadukan lambat (kecepatan 35 rpm) selama 10 menit. Selanjutnya, campuran tersebut dipindahkan ke dalam tangki flotasi. Campuran udara-ozon (yang berasal udara), dialirkan melalui bagian bawah tangki flotasi. Proses flotasi dilakukan dengan waktu operasi selama 30 menit. Setelah proses flotasi selesai, buih yang terbentuk pada permukaan atas tangki diambil dengan cara skimming, dan air hasil olahannya dialirkan ke dalam tangki penampungan, untuk selanjutnya dianalisis (nilai ph, DO, COD, dan konsentrasi logamnya). Selanjutnya proses flotasi diulangi untuk variabel-variabel operasi yang berbeda, yaitu: waktu operasi (5; 10; 15; 20; 25 menit) dan konsentrasi logam awal (150; 250, dan 500 mg/l).

3 Analisis sampel dilakukan sebelum dan setelah proses. Sampel dari effluent diambil sebelum proses (setelah selesai preparasi sampel) dan setelah proses untuk setiap variasi. Analisis yang dilakukan meliputi pengukuran kandungan logam, nilai ph, kandungan oksigen terlarut (DO), dan kebutuhan oksigen kimia (COD). Hasil pemisahan logam berat dari limbah sintetik ini diperoleh dengan cara mengukur konsentrasi logam berat awal dan akhir pada air hasil olahan, dengan persamaan % pemisahan berikut: Co Ca % Pemisahan Logam = x100% (1) Co dengan: C o = konsentrasi logam awal, mg/l C a = konsentrasi logam akhir, mg/l 3. Hasil Dan Pembahasan Hasil-hasil penelitian dibahas pada bagian berikut ini. Preparasi Zeolit Alam Lampung (ZAL) Hasil karakterisasi ZAL sebelum dan sesudah preparasi menunjukkan telah terjadi peningkatan luas permukaan ZAL sebesar 10,18%, yakni dari semula 43,14 m 2 /g menjadi 47,53% m 2 /g. Peningkatan ini juga diiringi oleh peningkatan volum pori zeolit sebesar 41,15%, yakni dari volum pori semula 0, cm 3 /g menjadi 0, cm 3 /g. Peningkatan yang terjadi kurang signifikan, sehingga pemanfaatan zeolit sebagai penukar ion ataupun adsorben pada penelitian ini belum dapat dilakukan secara optimal. Pengaruh Waktu Flotasi Pengaruh waktu flotasi terhadap persentase pemisahan logam dan parameter kualitas air dijelaskan pada bagian berikut ini. Persentase Pemisahan 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Waktu Flotasi (menit) Gambar 2. Pengaruh waktu flotasi terhadap persentase pemisahan logam Nilai ph Waktu Flotasi (menit) Gambar 3. Pengaruh waktu flotasi terhadap nilai ph akhir setelah proses Gambar 2 menunjukkan adanya kenaikan yang cukup signifikan dari persentase pemisahan ketiga logam dari larutan tunggalnya. Hasil pemisahan logam besi mempunyai persentase pemisahan yang paling tinggi diantara ketiga logam tersebut. Hal ini dikarenakan waktu yang dibutuhkan untuk mengkontakkan bahan-bahan kimia yaitu NaOH, SLS, dan PAC untuk membentuk flok dengan gelembung gas yang dihasilkan diffuser akan lebih lama, sehingga dapat terjadi pemisahan yang diinginkan. Logam besi merupakan logam yang dapat dioksidasi dari keadaan garamnya, yaitu FeSO 4. 7H 2 O dengan mudah (Svehla, 1979). Pada saat terjadi pencampuran (di tangki pencampuran), ada sebagian kecil Fe 2+ yang belum teroksidasi oleh udara. Logam inilah yang akan teroksidasi oleh ozon dalam tangki flotasi, karena ozon merupakan zat oksidator yang lebih kuat bila dibandingkan dengan oksigen (dari udara). Dengan semakin lamanya waktu flotasi maka senyawa hidroksida besi (III) yang terbentuk semakin banyak, sebagai akibat dari proses oksidasi Fe 2+ oleh ozon di tangki flotasi. Dengan demikian maka persentase pemisahannya akan lebih tinggi bila dibandingkan dengan logam-logam yang tidak dapat dioksidasi oleh udara, seperti tembaga dan nikel. Pada waktu flotasi 5 dan 10 menit untuk semua logam, proses flotasi tidak optimal, sehingga diperlukan proses lanjutan, yaitu sedimentasi. Hal ini disebabkan oleh belum cukupnya waktu untuk mengapungkan semua flok logam yang terbentuk. Dengan demikian untuk waktu flotasi 5 dan 10 menit tidak dapat dijadikan perbandingan untuk menentukan waktu flotasi optimum.

4 Pada penelitian ini diperoleh waktu flotasi yang optimum selama 25 menit. Pemilihan waktu tersebut didasarkan pada hasil persentase pemisahan untuk ketiga logam dan dari pengamatan visual. Dengan waktu flotasi optimum diperoleh hasil persentase pemisahan yang tinggi, yaitu sekitar 98-99% untuk logam besi dan nikel, serta 86% logam tembaga. Kemudian dari pengamatan visual terlihat bahwa pada waktu flotasi 15 menit untuk logam besi dan 20 menit untuk tembaga dan nikel sudah menunjukkan hasil persentase pemisahan yang tinggi, namun masih banyak terdapat busa surfaktan yang tertinggal dalam tangki flotasi. Gambar 3 menunjukkan pengaruh waktu flotasi terhadap nilai ph setelah proses. Nilai ph awal merupakan ph saat pengadukan di tangki pencampuran, yaitu 7 untuk logam besi dan tembaga, serta 9 untuk logam Ni. Penurunan nilai ini dipengaruhi oleh terbentuknya asam yang berasal dari hidrolisis garam logamnya, yaitu asam sulfat, asam nitrat, dan asam klorida. Penurunan nilai ph ini juga sedikit dipengaruhi oleh penambahan PAC sebagai koagulan pada proses. PAC merupakan bahan koagulan yang bersifat asam karena memiliki sisi keasaman Bronsted-Lowry. Nilai DO Waktu Flotasi (menit) Nilai COD Waktu flotasi (menit) Gambar 4. Pengaruh waktu flotasi terhadap nilai DO akhir setelah proses Gambar 5. Pengaruh waktu flotasi terhadap nilai COD akhir setelah proses Gambar 4 menunjukkan pengaruh waktu flotasi terhadap nilai DO setelah proses. Nilai DO menunjukkan jumlah oksigen terlarut dalam air. Nilai DO pada air hasil flotasi dapat dikatakan cenderung meningkat dibandingkan dengan kondisi awal limbah. Hal ini dapat dijelaskan karena dengan semakin lamanya proses flotasi, maka jumlah diffuser yang ditambahkan pun akan semakin banyak, sehingga kandungan oksigen dari udara (kompresor) dan ozon juga akan semakin banyak. Semakin lamanya proses flotasi akan menyebabkan ozon terdekomposisi menjadi oksigen, sehingga menyebabkan kandungan oksigen terlarut dalam air hasil flotasi cenderung meningkat. Namun peningkatan ini tidak terlalu signifikan karena dalam proses, ozon yang ditambahkan kecil sekali, yaitu sebesar 0,0393 gram/jam, yang didapatkan dari hasil uji produktivitas ozonator. Gambar 5 menunjukkan pengaruh waktu flotasi terhadap nilai COD setelah proses. Nilai COD merupakan nilai kebutuhan oksigen yang dibutuhkan untuk dapat mengoksidasi senyawa-senyawa organik secara kimiawi. SLS merupakan senyawa organik, salah satu penyumbang nilai COD dalam air limbah ini. Logam besi dan tembaga berperan dalam menurunkan nilai COD air hasil proses dengan cara mengoksidasi senyawa yang bersifat basa, yaitu SLS. Proses okdidasi ini dapat dicapai apabila logam besi dan tembaga berada dalam keadaan basa. Namun tidak halnya untuk logam nikel, yang tidak dapat mengoksidasi SLS pada kondisi basa, yaitu pada ph pencampuran 9, sehingga tidak terjadi penurunan nilai COD dengan semakin lamanya waktu proses flotasi. Dengan meningkatnya nilai ph, maka SLS akan semakin sulit untuk diolah dan akan menyebabkan tegangan permukaan semakin tinggi sehingga sulit ditembus oleh ozon sebagai zat oksidatornya.

5 Pengaruh Konsentrasi Logam Awal Pengaruh konsentrasi awal logam terhadap kinerja proses flotasi dijelaskan pada bagian berikut ini. Persentase Pemisahan 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% Konsentrasi Logam Berat (mg/l) Gambar 6. Pengaruh konsentrasi logam awal terhadap persentase pemisahan limbah sintetik tunggal Nilai ph Konsentrasi Logam Awal (mg/l) Gambar 7. Pengaruh konsentrasi logam awal terhadap nilai ph akhir Gambar 6 menunjukkan nilai persentase pemisahan ketiga logam dengan variasi konsentrasi logam awalnya. Untuk konsentrasi besi dan nikel 100, dan 150 mg/l tidak diperlukan proses sedimentasi, namun tidak demikian halnya untuk konsentrasi besi dan tembaga 250 dan 500 mg/l. Sedangkan untuk konsentrasi tembaga 150 hingga 250 mg/l tetap diperlukan proses sedimentasi. Dengan semakin tingginya kandungan logam awal dalam sampel, maka kinerja surfaktan dan koagulan dalam mengikat hidroksida-hidroksida besi menjadi flok pun akan semakin berat, sehingga terdapat kondisi optimum yang diperlukan untuk proses flotasi pada konsentrasi logam tertentu. Selain itu dengan adanya kenaikan konsentrasi logam dalam sampel, maka koloid hidroksida yang terbentuk akan semakin banyak, sedangkan jumlah bahan koagulan (PAC) dan surfaktan (SLS) yang ditambahkan tetap, sehingga tidak mampu untuk mengubah semua partikel hidroksida tersebut menjadi flok. Dengan demikian koloid hidroksida tersebut tidak dapat dipisahkan ke permukaan dan akan tetap berada di tangki flotasi, sehingga pada akhirnya diperlukan proses lanjutan (sedimentasi) untuk dapat mengukur kandungan logam berat dalam effluent. Pada logam tembaga diperoleh hasil pemisahan yang tidak sesuai dengan teori, yakni persentase pemisahan tembaga 150 mg/l lebih rendah dibandingkan 500 mg/l. Hal ini dapat disebabkan pada saat pengukuran AAS untuk konsentrasi tembaga 150 mg/l, flok tembaga yang terdapat dalam tangki flotasi ikut terukur sehingga menyebabkan konsentrasi akhir logam tinggi dan mengakibatkan persentase pemisahan logam tembaga menjadi rendah. Gambar 7 menunjukkan logam besi mengalami penurunan nilai ph yang paling besar dibanding tembaga dan nikel. Nilai ph awal untuk ketiga logam sama dengan pada saat variasi waktu flotasi. Penurunan nilai ini disebabkan oleh adanya reaksi oksidasi besi oleh ozon, sehingga dengan semakin meningkatnya konsentrasi besi awal, ion H + yang terbentuk pun akan semakin banyak. Hal tersebut tidak ditemui pada logam yang tidak dapat dioksidasi, dalam hal ini tembaga dan nikel. Reaksi oksidasi seperti yang ditunjukkan berikut: 2Fe 2+ + O 3(aq) + 5H 2 O 2Fe(OH) 3(s) + O 2 (aq) + 4 H + (2) Nilai COD Nilai DO Konsentrasi Logam Awal (mg/l) Konsentrasi Logam Awal (mg/l) Gambar 8. Pengaruh konsentrasi logam awal terhadap nilai DO akhir Gambar 9. Pengaruh konsentrasi logam awal terhadap nilai COD akhir

6 Gambar 8 menunjukkan pengaruh konsentrasi logam awal terhadap nilai DO setelah proses. Nilai DO dipengaruhi oleh jumlah diffuser yang dimasukkan ke dalam tangki flotasi. Nilai DO akhir untuk setiap variasi konsentrasi logam awal cenderung tetap, sehingga dapat dikatakan bahwa dengan semakin bertambahnya konsentrasi logam awal, tidak memberikan pengaruh terhadap nilai DO akhir. Gambar 9 menunjukkan pengaruh konsentrasi logam awal terhadap nilai COD setelah proses. Dengan adanya kehadiran logam nikel yang semakin tinggi pada limbah pada kondisi asam (karena lebih banyak terbentuk asam klorida dari hidrolisis garam nikel) akan menyebabkan penurunan nilai COD air hasil olahan yang sangat signifikan. Logam nikel dapat berperan sebagai katalis oksidasi, yang dapat mengoksidasi senyawa-senyawa organik, yang berasal dari SLS. Dengan semakin tingginya konsentrasi nikel awal, maka jumlah SLS yang dapat teroksidasi pun akan semakin banyak. Karena nikel merupakan katalis oksidasi yang kuat, maka nikel akan membantu kerja ozon dalam mengoksidasi senyawa SLS. SLS yang telah teroksidasi akan terpisah seiring dengan froth yang terbentuk, sehingga jumlah senyawa organik yang belum teroksidasi dalam air olahan akan semakin kecil. Dengan demikian dalam hal ini, adanya logam nikel dapat membantu proses pengolahan limbah dengan cara menurunkan nilai COD air limbah. 4. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Waktu flotasi optimum untuk pemisahan besi, tembaga, dan nikel adalah sama, yaitu 25 menit. 2. Kondisi operasi optimum untuk logam besi adalah dengan dosis 2 g/l ZAL, 0,4 g/l SLS, 0,133 g/l PAC, ph pencampuran 7, dan waktu flotasi 25 menit dapat menghasilkan persentse pemisahan besi sebesar 99,50%. Dengan kondisi optimum tersebut dapat mengolah limbah besi dengan konsentrasi besi awal hingga 150 mg/l. 3. Kondisi operasi optimum untuk logam tembaga adalah dengan dosis 2 g/l ZAL, 0,4 g/l SLS, 0,133 g/l PAC, ph pencampuran 7 dan waktu flotasi selama 25 menit dapat menghasilkan persentase pemisahan tembaga sebesar 89,46%. Dengan kondisi optimum tersebut dapat mengolah limbah tembaga dengan konsentrasi tembaga awal hingga 100 mg/l. 4. Kondisi operasi optimum untuk logam nikel adalah dengan dosis 2 g/l ZAL, 0,4 g/l SLS, 0,0667 g/l PAC, ph pencampuran 9 dan waktu flotasi selama 25 menit dapat menghasilkan persentase pemisahan nikel sebesar 98,17%. Dengan kondisi optimum tersebut dapat mengolah limbah nikel dengan konsentrasi nikel awal hingga 150 mg/l. 5. Daftar Acuan El-Sayed Ghazy, Shaban (2006), Removal of Aluminium from Some Water Samples by Sorptive Flotation Using Powdered Midified Activated Carbon as a Sorbent and Oleic acid as a Surfaktan. Analytical science. Japan Hanni, S Vincentia (2003) Air Jakarta Semakin Tidak Sehat, Kompas 5 Juni 2003, Jakarta. Lazaridis, N.K. et al (2004), Copper removal from Effluents by Various Separation Techniques, Hydrometalurgy, Aristotle University, Greece. p Shergold, H.L (1984), The Scientific Basis of Flotation, NATO ASI Series, K.J. Ivesed, Martinus Nijhoff Publishers, Boston., disinfectants.htm. Ozone Disinfection, Comparison of Disinfectants, diakses pada tanggal 24 Februari 2006., Heavy Metals, diakses pada tanggal 10 Maret 2006., Substances Removal by Zeolite, diakses pada tanggal 6 Maret 2006.