Penjerapan Ion Logam Cadmium dalam Larutan Encer Menggunakan Baggase Fly Ash Teraktivasi

Transkripsi

1 Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., Pnjrapan Ion Logam Cadmium dalam Larutan Encr Mnggunakan Baggas Fly Ash Traktivasi Martha Hlsanggi, Agus Prastya* Jurusan Tknik Kimia, Fakultas Tknik, Univrsitas Gadjah Mada, Jl. Grafika No. 2, Yogyakarta, 5528 Abstract Bagass fly ash is frquntly usd as an adsorbnt for various havy mtals such as Cd 2+ dissolvd in watr. Activation procdur is gnrally rquird prcding adsorption using BFA. Invstigation of diffrnt activation tratmnts and th influncs on BFA adsorption capacity is still scarc. In th prsnt study, BFA was activatd in HCl N solution and in H 2 O 2 solution at diffrnt concntrations of 0.0 N, 0.02 N and 0.05 N. Th activatd BFA was thn usd for adsorption of watr containing Cd 2+. Also, th ffct of tmpratur on th adsorption was part of th study. Exprimntal rsults indicatd that H 2 O 2 activatd BFA showd suprior adsorption proprtis compard with th unmodifid BFA (raw BFA). Manwhil, activation tratmnt in HCl solution causd a dcras in adsorption quality. Th rsults also showd that tmpratur incras would lad to a dcras in adsorption capacity. Kywords: bagass fly ash, adsorption, activation, H 2 O 2, ionic cadmium Abstrak Bagass fly ash (BFA) dapat digunakan sbagai adsorbn brbagai macam logam brat sprti Cd 2+ yang trlarut dalam air. Untuk dapat digunakan sbagai mdia pnjrap BFA prlu lbih dahulu diaktivasi. Pnlitian mmplajari pngaruh brbagai jnis aktivasi trhadap kmampuan adsorpsi BFA blum banyak dilakukan. Pada pnlitian ini BFA diaktivasi mnggunakan larutan HCl N dan H 2 O 2 pada brbagai konsntrasi 0,0N, 0,02N, dan 0,05N. BFA traktivasi kmudian digunakan untuk mnjrap Cd 2+. Pada pnlitian ini juga diplajari pngaruh suhu trhadap jumlah Cd 2+ yang tradsorpsi. Hasil pnlitian mnunjukkan bahwa kualitas BFA traktivasi H 2 O 2 lbih baik dibandingkan BFA awal. Smntara itu, aktivasi dngan larutan HCl mnybabkan pnurunan kualitas pnjrapan. Hasil pnlitian mnunjukkan bahwa smakin tinggi suhu maka smakin sdikit Cd 2+ yang trjrap. Kata kunci: bagass fly ash, pnjrapan, aktivasi, H 2 O 2, ion kadmium Pndahuluan Gula tlah mnjadi bagian yang pnting dalam industri kulinr di Indonsia. Hampir smua jnis masakan mmakai gula slain sbagai pmanis juga sbagai pnambah cita rasa. Produksi gula di Indonsia mnggunakan bahan baku tbu yang produksinya mngalami pasang surut, yaitu dari 405,4 hktar (928,7 ribu ton) pada 998 mnjadi hanya 39, ribu hktar (80,4 ribu ton) pada tahun 999. Pada tahun 2002, produksi tbu mngalami pningkatan hingga 392 ribu hktar (869,2 ribu ton) dan diprkirakan akan trus mningkat, (BPS, 2002). Bagass yang mrupakan rsidu padat slalu trbntuk di dalam industri gula tbu dngan jumlah yang cukup bsar. Limbah ini biasanya dipakai kmbali sbagai bahan bakar mnghasilkan baggas fly ash (BFA). Slain itu, * Alamat korspondnsi: mail: aguspras@chmng.ugm.ac.id bagass juga tlah dimanfaatkan untuk bahan isian di matrial gdung, industri pulp dan papr, dan bahan baku hidroksi mtil furfural (Pssoa, 997). Saat ini di Indonsia stidaknya ada 64 buah pabrik gula yang masih broprasi dngan brbagai kapasitas. Untuk sbuah pabrik dngan kapasitas 5000 ton pr hari, BFA yang dihasilkan cukup bsar yaitu 5 ton pr hari. Di pihak lain, prkmbangan dunia industri mngakibatkan smakin banyak limbah yang dihasilkan. Limbah yang dihasilkan dari dunia industri brbahaya bagi manusia dan lingkungan. Mnurut data dari Dprindag (999), limbah industri pnyamakan kulit jumlahnya mncapai m 3 /tahun dan m 3 /tahun untuk industri plapisan logam. Kandungan limbah cair trsbut adalah snyawa logam brat sprti Cr(VI dan III), Ag(II), Cu(II), Zn(II), Cd(II) dan bbrapa snyawa organik. Baku mutu lingkungan yang dittapkan olh pmrintah mlalui Kputusan Mntri Lingkungan Hidup

2 8 No. 202 Tahun 2004 untuk ion logam brat sprti pada Tabl I. Salah satu ion logam yang trbukti sangat toksik trhadap manusia adalah Cd 2+. Tabl. Baku mutu lingkungan untuk ion logam brat (Kp Mn KLH 202/2004) Paramtr Satuan Kadar maksimum ph 6-9 TSS mg/l 200 Cu mg/l 2 Cd mg/l 0, Zn mg/l 5 Cr mg/l Limbah cair ion Cd dapat brasal dari pross plburan (Buchaur, 973), plapisan logam, batrai cadmium-nikl, pupuk fosfat, pnambangan, pigmntasi, stabilisr, industri alloy (Low dan L, 99), dan dari ndapan limbah. Akibat yang brbahaya dari ion Cd diantaranya adalah sjumlah pnyakit akut dan brbahaya, misalnya pnyakit itai-itai, krusakan ginjal, mphysma, hiprtnsi, dan lain-lain. Batas tolransi untuk Cd dalam air adalah 2,0 mg/l (ISI, 982) dan di dalam air minum adalah 0,0 mg/l (ISI, 982). Sdangkan Kp Mn KLH no 202 tahun 2004 mntapkan nilai Cd 2+ 0, mg/l untuk air buangan yang diijinkan. Pada pnlitian ini, BFA hasil limbah industri gula dimanfaatkan sbagai mdia pnjrap ion Cd dalam larutan ncr. Scara lbih khusus, dalam pnlitian ini diplajari pngaruh aktivasi BFA trhadap kapasitas pmungutan ion logam cadmium (Cd 2+ ). Konsntrasi kstimbangan di dalam cairan dan mdia pnjrap kmudian didkati dngan brbagai modl kstimbangan. Dngan mlakukan pnjrapan ini, pnybaran Cd 2+ di dalam air limbah dapat dibatasi dan Cd 2+ yang trjrap dapat diisolasi untuk pngolahan lbih lanjut. Modl kstimbangan Pada pross adsorpsi trjadi fnomna prmukaan di mana trjadi pnambahan konsntrasi komponn trtntu pada prmukaan dua fas. Hubungan antara massa ion Cd 2+ di dalam larutan dan dalam padatan untuk sistm batch pada kadaan stimbang dapat dituliskan dngan prsamaan (). ( Co C) V (q qo) w () Bila mula-mula BFA tidak mngandung Cd 2+, maka prsamaan () dapat disdrhanakan mnjadi prsamaan (2). q Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., 200 (Co C).V w (2) Data kstimbangan adsorpsi biasanya dinyatakan dalam bntuk adsorption isothrms. Isothrms mnggambarkan jumlah zat yang trjrap saat kstimbangan trcapai pada suhu trtntu. Pada pnlitian ini kstimbangan antara konsntrasi Cd 2+ di cairan dan yang trjrap di padatan didkati dngan modl Langmuir dan Frundlich isothrms.. Langmuir isothrm Langmuir isothrm didasarkan pada asumsi bahwa trjadi adsorpsi lapisan tunggal pada prmukaan padat dan intraksi antar molkul yang trjrap dapat diabaikan. Hubungan antar konsntrasi pada kadaan stimbang dinyatakan dalam prsamaan (3). K L.C.QoL q (3) K.C L Evaluasi ttapan K L dapat dilakukan dngan cara linirisasi, shingga diprolh prsamaan (4). C q Nilai K.Q L K L.Q ol ordinat kurva Q ol trsbut. ol C q Q ol C (4) mrupakan titik potong pada vrsus C, sdangkan nilai mrupakan tangn arah dari kurva 2. Frundlich isothrm Hubungan non-linar antara konsntrasi di cairan dan konsntrasi di prmukaan padatan dalam modl Frundlich didkati sprti dalam prsamaan (5). q = K F.C n (5) Evaluasi ttapan K F dapat dilakukan dngan cara linirisasi shingga diprolh prsamaan (6). ln q = ln K F + n.ln C (6) Nilai ln K F mrupakan titik potong pada ordinat kurva ln q vrsus ln C, sdangkan nilai n mrupakan tangn arah dari kurva trsbut.

3 Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., Mtod Pnlitian Bahan Bahan utama yang digunakan dalam pnlitian ini adalah bagass fly ash (BFA) yang diprolh dari PG Madukismo, Yogyakarta, cadmium khlorid (CdCl 2 ) padat diprolh dari Laboratorium Kimia Farmasi, Fakultas Farmasi, UGM, Yogyakarta, dan bahan pngaktivasi brupa larutan H 2 O 2 dan larutan HCl diprolh dari Laboratorium Konsrvasi Enrgi dan Pncgahan Pncmaran, Jurusan Tknik Kimia, UGM, Yogyakarta. Cara pnlitian. Aktivasi BFA Pross aktivasi dilakukan dngan mnggunakan larutan HCl N dan larutan H 2 O 2 dngan konsntrasi 0,0 N, 0,02 N, dan 0,05 N. Untuk aktivasi dalam larutan HCl digunakan prbandingan gram BFA : 20 ml larutan HCl N pada suhu kamar dngan pngadukan slama 6 jam. Smntara itu, untuk aktivasi dngan larutan H 2 O 2 digunakan prbandingan gram BFA : 0 ml larutan H 2 O 2 dngan konsntrasi 0,0 N, 0,02 N, dan 0,05 N pada suhu kamar slama 24 jam. Ssudah diaktivasi, campuran dicuci dngan akuads dan disaring dngan krtas saring kasar tknis. Pncucian diulangi sampai diprolh ph ntral. Padatan yang tlah dicuci dikringkan dalam ovn pada suhu 0 o C slama 4 jam. 2. Pnjrapan (adsorpsi) Pross adsorpsi dilakukan dngan mnggunakan raw BFA, BFA traktivasi HCl, dan BFA traktivasi H 2 O 2. Sbanyak 0,3 gram BFA dimasukkan k dalam rlmyr brisi 40 ml larutan Cd pada ph 6 dngan konsntrasi awal 50, 00, 300, 500, dan 800 ppm. Cairan dalam rlmyr diaduk dalam watrbath yang dilngkapi shakr slama 4 jam pada suhu 45 o C dan 55 o C dan kmudian didiamkan slama 24 jam. Cairan dipisahkan dngan cara disaring mnggunakan krtas saring kasar tknis. Analisis Konsntrasi ion logam Cd 2+ dalam filtrat hasil adsorpsi dianalisis dngan mnggunakan AAS (atomic absorption spctrophotomtr). Hubungan konsntrasi pada kadaan stimbang kmudian digrafikkan mnurut prsamaan (4) dan (6). Hasil dan Pmbahasan Pngaruh suhu trhadap kapasitas pnjrapan Hubungan antara konsntrasi ion cadmium di dalam larutan dan padatan pnjrap pada kadaan stimbang untuk BFA yang diaktifkan dngan larutan H 2 O 2 dapat dilihat pada Gambar, 2 dan 3. Smntara Gambar 4 mnunjukkan hubungan antara konsntrasi untuk BFA yang diaktifkan dngan larutan HCl. Gambar. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan Cd 2+ di dalam larutan (C ) pada kstimbangan untuk BFA traktivasi dngan H 2 O 2 0,0N Gambar 2. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan Cd 2+ di dalam larutan (C, mmol/l) pada kstimbangan untuk BFA traktivasi dngan H 2 O 2 0,02N Gambar, 2, 3, dan 4 mnunjukkan bahwa dngan naiknya suhu maka jumlah ion yang trjrap (q ) akan smakin kcil. Adanya knaikan suhu mnybabkan nrgi kintik smakin bsar shingga grakan ion smakin cpat. Akibatnya jarak antar ion smakin rnggang shingga pnjrapan ion smakin sulit dan hanya sdikit saja yang trjrap. Hal trsbut juga didukung Garindo (2003) dalam pnlitiannya tntang pach ston activatd carbon yang diaktivasi dngan HNO 3 dan H 2 O 2 pada suhu 298 K dan 353 K. Hasil pnlitiannya mnunjukkan bahwa suhu tinggi mnybabkan

4 0 krusakan pada struktur pori yang ditandai dngan pnurunan S BET dan V mi. Karbon hasil aktivasi dngan H 2 O 2 mnunjukkan pnurunan BET surfac ara dari 004 m 2 /g mnjadi 98 m 2 /g. Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., 200 diaktivasi dalam larutan HCl dan H 2 O 2 pada brbagai konsntrasi. Dari gambar-gambar trsbut dapat disimpulkan bahwa kualitas adsorpsi Cd 2+ pada BFA traktivasi H 2 O 2 lbih baik dibandingkan dngan raw BFA. Smakin tinggi konsntrasi H 2 O 2 smakin banyak ion Cd 2+ yang trjrap. Sdangkan BFA yang diaktivasi dngan HCl mmpunyai kualitas adsorpsi yang paling rndah. Hal ini dimungkinkan karna HCl dapat braksi dngan logam, yang trkandung dalam BFA sprti SiO 2, AlO 3, MgO, CaO, dan juga FO, mnghasilkan gas hidrogn shingga trjadi krusakan dalam struktur BFA. Gambar 3. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan Cd 2+ di dalam larutan (C ) pada kstimbangan untuk BFA traktivasi dngan H 2 O 2 0,05N Gambar 5. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan konsntrasi Cd 2+ di dalam larutan (C, mmol/l) pada kstimbangan untuk brbagai jnis aktivator pada suhu 55 o C Gambar 4. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan Cd 2+ di dalam larutan (C ) pada kstimbangan untuk BFA traktivasi dngan HCl N dan untuk raw BFA Hasil trsbut mmbrikan indikasi bahwa pross adsorpsi Cd 2+ dngan mnggunakan BFA adalah pross yang brsifat ksotrmis shingga lbih baik dilakukan pada suhu yang rndah. Choma (999) mngatakan bahwa aktivasi karbon pada suhu ruangan tidak mnybabkan prubahan BET surfac ara, xtrnal surfac ara, volum pori, dan volum mikropori scara signifikan. Prlakuan aktivasi dngan brbagai oksidator pada suhu kamar tidak mngubah tip isothrm adsorpsi. Pngaruh jnis bahan pngaktif Gambar 5 dan 6 mnunjukkan hubungan antara q dngan C untuk raw BFA, BFA yang Gambar 6. Hubungan antara konsntrasi ion Cd 2+ dalam pnjrap (q ) dan konsntrasi Cd 2+ di dalam larutan (C, mmol/l) pada kstimbangan untuk brbagai jnis aktivator pada suhu 45 o C Kka Ohja (2004) mlakukan aktivasi coal fly ash mnggunakan HCl stlah kalsinasi. Disbutkan prlakuan dalam HCl digunakan untuk mnghilangkan undisrabl componnt sprti Al 2 O 3 dan bsi oksida yang nantinya akan mningkatkan rasio SiO 2 /AlO 3. Untuk pnjrap brbasis silika-alumina sprti zolit smakin

5 Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., 200 tinggi rasio SiO 2 /Al 2 O 3 smakin stabil bahan pnjrap trhadap suhu tinggi. Evaluasi modl kstimbangan Pada pnlitian ini, modl kstimbangan Frundlich dan Langmuir divaluasi brdasarkan data prcobaan. Untuk modl kstimbangan Langmuir, prbandingan antara data prcobaan dan hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 7. Smntara itu, paramtr kstimbangan modl Langmuir disajikan pada Tabl 2. Tabl 2. Ttapan kstimbangan Langmuir brbagai jnis BFA traktivasi (ph 6) Variasi K L (L/mmol) Q ol (mmol/g) H 2O 2 45 C 7,490 0,0N 55 C 9,9330 0,560 H 2O 2 45 C 4,5688 0,02N 55 C 8,486 0,656 H 2O 2 45 C 6,706 0,05N 55 C,4448 0,693 HCl N 45 C 6, C 4,6749 0,294 raw 45 C 25, C 2,362 0,527 suhu pross adsorpsi. Sprti trlihat pada prsamaan (3), nilai K L yang rndah akan mngakibatkan rndahnya jumlah ion Cd 2+ yang trjrap di prmukaan BFA. Pnurunan nilai K L ini mmprkuat ksimpulan bahwa pross pnjrapan Cd 2+ pada BFA brsifat ksotrmis. Hasil simulasi brdasarkan modl kstimbangan Frundlich dapat dilihat pada Gambar 8 dan Tabl 3. Tabl 3. Konstanta kstimbangan Frundlich untuk brbagai BFA dan suhu (ph 6) Variasi K F n H 2O 2 45 C 0,327 0,0N 55 C 0,075 0,900 H 2O 2 45 C 0,38 0,02N 55 C 0,2 0,930 H 2O 2 45 C 0,46 0,05N 55 C 0,77 0,900 HCl N 45 C 0, C 0,0847 0,20 Raw 45 C 0, C 0,076 0,720 Gambar 7. Prbandingan data prcobaan dan hasil simulasi modl kstimbangan Langmuir untuk brbagai jnis BFA pada suhu 55 C (atas) dan pada suhu 45 C (bawah) Pada Tabl 2 trlihat bahwa nilai konstanta kstimbangan (K L ) mnurun dngan naiknya Gambar 8. Prbandingan data prcobaan dan hasil simulasi modl kstimbangan Frundlich untuk brbagai jnis BFA pada suhu 55 C (atas) dan pada suhu 45 C (bawah) Sprti halnya pada modl Langmuir, Tabl 3 mnunjukkan bahwa nilai konstanta kstimbangan (K F ) Frundlich mnurun dngan naiknya suhu pross adsorpsi yang mnunjukkan sifat ksotrmis pristiwa adsorpsi yang trjadi.

6 2 Namun, Gambar 8 mnunjukkan bahwa modl Frundlich mngalami pnyimpangan pada konsntrasi tinggi. Pada kisaran konsntrasi tinggi, data prcobaan mnunjukkan bahwa pnambahan konsntrasi di cairan tidak mningkatkan kapasitas pnjrapan bahan. Smntara itu modl Frundlich cndrung mmbrikan konsntrasi hasil prhitungan yang lbih tinggi dibandingkan data prcobaan pada kisaran konsntrasi yang tinggi. Slain itu pada kisaran data prcobaan, kapasitas pnjrapan hasil simulasi trus mnunjukkan knaikan. Dngan mmbandingkan Gambar 7 dan Gambar 8, dapat trlihat bahwa modl Langmuir mmbrikan hasil simulasi yang lbih ssuai dngan data prcobaan. Sprti trlihat pada Gambar 7, pada kisaran konsntrasi tinggi, pnambahan konsntrasi di larutan tidak mmbrikan knaikan kapasitas pnjrapan yang cukup signifikan baik pada data prcobaan maupun hasil simulasi. Ksimpulan Hasil pnlitian mnunjukkan bahwa kualitas BFA sbagai adsorbn ion Cd 2+ akan mningkat dngan adanya aktivasi dngan mnggunakan H 2 O 2. Smntara itu, aktivasi dngan larutan HCl trbukti mnurunkan kualitas pnjrapan BFA trhadap ion Cd 2+. Data prcobaan juga mnunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi BFA trhadap ion Cd 2+ mnurun dngan knaikan suhu adsorpsi. Dalam hal ini, hubungan kstimbangan antara konsntrasi di larutan dan jumlah ion yang trjrap di BFA dapat didkati dngan modl Langmuir. Daftar Notasi BFA = Bagass fly ash Co = konsntrasi awal ion Cd 2+, mmol/l Ct = konsntrasi ion Cd 2+ pada stiap waktu, mmol/l C = konsntrasi ion Cd 2+ dalam kstimbangan di prmukaan padatan, mmol/l qo = jumlah ion Cd 2+ yang trjrap olh BFA mula-mula, mmol Cd 2+ /g BFA qt = jumlah ion Cd 2+ yang trjrap olh BFA pada stiap waktu, mmol Cd 2+ / g BFA q = kadar pnjrapan adsorbat dalam kstimbangan, mmol adsorbat/g BFA Qo L = kadar pnjrapan adsorbat Qo M K F Jurnal Rkayasa Pross, Vol. 4, No., 200 maksimum Langmuir Isothrm, mmol adsorbat/g BFA = kadar pnjrapan adsorbat maksimum Modifid Langmuir, mmol adsorbat/g BFA = konstanta kstimbangan Frundlich, mmol adsorbat/g BFA (mmol/l) K L = konstanta kstimbangan Langmuir, L/mmol K M = konstanta kstimbangan Modifid Langmuir, L/mmol n = pangkat (ordr) Frundlich x = pangkat (ordr) Modifid Langmuir T = suhu, C V = volum larutan, L W = brat BFA, gram Daftar Pustaka BPS, Statistik Indonsia 2002, BPS, Jakarta. Buchaur, M.J., 973. Contamination of Solid and Vgtation Nar a Zinc Smltr by Zinc, Cadmium, Coppr, and Lad, Environ. Sci. Tchnol Choma, J., Burakiwicz-Mortka, W., Jaronic, M., Li, Z., and Klinik, J., 999. Monitoring Changs in Surfac and Structural Proprtis of Porous Carbons Modifid by Diffrnt Oxidizing Agnts, Journal of Colloid and Intrfac Scinc 24, Garrido, G. S., Aguilar, C., Garcia, R., and Arriagada, R., A pach Ston Activatd Carbon Chmically Modifid to Adsorb Aquous Ammonia, J. Chil. Chm. Soc., Vol. 48, No. 3. ISI (Indian Standards Institution), 99. Drinking Watr Spsification, IS:0500. Kanwil Prindag DIY, Dinas Prindustrian dan Prdagangan, DIY, Indonsia (999). Kputusan Mntri Lingkungan Hidup No. 202 Tahun Low, K.S., and L, C.K., 99. Cadmium Uptak by th Most Calymprs Dlsrtii, Bsch, Biorsour. Tchnol., 38, -6. Ohja, K., Pradhan, N. C., Samanta, A. N., Zolit from fly ash: Synthsis and Charactrization, Bull. Matr. Sci., Vol. 27, No. 6, Pssoa, A., Manchilha, I., and Sato, S., 997. Acid hydrolysis of hmiclluloss from sugar can bagass, Brazilian Journal of Chmical Enginring, Vol. 4. Schiwtzr, 979. Handbook of Sparation Tchniqus for Chmical Enginrs, p.p , McGraw-Hill Book Company, Inc., Nw York. n