BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Karakteristik Logam Berat Logam berat merujuk pada elemen metal yang memiliki massa jenis tinggi dan beracun bahkan pada konsentrasi rendah. Logam berat adalah istilah umum, yang mengacu pada kelompok logam dan metalloid dengan massa jenis atom lebih besar dari 4 g/cm 3 atau 5x lebih besar dibandingkan air. Bagaimanapun, logam berat tidak terlalu berpengaruh pada massa jenis namun pada sifat kimia nya. Logam berat mencakupi timbal (Pb), kadmium (Cd), seng (Zn), merkuri (Hg), arsenik (As), perak (Ag), kromium, Cr), tembaga (Cu), besi (Fe), dan senyawa kelompok platinum [9]. Meskipun logam berat merupakan senyawa alami yang ditemukan di seluruh kerak bumi, pencemaran lingkungan lebih berpotensi disebabkan dari hasil paparan aktivitas antropogenik seperti operasi pertambangan dan peleburan, produksi industri dan penggunaan, dan penggunaan domestik dari logam. Pencemaran lingkungan juga dapat terjadi melalui korosi logam, deposisi atmosfer, erosi tanah, ion logam dan pencucian logam berat, sedimen suspensi ulang dan penguapan logam dari sumber air. Fenomena alam seperti pelapukan dan letusan gunung berapi juga berkontribusi terhadap polusi logam berat [10]. Dalam sistem biologis, logam berat telah dilaporkan mempengaruhi organel sel dan komponen seperti membran sel, mitokondria, lisosom, retikulum endoplasma, inti, dan beberapa enzim yang terlibat dalam metabolisme, detoksifikasi, dan memperbaiki kerusakan. Ion logam yang berinteraksi dengan komponen sel seperti protein DNA dan nuklir, menyebabkan kerusakan DNA dan perubahan konformasi yang dapat menyebabkan modulasi siklus sel, karsinogenesis atau apoptosis. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa spesies oksigen reaktif (ROS) produksi dan stres oksidatif memainkan peran kunci dalam toksisitas dan karsinogenisitas dari logam seperti arsenik, kadmium, kromium, timbal, dan merkuri. Logam ini merupakan racun sistemik yang dikenal untuk menginduksi kerusakan multiorgan, bahkan pada tingkat yang lebih rendah dari paparan. Menurut Badan Amerika Serikat Environmental Protection (US EPA), dan Badan Internasional untuk 6

2 Penelitian Kanker (IARC), logam ini juga diklasifikasikan sebagai "dikenal" atau "kemungkinan" karsinogen manusia berdasarkan studi epidemiologi dan eksperimental yang menunjukkan hubungan antara paparan dan kejadian kanker pada manusia dan hewan [10]. 2.2 Logam Kadmium (Cd) Kadmium adalah logam lembut, berwarna terang dengan tekanan uap tinggi yang dengan cepat beroksidasi terhadap kadmium oksida di udara, sedangkan banyak senyawa Cd anorganik yang larut dalam air, CdS dan CdO hampir tidak dapat larut dalam air [11]. Kadmium memiliki no atom 48, berat atom 112,4, massa jenis 8,65 g/cm 3, titik lebur 320,09 o C, dan titik didih 765 o C [12]. Kadmium merupakan bahan beracun yang menyebabkan keracunan kronik pada manusia, maka tingkat maksimum yang diperbolehkan di perairan adalah 0,01 mg/l (PP No 82 Th 2001 Tentang Kualitas Air). Kadmium (Cd) adalah logam berat yang secara normal terdapat pada tanah dan air dalam kadar rendah. Kadmium berasal dari beberapa sumber yaitu sumber alami, pertambangan dan industri. Gunung berapi merupakan sumber kadmium terbesar secara alami. Dari pertambangan, kadmium tidak ditambang secara tersendiri, tetapi merupakan bahan ikutan dari pengolahan tambang dan produksi timah hitam (Pb), Seng (Zn), Kuprum (Cu), batu bara dan minyak (Melalui interaksi dengan rantai makanan akhirnya kadmium yang telah mencemari lingkungan perairan akan sampai pada manusia) [13]. Penggunaan yang paling signifikan dari Cd yaitu dalam baterai Ni / Cd, sebagai sumber daya yang dapat diisi ulang atau sekunder menunjukkan output yang tinggi, dan pertahanan yang tinggi terhadap tegangan fisik dan elektrik. Pelapis kadmium memberikan pertahanan korosi yang bagus untuk kapal dan kendaraan lainnya, khususnya di lingkungan tekanan tinggi seperti laut dan luar angkasa. Kegunaan lain dari kadmium adalah sebagai pigmen (memberi zat warna), stabilisator untuk polyvinyl chloride (PVC), dalam paduan dan senyawa elektronik. Kadmium juga terdapat sebagai pengotor dalam beberapa produk, termasuk pupuk fosfat, deterjen dan produk minyak olahan. Selain itu, hujan asam dan pengasaman yang dihasilkan dari tanah dan permukaan air telah meningkatkan mobilitas geokimia Cd, dan 7

3 sebagai hasilnya konsentrasi permukaan air cenderung meningkat karena ph air menurun [14]. Kadmium dalam tubuh diketahui mempengaruhi beberapa enzim. Hal ini diyakini bahwa kerusakan ginjal yang menghasilkan proteinuria adalah hasil dari Cd yang dapat mempengaruhi enzim untuk reabsorpsi protein dalam tubulus ginjal. Kadmium juga mengurangi aktivitas delta-aminolevulinic acid synthetase, arylsulfatase, alcohol dehydrogenase, and lipoamide dehydrogenase, dan meningkatkan aktivitas delta - aminolevulinat asam dehidratase, dehidrogenase piruvat, dan piruvat dekarboksilase. Kejadian keracuran kadmium paling mengejutkan dan dipublikasikan dihasilkan dari asupan makanan kadmium oleh orang-orang di Lembah Sungai Jintsu, dekat Fuchu, Jepang. Para korban menderita penyakit itai itai, yang berarti aduh,aduh dalam bahasa Jepang. Gejala nya yaitu sakitnya osteomalacia ( penyakit tulang ) yang dikombinasikan dengan kerusakan ginjal. Racun kadmium di Lembah Sungai Jintsu disebabkan beras irigasi yang terkontaminasi dari tambang hulu sungai yang memproduksi Pb, Zn, dan Cd. Ancaman utama bagi kesehatan manusia adalah akumulasi kronis pada ginjal yang menyebabkan disfungsi ginjal. Namun, produk makanan dan merokok merupakan penyebab utama masuknya Cd ke dalam tubuh [14]. 2.3 Adsorpsi Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Adsorpsi dideskripsikan sebagai proses pemisahan yang efektif untuk menghilangkan effluent secara domestik atau industri [15]. Mekanisme penjerapan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu adsorpsi secara fisika (fisisorpsi) dan secara kimia (kemisorpsi). Bertentangan dengan fisisorpsi, kemisorpsi hanya terjadi sebagai monolayer. Adsorpsi fisik dapat dibandingkan untuk proses kondensasi serap tersebut. Sebagai aturan, fisisorpsi adalah proses reversibel yang terjadi pada suhu yang lebih rendah atau dekat dengan temperatur kritis dari substansi yang terserap [16]. Peristiwa fisisorpsi merupakan keadaan molekul reaktan dalam fasa gas teradsorpsi pada permukaan katalis dan melibatkan gaya van der Waals. Peristiwa 8

4 fisisorpsi bersifat eksotermis dan besarnya energi yang dilepaskan 40 kj/mol. Kemisorpsi merupakan peristiwa terjadinya pertukaran elektron serta pembentukan ikatan kimia antara molekul gas reaktan dengan permukaan katalis dan bersifat eksotermis. Besarnya energi yang dilepaskan pada peristiwa kemisorpsi adalah 400 kj/mol [17]. 2.4 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi Secara umum, faktor-faktor yang mempengaruhi dari proses adsorpsi adalah sebagai berikut: a. Luas permukaan Semakin luas permukaan adsorben, maka makin banyak zat yang teradsorpsi. Luas permukaan adsorben ditentukan oleh ukuran partikel dan jumlah dari adsorben. b. Jenis adsorbat Peningkatan polarisabilitas adsorbat akan meningkatkan kemampuan adsorpsi molekul yang mempunyai polarisabilitas yang tinggi (polar) memiliki kemampuan tarik-menarik terhadap molekul lain dibandingkan molekul yang tidak dapat membentuk dipol (non polar). Peningkatan berat molekul adsorbat dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi. Adsorbat dengan rantai yang bercabang biasanya lebih mudah diadsorp dibandingkan rantai yang lurus. c. Struktur molekul adsorbat Hidroksil dan amino mengakibatkan mengurangi kemampuan penyisihan sedangkan nitrogen meningkatkan kemampuan penyisihan. d. Konsentrasi adsorbat Semakin besar konsentrasi adsorbat dalam larutan maka semakin banyak jumlah substansi yang terkumpul pada permukaan adsorben. e. Temperatur Pemanasan atau pengaktifan adsorben akan meningkatkan daya serap adsorben terhadap adsorbat menyebabkan pori-pori adsorben lebih terbuka. Pemanasan yang terlalu tinggi menyebabkan rusaknya adsorben sehingga kemampuan penyerapannya menurun. [18] 9

5 2.5 Remediasi Logam Berat pada Pasir terkontaminasi Remediasi dapat dilakukan, antara lain melalui : i. Penggalian/pengeluaran (ex-situ), in situ (pengolahan di tempat), pencucian/leaching/pembilasan dengan zat kimia ii. Immobilisasi kimia/ metode stabilisasi untuk mengurangi kelarutan logam berat dengan menambahkan zat tidak beracun kedalam media pasir iii. Elektrokinetik (ektromigrasi) iv. Menutup permukaan media yang terkontaminasi dengan pasir yang bersih v. Metode pengenceran (mencampurkan pasir yang tercemar dengan meletakkan pasir yang bersih di bawah dan atas pasir yang tercemar untuk mengurangi konsentrasi kontaminan) vi. Fitoremediasi dengan menggunakan tumbuhan seperti tanaman berkayu [19] Pencucian pasir dengan penambahan surfaktan merujuk pada pengolahan kontaminan pasir dengan larutan surfaktan. Pencucian pasir, di sisi lain, mengacu pada proses sederhana (proses in situ). Larutan pencuci untuk remediasi pasir bisa berupa air, larutan asam, chelating atau complexing agent, basic solutions (larutan yang memiliki ph>7), cosolvent, atau surfaktan. Air akan mengekstraksi hidrofilik dan konstituen air. Tidak seperti pelarut yang melarutkan kontaminan dan menempatkan kontaminan dalam larutan, surfaktan merupakan senyawa yang mengurangi ketegangan permukaan antara cairan atau antara cair dan padatan. Surfaktan dapat berpengaruh karena strukturnya : salah satu ujung molekul surfaktan mudah larut dalam air dan molekul lainnya tidak mulah larut. Surfaktan dapat melepaskan kontaminan dari pasir. Surfaktan ditambahkan ke dalam air yang akan digunakan untuk pencucian pasir. Air dengan penambahan surfaktan dapat meningkatkan kemampuan detergen dalam larutan air dan efisiensi dengan senyawa organik yang dibawa dalam larutan air. Pengolahan ini akan lebih efektif jika banyak luas permukaan dari partikel pasir yang terolah [20]. Pada konsentrasi tinggi, surfaktan meningkatkan terlarutnya komponen organik hidrofobik dengan meningkatkan kelarutan kontaminan melalui misel solubilisasi. Penggunaan cairan tambahan dalam remediasi pasir untuk menghilangkan 10

6 kontaminan campuran (organik dan logam berat) dalam pasir telah berhasil dilakukan. [21] Pencucian pasir sering digunakan dalam remediasi disebabkan oleh : (i) dapat seluruhnya melepas kontaminan, oleh sebab itu menentukan pembersihan yang cepat dari media yang terkontaminasi (ii) memenuhi spesifik kriteria (iii) dapat menjadi metode yang paling efektif dan dapat mendaur ulang bahan/energi [21]. Teknik pencucian dapat dicapai dengan sangat baik dengan menggunakan agen yang bisa meningkatkan batas desorpsi antara pasir- logam. Sebuah teknik remediasi yang efektif untuk situasi tersebut adalah metode pencucian larutan surfaktan. Beberapa kelebihan dan keuntungan mengenai pencucian tanpa busa (tanpa foam), misalnya, gradien tekanan yang diperlukan relatif rendah dan tidak merusak struktur tanah dan membutuhkan lebih sedikit energi untuk mencapai remediasi. Namun, remediasi dengan surfaktan membutuhkan konsumsi besar surfaktan dengan efisiensi penyisihan rendah [8]. 2.6 Surfaktan Surfaktan merupakan suatu molekul yang sekaligus memiliki gugus hidrofilik dan gugus lipofilik sehingga dapat mempersatukan campuran yang terdiri dari air dan minyak. Surfaktan adalah bahan aktif permukaan. Aktifitas surfaktan diperoleh karena sifat ganda dari molekulnya. Molekul surfaktan memiliki bagian polar yang suka akan air (hidrofilik) dan bagian non polar yang suka akan minyak/lemak (lipofilik). Bagian polar molekul surfaktan dapat bermuatan positif, negatif atau netral. Sifat rangkap ini yang menyebabkan surfaktan dapat diadsorbsi pada antar muka udara-air, minyak-air dan zat padat-air, membentuk lapisan tunggal dimana gugus hidrofilik berada pada fase air dan rantai hidrokarbon ke udara, dalam kontak dengan zat padat ataupun terendam dalam fase minyak. Umumnya bagian non polar (lipofilik) adalah merupakan rantai alkil yang panjang, sementara bagian yang polar (hidrofilik) mengandung gugus hidroksil [22] Permintaan surfaktan di dunia internasional cukup besar. Pada tahun 2004, permintaan surfaktan sebesar 11,82 juta ton per-tahun dan pertumbuhan permintaan 11

7 surfaktan rata-rata 3 persen per-tahun. Penggunaan surfaktan sangat bervariasi, seperti bahan deterjen, kosmetik, farmasi, makanan, tekstil, plastik dan lain lain. Beberapa produk pangan seperti margarin, es krim, dan lain-lain menggunakan surfaktan sebagai satu bahannya. Syarat agar surfaktan dapat digunakan untuk produk pangan yaitu bahwa surfaktan tersebut mempunyai nilai Hydrophyle Lypophyle Balance (HLB) antara 2-16, tidak beracun, serta tidak menimbulkan iritasi. Penggunaan surfaktan terbagi atas tiga golongan, yaitu sebagai bahan pembasah (wetting agent), bahan pengemulsi (emulsifying agent) dan bahan pelarut (solubilizing agent). Penggunaan surfaktan ini bertujuan untuk meningkatkan kestabilan emulsi dengan cara menurunkan tegangan antarmuka, antara fasa minyak dan fasa air. Surfaktan dipergunakan baik berbentuk emulsi minyak dalam air maupun berbentuk emulsi air dalam minyak [23]. Emulsi didefinisikan sebagai suatu sistem yang terdiri dari dua fasa cairan yang tidak saling melarut, dimana salah satu cairan terdispersi dalam bentuk globulaglobula cairan lainnya. Cairan yang terpecah menjadi globula-globula dinamakan fase terdispersi, sedangkan cairan yang mengelilingi globula-globula dinamakan fase kontinu atau medium dispersi. Berdasarkan jenisnya emulsi dibedakan menjadi dua yaitu: 1) Emulsi minyak dalam air (O/W), adalah emulsi dimana bahan pengemulsinya mudah larut dalam air sehingga air dikatakan sebagai fase eksternal. 2) Emulsi air dalam minyak (W/O), adalah emulsi dimana bahan pengemulsinya mudah larut dalam minyak [23]. Gugus hidrofilik pada surfaktan bersifat polar dan mudah bersenyawa dengan air, sedangkan gugus lipofilik bersifat non polar dan mudah bersenyawa dengan minyak. Di dalam molekul surfaktan, salah satu gugus harus lebih dominan jumlahnya. Bila gugus polarnya yang lebih dominan, maka molekul-molekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh air dibandingkan dengan minyak. Akibatnya tegangan permukaan air menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu. Demikian pula sebaliknya, bila gugus non polarnya lebih dominan, maka molekul molekul surfaktan tersebut akan diabsorpsi lebih kuat oleh minyak dibandingkan dengan air. Akibatnya tegangan permukaan minyak menjadi lebih rendah sehingga mudah menyebar dan menjadi fase kontinu [24]. 12

8 Penambahan surfaktan dalam larutan akan menyebabkan turunnya tegangan permukaan larutan. Setelah mencapai konsentrasi tertentu, tegangan permukaan akan konstan walaupun konsentrasi surfaktan ditingkatkan. Bila surfaktan ditambahkan melebihi konsentrasi ini maka surfaktan mengagregasi membentuk misel. Konsentrasi terbentuknya misel ini disebut Critical Micelle Concentration (CMC). Tegangan permukaan akan menurun hingga CMC tercapai. Setelah CMC tercapai, tegangan permukaan akan konstan yang menunjukkan bahwa antar muka menjadi jenuh dan terbentuk misel yang berada dalam keseimbangan dinamis dengan monomernya [25]. Klasifikasi surfaktan berdasarkan muatannya dibagi menjadi empat golongan yaitu: 1) Surfaktan anionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu anion. Contohnya adalah garam alkana sulfonat, garam olefin sulfonat, garam sulfonat asam lemak rantai panjang. 2) Surfaktan kationik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya terikat pada suatu kation. Contohnya garam alkil trimethil ammonium, garam dialkil-dimethil ammonium dan garam alkil dimethil benzil ammonium. 3) Surfaktan nonionik yaitu surfaktan yang bagian alkilnya tidak bermuatan. Contohnya ester gliserin asam lemak, ester sorbitan asam lemak, ester sukrosa asam lemak, polietilena alkil amina, glukamina, alkil poliglukosida, mono alkanol amina, dialkanol amina dan alkil amina oksida. 4) Surfaktan amfoter yaitu surfaktan yang bagian alkilnya mempunyai muatan positif dan negatif. Contohnya surfaktan yang mengandung asam amino, betain, fosfobetain. [26] Surfaktan pada umumnya disintesis dari turunan minyak bumi, seperti linier alkil bensen sulfonat (LAS), alkil sulfonat (AS), alkil etoksilat (AE) dan alkil etoksilat sulfat (AES). Surfaktan dari turunan minyak bumi dan gas alam ini dapat menimbulkan pencemaran terhadap lingkungan, karena surfaktan ini setelah digunakan akan menjadi limbah yang sukar terdegradasi. Disamping itu, minyak bumi yang digunakan merupakan sumber bahan baku yang tidak dapat diperbaharui. 13

9 Masalah inilah yang menyebabkan banyak pihak mencari alternatif surfaktan yang mudah terdegradasi dan berasal dari bahan baku yang dapat diperbaharui [27] Sodium Dodechyl Sulfate (SDS) Sodium dodecyl sulfat (SDS) tergolong surfaktan anionik yang relatif murah dan digunakan secara luas pada produk sampo, deterjen dan pasta gigi. SDS juga digunakan dalam pengolahan mineral untuk flotasi komponen tertentu dan digunakan untuk denaturasi protein dalam aplikasi laboratorium [28]. Dalam industri SDS digunakan sebagai agen pelunakan produk kulit seperti tas, sepatu, ikat pinggang, agen pembersih wol, dalam industri kertas sebagai penetran, flocculating agent, de-inking agent, dalam konstruksi bangunan sebagai aditif beton, perangkat pemadam kebakaran, minyak pelumas mesin, pembersih lantai, dan sabun cuci mobil, dll [29]. Sodium lauril sulfat (SLS), natrium lauril sulfat atau natrium dodesil sulfat (SDS atau Nads) (C 12 H 25 SO 4 Na) adalah surfaktan anionik yang digunakan di banyak pembersihan dan kebersihan produk. Molekul ini memiliki ekor 12 atom karbon, yang melekat pada kelompok sulfat, memberikan sifat molekul amfifilik diperlukan dari deterjen [30]. SLS adalah surfaktan yang sangat efektif dan digunakan dalam setiap tugas yang memerlukan penghilangan noda berminyak dan residu. Misalnya, ditemukan dalam konsentrasi yang lebih tinggi dengan produk industri termasuk minyak pelumas mesin, pembersih lantai, dan sabun cuci mobil. Hal ini digunakan dalam konsentrasi yang lebih rendah dengan pasta gigi, shampoo, dan busa cukur. Ini merupakan komponen penting dalam formulasi bubble bath untuk efek penebalan dan kemampuannya untuk membuat busa [30] Sifat Fisika Dan Kimia SDS Sifat fisika dan kimia dari SDS dapat dilihat dari data dibawah ini: a) Tampilan : padat b) Warna : putih c) ph : 7,2 d) Rentang titik lebur / beku : C 14

10 e) Titik nyala : 180 C f) Mudah terbakar (padat, gas) : bahan atau campuran adalah padat mudah terbakar dengan kategori 1. g) Berat jenis relatif : 0,370 g/cm 3 h) Kelarutan dalam air : larut [29]. 2.8 Rangkaian Peralatan Percobaan Remediasi Pasir Terkontaminasi pada Batch System Keterangan Gambar: Sejumlah surfaktan X cmc dituangkan ke dalam beaker glass yang berisi 13 gram pasir terkontaminasi Cd 2+. Kemudian diletakkan pada shaker selama 2 jam dengan laju variasi pengadukan 0;50;100 rpm. Konsentrasi ion Cd 2+ diambil dengan pipet tetes dan dianalisa dengan AAS untuk meninjau seberapa banyak logam Cd 2+ yang tersisihkan dan kemampuan surfaktan dalam menyisihkan logam Cd